控制论、控制方法及在课堂教学中的应用

控制论、控制方法及在课堂教学中的应用

⎺申大魁

（陕西师范大学教育学院，陕西西安710062）【摘要】控制论是关于一切控制系统实现控制职能的科学。从组成要素，课堂是一个是由教师、学生、教学内容、教学条件（或环境）等因素组成的可控系统。传统课堂教学是一种单向的无反馈的教学模式。应将控制论原理、控制方法引入课堂，对教学目标、教学方法等进行控制，使施控系统与被控系统之间的目标差逐渐缩小，逐渐逼近目标，最终实现目标。

【关键词】控制论；控制方法；课堂教学

一、控制论及控制方法

（一）控制论

控制论（Cybernetics）是20世纪40年代形成的综合性的新型科学理论。美国数学家维纳的《控制论》一书于1948年在法国赫尔曼出版社正式出版，标志着控制论的诞生。之后，控制论向各门学科广泛渗透，形成了生物控制论、工程控制论、社会控制论等众多分支。

什么是控制论？“控制论是关于一切控制系统的共有特点和规律的科学。简单地说，控制论是一门关于一切控制系统实现控制职能的科学”。⑴一切带有“目的性”的活动都渗透着控制。随着电子计算机的广泛使用，现代控制论逐渐由人工控制发展到自动控制，由个别对象、个别过程的局部自动控制发展到对复杂的、大规模的、综合系统的自动控制。

（二）控制方法

自动控制是在控制系统中实现的，而任何控制系统都是由施控系统和被控系统构成的。当施控系统不断依据内部或外部条件的变化而进行调整时，就是所谓的控制。人类每时每刻都处在控制的过程中，控制也是人类主观能动性重要的表现方面。

什么是控制方法？“控制方法就是施控系统如何实现对被控系统的控制，即如何使被控系统按照施控系统的目的和要求来发展的方法”。⑵

无论人、生物，还是自控机器，其控制过程都是相同的：首先，施控系统发出口令、指令、信号、行为等控制信息，输入到被控系统。再把被控系统输出的结果、情报、资料、状态等信息反馈给施控系统。施控系统对反馈回来的信息进行分析、加工、整理，并与自己想要达到的目的进行比较，继而调整控制信息，然后再向被控系统输入经过加工、整理后的新的信息。如此反复，逐步缩小与目标的差距，最终达到预期的目的。整个控制过程如下图所示：

控制方法就是在上述控制过程中所采用的方法。控制方法是一系列方法的总称，最主要的有反馈方法、信息方法、择优化方法、黑箱方法，其中，反馈方法是控制方法的核心。

1、反馈方法

反馈方法就是将施控系统发出的控制信息作用于被控系统之后，被控系统输出的信息

⎺＊本文系教育部人文社会科学研究项目“高考多元录取机制促进高中教育多样化发展研究”（项目批准号：11YJA880093）的阶段性研究成果。

收集回来，作为修改下一次发出的控制信息的依据的方法。反馈又有正反馈和负反馈之分。一般把趋近于目标的反馈称为负反馈，把偏离目标，打破原有稳定状态的反馈称为正反馈。

2、择优化方法

这种方法就是通过先建立模型，然后比较各种模型的利弊得失，从而选择出最佳方案。这种方法可以显著加快进度，提高效率，而且使决策和预测建立在科学的基础上。

3、“黑箱”方法

当我们对一个事物的内部情况一无所知，而我们又不能打开这一事物的内部时，虽然我们不知道该事物的内部结构，但完全可以测出相应的输入——输出过程，我们把这种具有某种功能，而内部结构不清楚的系统叫做“黑箱”。例如我们可以视人脑为“黑箱”。“黑箱方法”就是指不打开和不损坏事物的内部结构，而仅从输入——输出的整体转换功能来把握事物的方法。如下图所示：

4、信息方法

所谓信息方法，就是运用信息的观点，把系统的运动过程看作信息传递和信息转换的过程，通过对信息流程的分析和处理，获得对某一复杂系统运动过程的规律性认识的一种研究方法。信息方法的特点是用信息概念作为分析和处理问题的基础，它完全撇开研究对象的具体结构和运动形态，把系统的有目的性运动抽象为一个信息变换过程。信息流的正常流动，特别是反馈信息的存在，才能使系统按预定目标实现控制。如下图所示：

当然，控制方法不是单一的方法，而是上述各种方法所构成的动态、综合的方法。

二、课堂教学引入控制论和控制方法的可行性和必要性

（一）课堂教学引入控制论、控制方法的可行性

上文已提及，控制论是关于一切控制系统实现控制职能的科学。从控制论的观点来看，教学过程是一种老师借助于一系列的辅助手段，诸如教科书、教具、电教设备、多媒体课件等，利用高超娴熟的教学技巧来实现的复杂的信息动态控制过程。既然课堂是一个系统，而X 1 X 2 X 3 Y 1 Y 2 Y 3 …… …… 信息 信息

且是一个可控系统，当然可以应用控制论和控制方法。

假如将课堂系统看做是由施控系统和被控系统构成的，则教师就是施控系统，学生就是被控系统。从组成要素，可将课堂系统看做是一个是由教师、学生、教学内容、教学条件（或环境）等因素组成的系统，组成系统的各要素相互作用、相互依赖，并与外部环境构成更大的系统。

（二）课堂教学引入控制论、控制方法的必要性

教学效率是课堂教学永恒追求的目标。可是，纵观学校的课堂教学，有一个十分普遍的现象，那就是老师讲了很多遍的内容，老师总以为学生已经完全掌握，可是，每当考试结束后，才发现这只是老师一厢情愿，其实很多东西学生依然没有掌握，于是乎老师开始埋怨学生学习不够认真，头脑不够聪明等等。长期以往，必然导致课堂教学效率低下，学生成绩的两极分化。其实，造成这种现象的主要原因是老师只管讲，学生只管听，老师很少关注学生的理解程度，没有根据学生的反馈信息及时调整教学，这就是一种单向的无反馈的传统教学模式。如下图：

正是由于传统教学模式没有控制过程，或者控制不够，结果使得老师和学生之间的距离越来越远，很难实现教学目标。因此，要实现教学目标，提高课堂教学效率，就必须建立反馈机制，形成控制系统。即：

图中的输入主要是教师向学生传授知识，输出是学生的各种反应、理解程度、存在的问题等。

三、控制方法在课堂教学中的应用

（一）反馈信息的获取

反馈是控制论的重要概念之一，反馈方法是控制方法中最核心的方法。所谓反馈，“就是控制系统把信息输出去，又把其作用结果反送回来，并对信息的再输出发生影响，起到控制的作用”。⑶具体到课堂系统而言，教师既有控制信息输入到学生，学生也有反馈信息回到教师，教师和学生之间应形成一个闭合回路。

反馈原理在我国古代就已经发现并应用，我国古代教育著作《学记》中早有论述：“学然后知不足；教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰：教学相长也。”学而知不足，然后自反；教而知困，然后自强，其实就是教学信息反馈过程。

反馈信息的获取是课堂教学中应用控制方法的关键。在课堂中获取反馈信息的方法主要有：

1、观察法：即教师在课堂教学过程中利用眼、耳或仪器等观察学生的学习效果的方法。教师在课堂教学过程中要善于从学生听课时的表情、神态、眼神等捕捉他们内心的活动，从而推断他们对教师输出的知识信息是否理解、是否有兴趣，并依此迅速调整教学措施，并将课堂教学引向深入。