《模糊控制》课程实验教学设计方法

文件20《模糊控制》课程实验教学设计方法李士勇教授HarbinInstituteofTechnology2005.11文件20《模糊控制》课程实验教学设计方法一、问题的提出模糊控制课程作为黑龙江省精品课程，是由哈工大航天学院控制科学与工程系面向自动化专业开设的一门专业课，在自动化专业课程体系中，占有重要地位。模糊控制教学，在形式上分为理论课教学和实验课教学，二者是一个有机的整体。内容上它们既有联系，又有差别；教学上它们既一致，又各有侧重点；理论与实践上它们相辅相成。然而，伴随着精品课程建设的不断深入，素质教育理念的确立，原有模糊控制课程的教学，无论是理论教学，还是实验教学都明显地缺少科学素质教育的核心内容之一——科学方法教育的支持。素质教育泛指对学生各方面修养、能力的综合培养；科学素质教育是指对学生发现问题、分析问题、解决问题以及知识更新能力的综合培养。模式泛指可以使人模仿的标准样式、某种规范的结构或者框架。方法论教育有两个层次。一个是一般的、共性的、概括性的方法论教育，即哲学方法教育；另一个是特殊的、个性的、具体的方法论教育，如科学方法，思维方法和工作方法等。这两个层次的方法统一于辩证法、认识论和方法论，它们之间既相互区别、又相互联系、相互包含，并且还会在一定条件下相互转换。本文所指科学方法专指具体的逻辑思维方法、创造性方法、研究方法和科学研究成果组织与表达方法（即写作方法）。本文所指实验设计是指在正式进行科学实验之前，实验者根据一定的目的和要求，运用相关的科学知识、实验原理，科学方法对实验过程中的材料、手段、方法、步骤和策略等全部要素进行定制，以获得优化实验方案的过程。科学素质教育模式下的理论教学设计应该是原有理论教学设计再加上科学方法的教学设计；而由于实验教学设计的核心内容是实验设计，所以实验教学设计应该是在原有实验设计基础上再加上科学方法的教学设计，并按一定的原则和方式对其进行重新组织。只有这样，才能满足精品课程建设的高水平要求，才能充分体现出素质教育，特别是科学素质教育在人才培养中的重要作用。基于上述讨论，本文探讨科学素质教育模式下的实验设计问题。有关科学素质教育模式下的理论教学设计问题，限于篇幅将另文讨论。作者认为，尽管目前的素质教育还处于理念的层次上，但是积极探索、研究并着手解决这两个问题将是一件很有意义的事情。值得注意的是，上述问题的提出，也间接说明了各学科专业有结合自己学科专业特点独立开展科学方法教育的趋势。二、实验设计的基础1、模糊控制实验的定义模糊控制实验的定义符合一般科学实验的定义，即人们根据一定的科学研究目的、运用科学仪器或设备等手段，在人为控制或模拟研究对象的条件下，获得科学事实的过程。科学事实是指通过观察和实验所获得的经验事实，是指对客观事实的感知、描述和记录，作为观察和实验的结果反映到人们的意识中。科学事实一般可为两类：一类是指客体与仪器相互作用结果的表征，如观测仪器上所记录和显示的数字、图像等；另一类是指观察和实验所得结果的陈述和判断。科学事实属于认识论的范畴，是科学研究的基础。科学实验在科学研究中除了具有明确的目的性和主动性以外，还具有重要的作用，表现在两个方面，首先它是检验理论、原理真理性的标准，是证明科学知识的手段；其次它是获得新假说、新理论的直接来源，是发展科学知识的手段。作者指出，从科学素质教育角度来看，科学实验还是科学方法与实验技能训练的手段。2、模糊控制实验遵循的一般科学研究方法模糊控制实验遵循的一般科学研究方法：（1）根据经验或现象的观察提出或确定问题，树立研究目标；（2）观察并记录有关的数据、资料；（3）根据观察数据提出解释性假说，以解释观察到的现象；（4）根据假说进行推演，构造理论体系，同时提出判决实验方案；（5）用实际的实验对假说进行检验；（6）根据实验所得结果，接受、修改或放弃假说。上述具有归纳特点的科学研究方法，适用于一切科学研究过程，并得到科学界的广泛认可。由此可以看出，要想进行科学实验，首先要对研究对象所表现出来的现象提出某种可能的解释。也就是提出某种设想或假说，然后设计实验来验证这个设想或假说。本文把这种科学实验称为一般意义上的科学实验，它的内涵仅限于科学事实的验证和发现。与上述一般意义上的科学实验不同，科学素质教育模式下的模糊控制实验已不再局限于一般意义，而是被赋予了明显的方法论意义。此时的实验不仅会被当作科学事实验证和发现的手段，而且还会被当作一种科学方法与实验技能训练的手段。当把它当作训练手段使用时，强调的是人在整个实验过程中的主体意识（动脑）与主体行为（动手）。这一过程包括实验准备、实验设计、实验实施、实验控制以及实验结果处理等实验的各个阶段。例如，我们可以在科学方法方面进行如下问题设计：（1）什么是科学问题？如何定义科学问题？定义科学问题的方法有哪些？（2）什么是科学事实？如何获取科学事实？获取科学事实的方法有哪些？（3）什么是设想或假说？如何提出设想或假说？提出设想或假说的方法有哪些？（4）什么是理论体系？如何构造理论体系？构造理论体系的逻辑方法有哪些？（5）什么是判决实验？如何设计判决实验？判决实验的设计方法有哪些？对判决实验进行控制的方法有哪些？保证判决实验结果精确性的方法有哪些？（6）什么是设想或假说检验？如何进行设想或假说检验？除检验的实验方法外，检验的理论方法有哪些？确保检验的权威性或可信性的方法有哪些？如何进行佐证？（7）如何对实验结果进行分析？实验结果的分析方法有哪些？（8）根据实验结果，如何接受或放弃设想或假说？修改设想或假说的方法有哪些？修改后的设想或假说上升为理论后，其应用范围或领域有哪些？结论是否还能再精确一点？表述再简单一点？应用更方便一点？（9）如何组织表达或表述所获科学研究成果？组织表达或表述科学研究成果的方法有哪些？（10）上述各个步骤中所包含的方法、原理、手段、措施还能否应用于其他方面？还能解决什么其他问题？（11）能否归纳、总结并说明上述各个步骤中所包含的逻辑思维方法、创造性方法、研究方法和写作方法？它们各有什么作用？他们之间的相互区别、联系是什么？3、模糊控制实验的分类可以按照科学实验的定义、目的、作用、性质、用途和方式等对其进行分类。依据实验的作用进行分类，模糊控制实验可分为验证性实验、探索性实验、综合性实验和训练性实验四大类。验证性实验则用于知识证明或知识迁移；探索性实验用于科学发现；综合性实验则既包含知识发现也包含知识证明；训练性实验则是把实验作为训练手段而使人们通过它掌握科学方法与实验技能。依据实验的性质进行分类，模糊控制实验可分为模拟控制系统实验、数字控制系统实验、非线性控制系统实验等等。二、实验设计的原则虽然模糊控制实验可以划分成不同类型，但是它们的设计程序或实验过程却是大致相同的。依据一般科学研究方法进行实验规划时，实验的基本过程可分为三个阶段：一是准备阶段；二是实施阶段；三是结果处理阶段。其中准备阶段的实验设计是整个研究过程中极其重要的环节，它不仅影响实验能否得到科学的结果，而且关系到实验的人力、物力和实验经费的合理性等。因此，应按一定的原则进行实验设计。1、安全性原则无论什么实验都应在安全、可靠的环境下进行，要确保实验人员、环境的绝对安全。这是任何实验都必须满足的先决条件，模糊控制实验也不能例外。2、科学性原则所谓科学性是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离本学科专业基本知识、基本原理以及其他相关学科领域的基本原则。3、可行性原则可行性原则是指在设计本学科专业实验时，从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都具有可行性。4、简便性原则设计实验时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，消耗品、易耗品比较便宜，实验操作过程比较简单，实验步骤比较少，实验时间比较短。5、可重复性原则重复、随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则，多年来为研究者所公认。因此，在实验设计中也必须注意实验的可重复性。任何实验都必须要有足够的实验次数，才能判断结果的可靠性，设计的实验不能只能进行一次，在无法重复的情况下，所获结论可信度极差。可重复性是进行一切科学实验所必须满足的条件。6、方法论原则当把科学实验作为科学方法训练手段使用时，就应在两个层次上考虑方法论原则。在哲学方法层次上要依据方法论中所贯穿的辩证法精神及其基本原则，认识论中感性认识、理性认识与实践之间的准则关系等进行方法论问题设计并加以检验；在科学方法层次上要依据实验中可能用到的具体的逻辑思维方法、创造性方法、研究方法和科学研究成果组织与表达方法进行方法论问题设计并加以检验。只有这样，才能突出和强化科学实验在科学素质教育中的作用。三、实验设计的内容根据模糊控制实验的定义及其分类，科学素质教育模式下的模糊控制实验设计的内容应有利于下述目标的实现。1、有利于通过实验证明知识；2、有利于通过实验实现知识的迁移；3、有利于通过实验发现知识；4、有利于通过实验建立知识体系（理论体系）；5、有利于通过实验训练，掌握科学方法。基于上述目标，一个较为完整的模糊控制实验设计，应包含以下几方面的内容：1、确定实验题目；2、提出实验验设想与假说；3、确定实验方法和实验步骤（包括实验过程控制以及重复、随机和对照等实验策略的制定）；4、提出实验预期结果；5、确定要观察、记录和搜集的数据及其方法；6、确定数据预处理的内容与方式；7、确定数据分析的内容与方法；8、实验报告格式、内容及其编写（填写）要求的设计；9、上述各项内容中所包含的有关的具体的方法论问题设计。与此相对应，能够体现上述设计思想与内容的模糊控制实验报告一般应具有如下结构：1、实验题目；2、实验目的（验证、探索、综合和训练）；3、实验要求（实验前、实验中及实验后）；4、实验原理（隐含实验假说和实验预期）；5、实验设备、仪器与材料；6、实验内容；7、实验方法与步骤（隐含实验类型、实验控制及实验策略）；8、实验结果（实验数据）；9、实验结论（数据分析、比较和评价等）；10、实验讨论与思考。四、实验设计实践在精品课程建设过程中，在精品意识和科学素质教育理念的推动下，模糊控制实验设计的目标已发生了根本性转变。实验设计目标已从过去单一的验证性实验设计目标向验证性实验、探索性实验、综合性实验和训练性实验目标群迈进。这一目标群的建立，一方面使得模糊控制实验不再是知识的简单验证、再现和迁移；另一方面也使得实验指向了未知的过程、科学方法的训练以及实验技能的培养。同时，这一目标群的建立，也为营造学生人人动手和人人动脑的科学实验研究气氛，改善实验条件和实现模糊控制“用理论指导实验，用实验深化理论”的良性循环提供了良好的契机。目前，哈工大本科生模糊控制实验涉及验证性实验、探索性实验、综合性实验和训练性实验四大类。这些实验是结合我校控制科学与工程学科专业特点、理论教学的需要、精品课程建设以及科学素质教育理念而设计的系列实验。旨在让学生通过这些实验来验证、探索已知和未知的控制理论基本概念、基本原理和基本方法，并通过这些实验掌握科学方法与实验技能。