人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課程具有理論性和工程應(yīng)用背景強(qiáng)的特點(diǎn)，這門課程所講授的內(nèi)容仍在不斷更新和發(fā)展，因此本課程內(nèi)容繁多，總體上來說系統(tǒng)性差，關(guān)鍵的是其課時往往十分有限。為了達(dá)到以點(diǎn)帶面的、示范引導(dǎo)的作用，我們采用了問題驅(qū)動式的應(yīng)用研究型教學(xué)方法，較好地將該門課程的體系框架和基本內(nèi)容介紹給了學(xué)生。

　　[摘 要]培養(yǎng)創(chuàng)新精神、鼓勵和倡導(dǎo)創(chuàng)新型教育模式是當(dāng)前我國教育體系和方法研究中的重大課題。問題驅(qū)動是科學(xué)研究的原動力和推動力，基于問題驅(qū)動研究態(tài)度和研究能力是可以逐步培養(yǎng)的。本文以自動控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課程為例，研究將問題驅(qū)動的研究應(yīng)用型教學(xué)模式應(yīng)用于其中的具體方法，分別給出了以自動控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課為示例的“問題引導(dǎo)”和“問題驅(qū)動”的設(shè)計(jì)，總結(jié)了信息與控制類課程中，設(shè)計(jì)適合課堂教學(xué)的“問題引導(dǎo)”和“問題驅(qū)動”題目的一般方法。

　　[關(guān)鍵詞]研究生論文發(fā)表,問題驅(qū)動,研究型教學(xué),PBL,構(gòu)建主義

　　一、引言

　　盡管教育部及廣大有識之士大力呼吁并積極倡導(dǎo)應(yīng)用性、研究性教學(xué)與學(xué)習(xí)模式，但是以往的中國高等教育，實(shí)質(zhì)上也是以“滿堂灌”的教學(xué)模式為主，其主要原因在于，不論是教師還是學(xué)生，人們習(xí)慣于“滿堂灌”，認(rèn)為研究型或者是應(yīng)用性教學(xué)模式必定會加重老師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)。到目前為止，人們還不清楚怎樣的教學(xué)和學(xué)習(xí)形式屬于研究應(yīng)用型教學(xué)，怎樣操作才會在不加重學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的條件下，達(dá)到好的研究應(yīng)用型教學(xué)模式。因此，研究應(yīng)用型教學(xué)模式是當(dāng)今教學(xué)改革中的一個熱點(diǎn)研究問題，其核心問題是如何引導(dǎo)和激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)和探索熱情。研究應(yīng)用型教學(xué)模式的中心問題是采用什么方式和方法來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索的欲望和熱情，使學(xué)生能創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)過的知識，研究應(yīng)用型教學(xué)模式是始于問題、基于發(fā)現(xiàn)、凸顯創(chuàng)造性特色的一種教學(xué)模式。張奠宙教授和張蔭南教授于2004年提出了新概念教學(xué)的理念，并以數(shù)學(xué)教學(xué)為例，深入淺出地介紹了這種教育和具體的教學(xué)方式，提出了“問題驅(qū)動”式教學(xué)方法。

　　自動控制原理是自動化相關(guān)專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)要求高、工程背景強(qiáng)，直接關(guān)系到自動化相關(guān)專業(yè)學(xué)生能否順利并高效學(xué)習(xí)其他專業(yè)課。采用問題驅(qū)動式的研究應(yīng)用型教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，傳授如何對研究對象和目標(biāo)進(jìn)行縝密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎迹�如何提出具有�?shí)際意義或理論研究意義的課題(或問題)，分析和解決之，采用問題驅(qū)動式的研究應(yīng)用型教學(xué)方法，將對深入學(xué)習(xí)其它后續(xù)課程大有裨益。

　　二、問題驅(qū)動和研究應(yīng)用教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)

　　問題驅(qū)動式教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以問題解決為主線，以學(xué)生為中心，以問題為驅(qū)動力，將培養(yǎng)學(xué)習(xí)者問題意識、批判性的思維技巧，以及解決問題的實(shí)踐能力設(shè)定為主要目標(biāo)的教育教學(xué)方法。需要說明的是，問題驅(qū)動中的問題并非就是普通的習(xí)題，而是那些能夠改變學(xué)生思維模式，幫助學(xué)生重建知識結(jié)構(gòu)，并愿意對問題進(jìn)行深入思考的具有啟發(fā)性、引導(dǎo)性和探究性的問題。

　　皮亞杰的建構(gòu)主義為研究型教學(xué)模式提供了理論支持，他認(rèn)為“兒童對新知識的理解和接受，及其智力的發(fā)展，最終都要依賴于兒童這個主體與知識載體環(huán)境的互動中。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)教師在教學(xué)中應(yīng)該主要起到指引促進(jìn)作用，教學(xué)過程的主體是學(xué)生自己，學(xué)生借助學(xué)習(xí)資料(自找或老師確定)，在老師指導(dǎo)和幫助下，通過建構(gòu)主義的方式，即 “已知―未知―新的已知”的循環(huán)漸進(jìn)的模式來學(xué)習(xí)新內(nèi)容、獲取新知識。研究型教學(xué)就是在教學(xué)過程中體現(xiàn)研究的本質(zhì)特點(diǎn)，以“已知―未知―新的已知”循環(huán)漸進(jìn)的方式去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、研究問題和解決問題。

　　三、研究問題的設(shè)計(jì)

　　科學(xué)研究的第一步，也是最關(guān)鍵的一步是提出恰當(dāng)而準(zhǔn)確的科學(xué)問題，這通常是學(xué)生們感到無從下手、十分困難的事情。一般來說，提出科學(xué)問題有兩種常用方法：首先，經(jīng)過縝密觀察與研究，識別出已有理論或技術(shù)的局限性，并據(jù)此提出新的研究問題和研究目標(biāo);其次，經(jīng)過考察鉆研新的研究對象的特點(diǎn)提出新問題。

　　那么怎樣設(shè)計(jì)出操作性強(qiáng)、便于課堂教學(xué)的研究與應(yīng)用性問題?這是應(yīng)用研究型教學(xué)模式中的關(guān)鍵所在。這類問題主要包含兩大特點(diǎn)：首先，所設(shè)計(jì)出的問題能夠自然引導(dǎo)課堂教學(xué)內(nèi)容的深入推進(jìn)。具有這一特點(diǎn)的問題可能具有一定的研究深度和廣度，也可能研究內(nèi)容和深度是循序漸進(jìn)的、邏輯性強(qiáng)的，而非跳躍性的。其二，所設(shè)計(jì)的“驅(qū)動問題”應(yīng)盡可能具有研究引導(dǎo)作用，即能夠引導(dǎo)學(xué)習(xí)者通過多角度思考或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證、理論推導(dǎo)，就能夠更全面深入地認(rèn)識所研究的事物的本質(zhì)。這類問題通常具有跳躍和挑戰(zhàn)性，需要采用演算、論證、分析和實(shí)驗(yàn)等多種手段，有時甚至需要通過多門課程的學(xué)習(xí)和把握才能夠得到有效解決。一般將具有第一個特點(diǎn)的問題稱為“問題引導(dǎo)”的問題，將符合第二個特征的問題稱為“問題驅(qū)動研究”的問題。顯然嚴(yán)格區(qū)分“問題引導(dǎo)”的問題和“問題驅(qū)動”的問題是比較困難的，因?yàn)閮烧咧�間并無明顯界限。

　　我們在實(shí)際操作中通常將那些從學(xué)習(xí)者了解的知識出發(fā)，在某個教學(xué)段落，或者某個作業(yè)、實(shí)驗(yàn)中可以得到解決的，歸結(jié)到“問題引導(dǎo)”類中。這類問題往往有如下某個或幾個特征：

　　1.學(xué)習(xí)者已經(jīng)掌握的某個知識點(diǎn)的反問題;

　　2.學(xué)習(xí)者已經(jīng)掌握的某個知識點(diǎn)簡單的擴(kuò)展問題;

　　3.有理想工程背景和簡單數(shù)學(xué)模型應(yīng)用性問題;

　　4.學(xué)習(xí)者已經(jīng)掌握的某項(xiàng)知識在另一種不同情況或者背景下具體應(yīng)用;

　　5.通常是為單目標(biāo)和單參數(shù)研究設(shè)計(jì)的一個或一系列問題等。

　　設(shè)計(jì)驅(qū)動型研究題目是一個更復(fù)雜的過程，這是由于如果問題設(shè)計(jì)的太深太難，學(xué)生難于在短時間內(nèi)自我解答或得到解答，有可能導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣和信心的不良后果。但是，問題設(shè)計(jì)得太簡單則會失去驅(qū)動作用。在設(shè)計(jì)“問題驅(qū)動”的問題時，我們主要注意了以下幾點(diǎn)： 　　1.設(shè)計(jì)成綜合系列問題，該綜合系列問題包含了一系列的簡單問題;

　　2.設(shè)計(jì)成綜合研究問題，該綜合研究問題需要學(xué)生通過作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)和計(jì)算比較獲得結(jié)果;

　　3.針對某個實(shí)際工程背景，經(jīng)過必要的簡化和抽象，設(shè)計(jì)成具有明確的工程實(shí)際應(yīng)用背景的研究型問題。

　　四、設(shè)計(jì)示例

　　(一) 自動控制理論課程的問題設(shè)計(jì)

　　自動控制原理是自動化相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，這門課程中引入問題驅(qū)動的教學(xué)方法目的在于：在大學(xué)生們正式接觸各類專業(yè)課之前，從專業(yè)基礎(chǔ)的角度培養(yǎng)和發(fā)掘?qū)W生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力。但是應(yīng)該注意到的是，在這個階段學(xué)生的知識面，特別是專業(yè)知識面還相當(dāng)空缺，因此，在課程初期和中期以“問題引導(dǎo)”為主，在課程后期逐步過渡到“問題驅(qū)動”。

　　例如在學(xué)生掌握了一般情況下的勞斯判據(jù)以后，針對勞斯表計(jì)算過程中需要將上一行第一個元素作為分母的情況，首先提出：“如果這個元素為零怎么辦?”進(jìn)一步提出：“如果某一行元素全為零又怎么辦?”這兩個問題是比較容易解決并容易理解，能夠促使學(xué)生們積極思考，加強(qiáng)對勞斯判據(jù)的全面把握。又如，在清楚交代幅值條件、相角條件以及180°根軌跡繪制規(guī)則的基礎(chǔ)上，先提出一個簡單的擴(kuò)展性問題――有沒有其他角度條件的根軌跡繪制規(guī)則?然后再給出一系列帶有啟發(fā)性和引導(dǎo)性的詢問：“是什么角度?這個角度代表了什么含義?這個角度代表的含義與180°根軌跡代表的含義有什么不同?這種含義的不同在數(shù)學(xué)上的表現(xiàn)是怎樣的?從這些不同以及180°根軌跡繪制規(guī)則中可以總結(jié)出這種根軌跡的繪制規(guī)則嗎?”以這樣的方式講授0°軌跡的繪制規(guī)則只需要半節(jié)課，而且學(xué)生們接受起來很快，還能夠加深對根軌跡幅值條件和相角條件概念的理解。

　　在學(xué)習(xí)后期，我們會提出諸如“研究并總結(jié)出PID參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)特性的影響”，“如何利用Bode圖對控制系統(tǒng)性能進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)?”等這樣具有一定研究空間的問題。

　　(二)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課程的問題設(shè)計(jì)

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課是面向本科高年級或研究生的課程。問題的設(shè)計(jì)目的不但要推進(jìn)課程的講解和學(xué)習(xí)，更重要的是培養(yǎng)和推動學(xué)生的研究能力和熱情。

　　在課堂上講述了了生物神經(jīng)元的基本構(gòu)造和功能，重點(diǎn)討論了著名的閾值加權(quán)M_P模型，詳細(xì)介紹了單層離散感知器人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)、計(jì)算、學(xué)習(xí)算法、表達(dá)能力、實(shí)際應(yīng)用等內(nèi)容。由于單層離散感知器人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和算法都比較易于理解，而它所具有的功能實(shí)際意義和十分明確，因此容易使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。在這樣的條件下，我們采用不斷加深所需要解決問題難度的方法，循序漸進(jìn)地提出了一些能夠推動學(xué)生深入思考，并且理論聯(lián)系實(shí)際的問題。

　　例如，在網(wǎng)絡(luò)模型方面，針對“單層離散感知器網(wǎng)絡(luò)只能解決線性可分問題”這樣一個局限性，我們自然給出“應(yīng)該怎么做才能夠?qū)崿F(xiàn)非線性分類?”這樣到目前為止仍需要不斷深入研究和解答的研究問題。對于這個問題，首先啟發(fā)學(xué)生觀察和思考多層離散感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的結(jié)構(gòu)和模型特點(diǎn)，然后考慮改變感知器模型形式來實(shí)現(xiàn)之。由這個問題出發(fā)，可以很自然地引出BP網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)等許多常見人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步BP或RBF網(wǎng)絡(luò)可以自然解決這個為題，我們又接著提出：“為什么這個網(wǎng)絡(luò)可以解決?可否試圖用數(shù)學(xué)方法來解答?”這樣的理論性研究問題。

　　在研究生學(xué)習(xí)階段，為達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果，教學(xué)中可以注意三個方面：首先，通過設(shè)計(jì)“問題引導(dǎo)”問題來講解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課程當(dāng)中的基本概念和基本方法;其次，針對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課程當(dāng)中的理論和算法方面的學(xué)習(xí)，可以分別設(shè)計(jì)出“問題引導(dǎo)”和“問題驅(qū)動”兩類問題;最后，為較快地將學(xué)生引入實(shí)際應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)一些具有“問題驅(qū)動”特點(diǎn)的實(shí)際課題供學(xué)生研究，可能的話，還可以提供研究范例。如果是本科生課程，筆者認(rèn)為應(yīng)側(cè)重于第一和第三個方面。

　　例如，人工網(wǎng)絡(luò)算法方面，在單層離散感知器學(xué)習(xí)算法基礎(chǔ)上，提出研究題目“線性自適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的研究和開發(fā)”。在應(yīng)用研究方面，目前適合教學(xué)的可借鑒的資料比較多，例如，“基于BP網(wǎng)絡(luò)算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò)在大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用”，可以提出下面的問題：“這個研究問題屬于分類還是屬于擬合，怎樣具體實(shí)現(xiàn)?還可以采用什么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決此問題?如何實(shí)現(xiàn)?請說明不同的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決分類問題時的不同特點(diǎn)。”原有的資料上提供的不過是一個例子，通過研究問題的引導(dǎo)和推動，可以使學(xué)生通過一個簡單的例子，更全面地理解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和功能，并大大加強(qiáng)學(xué)生的仿真和對比研究能力。

　　需要說明的是，為實(shí)現(xiàn)因材施教的教學(xué)理念，這類“問題驅(qū)動研究”的問題設(shè)計(jì)是可以超越教學(xué)大綱的，也可以是有針對性地專為少部分特別有能力的同學(xué)設(shè)計(jì)的。

　　五、結(jié)束語

　　我國目前的教育方式仍存在著較嚴(yán)重的“滿堂灌”的現(xiàn)象，限制了學(xué)生們的想象力和創(chuàng)造性， “標(biāo)準(zhǔn)化”考試更加劇了這一弊端。學(xué)生們不愿提問題、提不出問題，能夠提問題的學(xué)生越來越少，提出好問題的學(xué)生更是鳳毛麟角，學(xué)生們大多習(xí)慣于索要 “標(biāo)準(zhǔn)答案”。 問題驅(qū)動的研究應(yīng)用型教學(xué)方法能夠有效地活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、提問和自我研究的良好習(xí)慣。

　　需要補(bǔ)充的一點(diǎn)是，只有通過全方位教學(xué)環(huán)節(jié)的相互配合，問題驅(qū)動的研究應(yīng)用型教學(xué)才能夠有效實(shí)行，這其中包括有針對性地設(shè)計(jì)引導(dǎo)問題和驅(qū)動問題、科學(xué)地設(shè)計(jì)課后練習(xí)與實(shí)驗(yàn)、巧妙地設(shè)計(jì)和安排課程講解順序與進(jìn)度、有時間和質(zhì)量保證的質(zhì)疑與答疑等許多教學(xué)環(huán)節(jié)必須充分配合。也需要相關(guān)課程的大力協(xié)助和配合。總之，問題驅(qū)動的研究應(yīng)用型教學(xué)方式，對任課教師、實(shí)驗(yàn)室老師和學(xué)生本人都提出了非常高的要求。

　　[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

　　[1] 張奠宙，張蔭南.新概念：用問題驅(qū)動的數(shù)學(xué)教學(xué)[J].高等數(shù)學(xué)研究，2004，5(7).

　　[2] 張建偉.基于問題解決的知識建構(gòu)[J].教育研究，2000，(10).

　　[3] 籍建東.研究型教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式的比較[J].職教論壇，2011，5(18).

　　[4] 付冬梅，董潔，李擎.問題驅(qū)動的應(yīng)用研究型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式探索[C].第5屆教育教學(xué)改革與管理工程學(xué)術(shù)年會論文集，2012.

　　[5] 鄧彬等.工科博士生科研創(chuàng)新的技巧與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2011，1(34).