現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革研究*

◆李俊紅 顧菊平 馬衛(wèi)國 王娟

作者：李俊紅、馬衛(wèi)國、王娟，南通大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)建模與控制；顧菊平，南通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)榭刂评碚摚?26019）。

1 前言

現(xiàn)代控制理論是南通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生“自動(dòng)控制原理”的后續(xù)課程，是自動(dòng)化類專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課，學(xué)時(shí)為48 學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為6 學(xué)時(shí)。本課程不僅是自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，而且是一門考研專業(yè)課，占有舉足輕重的地位。目前，不僅許多大學(xué)的自動(dòng)化專業(yè)將本課程作為本科生的必修課，而且許多其他學(xué)科，比如運(yùn)籌學(xué)、經(jīng)濟(jì)類等學(xué)科，也把該課程作為選修課。

為了適應(yīng)新形勢下控制理論發(fā)展的需要以及新時(shí)期人才培養(yǎng)的新要求，研究型教學(xué)模式日益受到重視。研究型教學(xué)模式是以知識(shí)教育為依托，以培養(yǎng)學(xué)生的能力為主要目的，把學(xué)習(xí)、研究、實(shí)踐有機(jī)結(jié)合并引導(dǎo)學(xué)生科研主動(dòng)性的充分發(fā)揮[1-2]，并且能夠創(chuàng)造性地運(yùn)用知識(shí)和技能，養(yǎng)成能夠自主解決問題的科學(xué)探索精神，以培養(yǎng)高層次、復(fù)合型的高素質(zhì)人才的一種教學(xué)模式。

目前，南通大學(xué)正加快推進(jìn)從教學(xué)型大學(xué)向教學(xué)研究型大學(xué)的轉(zhuǎn)變。在這個(gè)背景下提出現(xiàn)代控制理論課程的研究型教學(xué)改革，期望通過實(shí)行教學(xué)與研究的結(jié)合，讓學(xué)生接觸本學(xué)科前沿知識(shí)，通過優(yōu)化課程內(nèi)容和教學(xué)方法建立基于研究的學(xué)習(xí)模式，推進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)代控制理論課程的主要特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、公式多、計(jì)算繁雜，學(xué)生往往感到枯燥無味、難懂，而有些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好的學(xué)生，盡管能看懂理論和方法，但不知道如何使用[3-4]。目前南通大學(xué)本課程所用的教材是國家級(jí)精品課程主干教材《自動(dòng)控制原理》（第五版），授課學(xué)時(shí)是48 學(xué)時(shí)，包括6 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，因此理論授課時(shí)間是非常有限的。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生把握住重點(diǎn)？這就需要精簡教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化關(guān)鍵內(nèi)容。因此，教師在講授過程中，結(jié)合學(xué)生的水平及學(xué)時(shí)安排情況，精簡了部分教學(xué)內(nèi)容。比如：在可控性方面，重點(diǎn)掌握狀態(tài)可控性，尤其是線性連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)可控性；在可觀測性方面，重點(diǎn)講線性連續(xù)系統(tǒng)的內(nèi)容，對于離散系統(tǒng)部分，可以根據(jù)對照關(guān)系讓學(xué)生掌握。

此外，作為一門不斷發(fā)展和前進(jìn)的學(xué)科，新的控制理論研究熱點(diǎn)和內(nèi)容不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有教材的更新往往遠(yuǎn)落后于理論的飛速發(fā)展。因此，在保證書本上重點(diǎn)內(nèi)容、基本原理和方法的介紹之外，適時(shí)增加控制理論的新的內(nèi)容。

3 理論知識(shí)和實(shí)際例子有機(jī)結(jié)合

現(xiàn)代控制理論課程包含大量的理論概念和矩陣運(yùn)算，概念抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺較為枯燥，有些學(xué)生甚至認(rèn)為該門課的主要任務(wù)就是數(shù)學(xué)計(jì)算，而忽略了現(xiàn)代控制理論的工程應(yīng)用背景[5]。為了讓學(xué)生將理論與實(shí)際結(jié)合起來，在教學(xué)過程中引入實(shí)驗(yàn)室的旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)作為工程案例，并貫穿于整個(gè)教學(xué)過程。比如，在講狀態(tài)空間建模時(shí)，除了介紹課本上的RLC 電路和機(jī)械系統(tǒng)的建模例子之外，將實(shí)驗(yàn)室的倒立擺系統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)際對象，讓學(xué)生通過懸臂、擺桿的受力分析，并通過線性化處理，化簡并列出它的狀態(tài)空間模型；在講能控性、能觀測性這一部分時(shí)，同樣結(jié)合倒立擺系統(tǒng)，根據(jù)化簡得到的狀態(tài)空間模型，通過MATLAB 仿真分析它的能控性和能觀測性。通過直觀的控制系統(tǒng)實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主和研究型的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

4 翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)授課方式相結(jié)合

現(xiàn)代控制理論課程包含大量的復(fù)雜公式和數(shù)學(xué)證明，如果僅僅通過每節(jié)課40 分鐘的課堂講授，有些學(xué)生可能對某些知識(shí)點(diǎn)掌握不牢。MOOC（Massive Open Online Course）近兩年來受到國際及國內(nèi)教育界的高度關(guān)注，它的主要思想是借助現(xiàn)代信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將傳統(tǒng)高校的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，讓更多的學(xué)習(xí)者在虛擬的教室里自由學(xué)習(xí)[6-7]。MOOC 的開放性可使學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)搜索找到全球各學(xué)科最高水平的課程，并可針對不同大學(xué)的課程進(jìn)行比較，分析其異同，找到更適合自己學(xué)習(xí)的課程，有助于更加深入、全面地理解課程內(nèi)容。對于不明白的地方，可以通過反復(fù)觀看講課視頻掌握，而這是傳統(tǒng)高等教育很難達(dá)到的。

目前，在線學(xué)習(xí)、隨時(shí)學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)等一系列新理念吸引了全球眾多名校加入到新的教育改革浪潮[6]。目前，國內(nèi)除了像國家精品課程資源網(wǎng)這樣的精品課程展示網(wǎng)站外，也已經(jīng)出現(xiàn)了慕課中文網(wǎng)站。在課程講授過程中，把精品課程、MOOC 網(wǎng)站上的課程網(wǎng)址告知學(xué)生，在講課之前讓他們事先通過課程網(wǎng)站學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生帶著問題聽課，從而提高課堂教學(xué)效率。對于課程學(xué)習(xí)中的問題，也可以課后通過繼續(xù)查看相關(guān)視頻深入掌握。通過將MOOC 在線課堂與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相結(jié)合，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，從而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、處理問題的能力。

5 科研與教學(xué)緊密結(jié)合

研究型教學(xué)是要培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，養(yǎng)成良好的科研素養(yǎng)，這就需要學(xué)生接觸和學(xué)習(xí)新的理論和方法。隨著控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制方法不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的教材中往往不能緊跟控制理 論最新的研究方向和熱點(diǎn)。這就需要教師結(jié)合自己的科研方向和研究進(jìn)展，將接觸到的最新的控制領(lǐng)域發(fā)展介紹給學(xué)生[3]。

首先，教師要能夠走出去，參加比如中國控制會(huì)議、中國控制與決策會(huì)議等國內(nèi)重要的控制會(huì)議，聽取國際國內(nèi)著名控制專家的大會(huì)報(bào)告，并與同行交流，自己首先能夠消化吸收。

其次，在教學(xué)過程中，結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，適時(shí)地把中國控制會(huì)議或中國控制與決策會(huì)議等部分大會(huì)報(bào)告進(jìn)行介紹[8]，并介紹一些非線性控制、系統(tǒng)辨識(shí)及建模、預(yù)測控制、魯棒控制及分布參數(shù)系統(tǒng)控制等最新的控制理論進(jìn)展，使學(xué)生及時(shí)了解和掌握現(xiàn)代控制理論的發(fā)展方向。

最后，將自己科研中下載的某些比較好的英文綜述文獻(xiàn)發(fā)送給學(xué)生，既可以開闊他們的視野，還可以鍛煉他們閱讀英文文獻(xiàn)的能力，提高他們的綜合素質(zhì)。

6 結(jié)語

針對現(xiàn)代控制理論課程公式多、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中，通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、科研與教學(xué)相結(jié)合等舉措，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，提高他們利用控制理論解決實(shí)際問題的能力和科研創(chuàng)新精神，收到良好的教學(xué)效果。

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