《現(xiàn)代控制理論》課堂教學(xué)卓越計劃的改革探索

劉麗娜++李素玲++胡健

摘要：為了實施《現(xiàn)代控制理論》課程課堂教學(xué)卓越計劃，改革教學(xué)模式，提高教學(xué)效果，提出了從授課內(nèi)容的選擇與組織，教學(xué)組織形式、方法與手段，實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)等方面進行課堂教學(xué)的改革。通過側(cè)重知識體系，突顯學(xué)生主體地位，恰當運用現(xiàn)代教育技術(shù)，充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)特色，引入Matlab和OrCAD Pspice軟件改革實踐環(huán)節(jié)教學(xué)方式，使教學(xué)、仿真、設(shè)計與實驗并重。實踐證明，有利于提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，有利于學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，能較大程度地提升學(xué)生的現(xiàn)代工程的意識。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代控制理論；課堂教學(xué)；卓越計劃；OrCAD Pspice

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）52-0115-02

《現(xiàn)代控制理論》（Modern Control Theory）是自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，我校的《現(xiàn)代控制理論》課程建設(shè)有著悠久的歷史和豐厚的底蘊。自2008年以來在國內(nèi)較早進行了雙語教學(xué)實踐，編著了英文版講義和英文版教材，并設(shè)計了較完善的雙語教學(xué)材料。該課程是理論性較強的專業(yè)課之一，內(nèi)容比較抽象，涉及到線性代數(shù)，矩陣論，復(fù)變函數(shù)等數(shù)學(xué)課程，理解起來難度較大。如果在教學(xué)過程中安排不當，很容易使學(xué)生感到枯燥，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。在教學(xué)過程中，以能力培養(yǎng)為核心，不斷優(yōu)化設(shè)計教學(xué)內(nèi)容是我們的教學(xué)改革重點。如何在理論教學(xué)過程中引入實際控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計實例，比如雷達定向控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真；讓學(xué)生充分感覺到學(xué)習(xí)《現(xiàn)代控制理論》這門課是有用的；如何在實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練中，引導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)過的理論知識進行控制系統(tǒng)的分析與優(yōu)化，讓學(xué)生在實踐中會用《現(xiàn)代控制理論》，培養(yǎng)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展能力，是我們課堂教學(xué)卓越計劃的工作重點。本項目從課程授課內(nèi)容的選擇與組織、教學(xué)組織形式、方法與手段及實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)等方面等進行了探索與實踐，為課程的建設(shè)與發(fā)展提供了新方法、新途徑。實踐證明，通過這些教學(xué)改革措施，使學(xué)生在課堂上聽得清晰明了，學(xué)得輕松透徹；在實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練中做的有目的、有體會、有深度；有利于提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，有利于學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，能較大程度地提升學(xué)生的現(xiàn)代工程的意識。

一、側(cè)重知識體系，注重實際運用

根據(jù)“知識模塊順序”設(shè)計授課內(nèi)容，包括：STATE SPACE DESCRIPTION（狀態(tài)空間描述），TIME RESPONSE OF THE LTI SYSTEM（LTI系統(tǒng)的時域響應(yīng)），STABILITY OF THE CONTROL SYSYEM（控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析），CONTROLLABILITY AND OBSERVABILITY（能控性和能觀測性分析）和SYNTHESIS OF THE LTI SYSTEM（LTI系統(tǒng)的綜合設(shè)計）五大模塊。在每一個模塊的講解過程中，注重背景和內(nèi)涵的講解，將學(xué)生引入模塊，而不是直接灌輸。比如，在穩(wěn)定性的講述中，首先要從能量的觀點講清穩(wěn)定性理論在控制系統(tǒng)中的意義；給出李亞普諾夫第一方法和第二方法在內(nèi)容、對象、范圍上的差異。這樣學(xué)生就能夠比較清楚的了解到為什么要引入穩(wěn)定性概念，對什么樣的系統(tǒng)、什么樣的問題應(yīng)采取什么樣的方法，以及哪些問題可以轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性問題來處理。

二、恰當運用現(xiàn)代教育技術(shù)，充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)特色

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，全新的教學(xué)模式和教學(xué)手段涌進了課堂。但在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，全面“現(xiàn)代化”不是改善教學(xué)效果、增強信息量及提高學(xué)生聽課效果的最佳手段。比如過度使用Powerpoint課件，學(xué)生會認為這僅是簡單的“教案平移，黑板搬家”，學(xué)生聽著聽著就累了，課堂教學(xué)方式過于單一。因此，在使用Powerpoint課件和板書相結(jié)合的同時，我們采取啟發(fā)互動式教學(xué)方法，通過課前預(yù)習(xí)討論、讓同學(xué)回顧上節(jié)課內(nèi)容，寫出本節(jié)課最想知道的知識點，這樣既可以承上啟下，還可以使同學(xué)帶著問題去聽，去學(xué)，效果很好。

三、改革教學(xué)組織形式、方法與手段，凸現(xiàn)學(xué)生主體地位

為了突顯學(xué)生的主體地位、教師的主導(dǎo)作用，任課教師要在授課過程中發(fā)揮出正確的、良好的引導(dǎo)作用，將從以下幾方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和主體地位。

1.學(xué)生認知性學(xué)習(xí)。學(xué)生的認知性學(xué)習(xí)也就是理論教學(xué)環(huán)節(jié)，教師首先以主講形式講解各章節(jié)的基礎(chǔ)知識，可以采取傳統(tǒng)的教學(xué)方法與教學(xué)手段進行，然后以學(xué)生主講的形式進行，針對章節(jié)性的或者是階段性的、或者是專題性的問題提出問題，讓學(xué)生對學(xué)習(xí)過的內(nèi)容進行描述，交流心得體會。如在學(xué)習(xí)完現(xiàn)代控制理論之后可以設(shè)置這么一次課，讓學(xué)生針對如下問題思考并回答：學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論之前為何要學(xué)習(xí)自動控制原理？現(xiàn)代控制理論的分析主線是什么？現(xiàn)代控制理論為什么既可以分析SISO又可以分析MIMO系統(tǒng)，為何引入反饋？有哪幾種形式的反饋？狀態(tài)反饋和輸出反饋有什么區(qū)別？如何解決極點配置問題？為什么要用觀測器構(gòu)建狀態(tài)反饋？等等。學(xué)生在講解、交流的同時可以加深理解與掌握的程度，教師可以在此過程中給予正確的指導(dǎo)，糾正學(xué)生出現(xiàn)的錯誤。

2.學(xué)生個人作業(yè)。依據(jù)《現(xiàn)代控制理論》的授課內(nèi)容，針對現(xiàn)代控制和經(jīng)典控制的不同內(nèi)容，按照所學(xué)知識的先后順序設(shè)置了5次學(xué)生個人作業(yè)，例如：線性定常系統(tǒng)的MATLAB建模、仿真與運動分析；線性系統(tǒng)的極點配置問題和狀態(tài)觀測器實現(xiàn)問題；帶狀態(tài)觀測器的反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)與分析問題。個人作業(yè)可以選擇使用Matlab/Simulink/multisim，每位同學(xué)都要寫出文字報告。在這里，對于現(xiàn)代控制理論來說，上一次的作業(yè)基本上都是下一次作業(yè)的基礎(chǔ)，從而可以使學(xué)生清醒地認識到產(chǎn)品開發(fā)的連續(xù)性，進而可以建立工程理念。同時還可以大大提高他們的主觀能動性和創(chuàng)造性，同學(xué)可以依托個人作業(yè)進行課外研究。

3.學(xué)生組隊項目。學(xué)生組隊項目強調(diào)學(xué)生團隊協(xié)作的意識、綜合創(chuàng)新的能力。按照教學(xué)內(nèi)容，我們給出一些綜合性比較強的設(shè)計性題目，要求學(xué)生以4～8人左右的小組為單位，讓他們自由組隊，自由分解任務(wù)，自己安排進度，注意發(fā)揮集體的力量，各盡所能地完成資料的收集、方案的提出與設(shè)計、電路圖的繪制、仿真或調(diào)試等任務(wù)，同時要和同一項目組內(nèi)的其他成員相互交流，對問題的討論務(wù)必注意敘述的清晰性、嚴謹性，最后各小組進行整合，相互答辯，最后的討論結(jié)果必須以word文檔和Powerpoint提交，文稿的排版、圖表的美觀性將作為評價的一部分。其中，設(shè)計的電路圖要求采用Microsoft Visio軟件繪制；每組在課內(nèi)可以作5～10分鐘交流，還可以進行自由選題或自擬命題，問題可超出教師擬定的問題之外。這樣以來，學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計層出不窮，的確有好多好想法、好主意。通過這種學(xué)生的組隊項目，學(xué)生的團隊價值觀不斷得到了強化，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力。endprint

四、改革實踐環(huán)節(jié)教學(xué)方式，仿真與實驗并重

為提高實踐教學(xué)效果，充分利用現(xiàn)有的技術(shù)條件和實驗設(shè)備，在不同的層次上給學(xué)生提供理論與實踐相結(jié)合的機會，開設(shè)了多層次的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過計算機仿真實驗系統(tǒng)、基礎(chǔ)實驗、開放性實驗、課程設(shè)計和參觀實踐，進一步提高學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。其中，開放性綜合實驗：以對學(xué)生進行工程化的綜合訓(xùn)練為目的，利用控制理論實驗設(shè)備THKKL-6，運用工程項目的管理思路，提出控制要求和驗收的性能指標，讓學(xué)生在確定控制任務(wù)和指標的同時，獨立或分組思考，制定實驗計劃和實驗手段，最后以項目驗收的方式進行總結(jié)和陳述。這些實驗不僅使得控制理論的結(jié)果得到驗證，更為重要的是實驗本身就是分析與設(shè)計控制系統(tǒng)的重要方法，通過這些典型控制實驗?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對于控制理論課程內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、自覺性。

在實驗過程中要求學(xué)生首先應(yīng)用Matlab，Multisim，OrCAD PSpice仿真設(shè)計軟件對實驗內(nèi)容進行仿真設(shè)計，通過仿真對參數(shù)進行調(diào)整，可以使同學(xué)們了解并掌握參數(shù)的變化會對系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響，在硬件實驗之前就會對控制系統(tǒng)的實際電路有一定的了解，同時還可以避免設(shè)備損壞、人身傷害等不必要的損失。實踐證明，在開放的綜合設(shè)計型實驗中采用OrCAD Pspice軟件可以提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力，搭建虛擬實驗平臺的能力；在綜合課程設(shè)計中可以提高自我設(shè)計，自我校驗和檢測的能力；著重提高該門課程的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果，大力培養(yǎng)、提高學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力，挖掘?qū)W生綜合實踐與創(chuàng)新的能力。

五、建立教學(xué)網(wǎng)站，增加師生互動

建立《現(xiàn)代控制理論》（雙語）課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站，提供較完整的雙語教學(xué)材料，包括：（1）教學(xué)大綱與考核大綱；（2）授課計劃；（3）電子教案；（4）電子課件；（5）實踐教學(xué)；（6）課后習(xí)題與解答；（7）歷年試題與參考答案；（8）參考資料；（9）師生互動。通過教學(xué)網(wǎng)站，學(xué)生可以下載相應(yīng)的資源，可以提交所做的個人作業(yè)，做相關(guān)的練習(xí)，老師可以通過網(wǎng)站清楚地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)、遇到的問題，批改作業(yè)，每周固定兩次時間進行不少于2小時的師生在線互動，該網(wǎng)絡(luò)平臺不受時間和空間的限制，也能使學(xué)生以較少的課外學(xué)習(xí)時間獲得較好的學(xué)習(xí)效果，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

新形勢下《現(xiàn)代控制理論》課堂教學(xué)改革勢在必行，課堂教學(xué)卓越計劃正是順應(yīng)改革的趨勢，采用多樣化的教學(xué)組織形式，重基礎(chǔ)，強實踐，分層次的實踐教學(xué)體系，能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。恰當、合理地運用現(xiàn)代教育技術(shù)，將Powerpoint、網(wǎng)絡(luò)資源、Matlab/OrCAD Pspice/Multisim等專業(yè)軟件與現(xiàn)有教材有機結(jié)合，形成立體化教學(xué)體系，提高教學(xué)效果，實現(xiàn)課堂卓越計劃。本項目尚需完善之處在于電子教案和課件內(nèi)容需要緊跟學(xué)科的前沿，必須進一步充實和完善；建立完整的雙語試題庫體系；進一步完善課程資源上網(wǎng)和在線測試計劃。

參考文獻：

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[3]王斌，李斌.“現(xiàn)代控制理論”教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2013，（10）.endprint