《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)的改革與建設(shè)實踐

閆茂德　柯偉　楊盼盼

摘要：《現(xiàn)代控制理論》是自動化專業(yè)的主干核心課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方法注重理論講解和分析計算，難度較大，學(xué)生不易掌握。為了提高課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，課程組以陜西省精品資源共享課程建設(shè)為契機，根據(jù)課程的學(xué)習(xí)目的和特點，從課程教材、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面做了一些改革和實踐，提出了教學(xué)模式革新、理論與實踐并重、綜合能力考核的教學(xué)理念，取得了良好的建設(shè)成效。

關(guān)鍵詞：《現(xiàn)代控制理論》；自動化專業(yè)；精品資源共享課程；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0109-03

一、引言

為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新型國家對高等院校人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求，各高校都在探索培養(yǎng)高素質(zhì)的優(yōu)秀人才的教學(xué)管理方法，達到培養(yǎng)質(zhì)量提升、學(xué)生健康成長和創(chuàng)新國家服務(wù)的目的。《現(xiàn)代控制理論》是高等學(xué)校自動化、電氣工程及其自動化和測控技術(shù)與儀器等電氣信息專業(yè)高年級本科生開設(shè)的一門核心主干課程，也是機械電子工程、經(jīng)濟管理、裝備制造與控制工程等專業(yè)選修課程。該課程主要講授現(xiàn)代控制理論最基本的知識和方法，并注重知識內(nèi)容與物理概念的融合，以及關(guān)注理論的工程應(yīng)用。

《現(xiàn)代控制理論》的顯著特點是其以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，通過對系統(tǒng)狀態(tài)變量的描述來實現(xiàn)一個控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與綜合。《現(xiàn)代控制理論》利用矩陣運算進行了大量的理論講解、分析計算和定理證明，容易引導(dǎo)學(xué)生誤認(rèn)為《現(xiàn)代控制理論》課程就是理論講解、分析計算和定理證明的數(shù)學(xué)推導(dǎo)問題，掩蓋了狀態(tài)空間法的優(yōu)越性和工程應(yīng)用前景。有些教師在《現(xiàn)代控制理論》的課程教學(xué)中只注重理論講解和習(xí)題解答，沒有將理論與實踐相結(jié)合，工程應(yīng)用和實踐能力差。例如，沒有將Matlab引入實驗教學(xué)方法或者沒有開設(shè)實驗課程，這不利于學(xué)生對所學(xué)理論的理解和應(yīng)用。為了強化對學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，以適應(yīng)當(dāng)今社會對人才素質(zhì)的要求，本課程以陜西省精品資源共享課程建設(shè)為契機，為了提高課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，根據(jù)課程的學(xué)習(xí)目的和特點，從課程教材、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面做了一些改革和實踐，給出了教學(xué)模式革新、理論與實踐并重、綜合能力考核的教學(xué)理念，取得了良好的建設(shè)成效。

二、課程教學(xué)改革

1.教材革新。對于教學(xué)內(nèi)容的改革首先應(yīng)該從教材的選擇開始，教材在一門課程的教學(xué)中具有至關(guān)重要的地位。一本好的教材應(yīng)能夠引導(dǎo)學(xué)生掌握課程內(nèi)容的內(nèi)在邏輯體系，體現(xiàn)了課程知識點和實踐教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)特征。2015年以前，長安大學(xué)自動化專業(yè)、電氣工程及其自動化專業(yè)的《現(xiàn)代控制理論》課程一直選用機械工業(yè)出版社劉豹主編的《現(xiàn)代控制理論》教材。

為了提高《現(xiàn)代控制理論》課程知識點的掌握，突出理論與實際的聯(lián)系程度，強化學(xué)生的工程實踐能力，課程教學(xué)組在總結(jié)十余年教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，并參考已出版的同類優(yōu)秀教材，編寫了《現(xiàn)代控制理論》講義，經(jīng)過在自動化專業(yè)3屆學(xué)生中的教學(xué)試用，結(jié)合授課反饋意見，教學(xué)組將該講義編寫成《現(xiàn)代控制理論》一書，經(jīng)過多次專家審閱與和修改，該書于2016年2月在機械工業(yè)出版社出版（如圖1所示）。

2.教學(xué)內(nèi)容革新。不同于其他應(yīng)用類課程，《現(xiàn)代控制理論》課程內(nèi)容較為抽象，公式推導(dǎo)和結(jié)論也較為嚴(yán)謹(jǐn)。因此，教授內(nèi)容和知識點的選擇需要進行相應(yīng)的革陳推新，在保證課程體系結(jié)構(gòu)清晰完整的前提下，著力將本門課程的基本概念、基本原理、基本方法及結(jié)論等內(nèi)容進行清晰明確的講授，防止定義、理論和結(jié)論的堆砌，并自始至終注意用啟發(fā)式的論述方法，注重培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新能力。在實際授課過程中，不僅要保證《現(xiàn)代控制理論》課程體系結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)完善，還應(yīng)重點就理論提出、證明過程和思路等內(nèi)容進行詳細詮釋，并適當(dāng)增加工程應(yīng)用舉例和前景的講解，避免學(xué)生死記硬背和生搬硬套，使學(xué)生準(zhǔn)確地理解基本概念、原理和結(jié)論。

在內(nèi)容的選擇上要抓住狀態(tài)空間綜合法的優(yōu)越性，說明狀態(tài)空間法不僅描述了系統(tǒng)輸入—輸出之間的外部關(guān)系，還揭示了系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，是一種完全的描述。在講授過程中，要注重對結(jié)構(gòu)體系和重點內(nèi)容的講解，例如，對于狀態(tài)空間模型的建立、線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等內(nèi)容要詳細給予講解，而對于線性時變系統(tǒng)以及非線性系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容則簡略介紹或讓學(xué)生自學(xué)即可。因此該課程內(nèi)容包括：掌握現(xiàn)代控制理論的時域建模方法（狀態(tài)空間表達式）以及模型的規(guī)范描述形式；掌握系統(tǒng)性能的基本分析方法以及求解狀態(tài)空間表達式、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析以及能控性和能觀性分析；掌握在時域進行反饋控制系統(tǒng)設(shè)計，包括系統(tǒng)的極點配置以及觀測器的設(shè)計等，以及工程實踐技能的提高。期望，通過本課程的學(xué)習(xí)，一方面使學(xué)生理解《現(xiàn)代控制理論》的基本原理與方法，掌握線性系統(tǒng)分析、控制器設(shè)計和實現(xiàn)的基本能力，為后續(xù)計算機控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、過程控制工程等課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；另一方面培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代控制理論和計算機技術(shù)解決控制系統(tǒng)的分析和綜合問題，以突出系統(tǒng)的思維方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)為原則。

3.教學(xué)方法革新。（1）先進的教學(xué)模式。現(xiàn)代控制理論課程的內(nèi)容包含大量復(fù)雜的公式和證明，傳統(tǒng)的板書教學(xué)方法是教師邊講邊用粉筆在黑板上書寫講稿上的內(nèi)容，這種方式的教學(xué)過程不連貫、不緊湊，導(dǎo)致授課信息量太小，學(xué)生學(xué)習(xí)起來沒有什么興趣，導(dǎo)致教學(xué)效果不是很好。多媒體教學(xué)融合當(dāng)代信息技術(shù)的發(fā)展成果，通過使用文字、圖片、音頻等資料來進行教學(xué)活動，不僅節(jié)省了教師授課時的板書寫作時間，增加了教學(xué)的信息量，而且將虛擬的教學(xué)模式變成易于實現(xiàn)的形式，更加促進了學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知與掌握，有助于提高他們學(xué)習(xí)的積極性。（2）把Matlab融入到課程教學(xué)。Matlab作為一種專業(yè)級的商用數(shù)學(xué)軟件，在控制算法設(shè)計、仿真結(jié)果可視化以及高性能數(shù)值計算等方面具有獨特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于控制理論的分析與設(shè)計之中。利用Matlab語言進行現(xiàn)代控制理論的計算與仿真，方便直觀，這種有機結(jié)合能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，可以達到滿意的教學(xué)效果。例如，現(xiàn)代控制理論中用矩陣表示狀態(tài)空間表達式，而Matlab的基本運算單元也是矩陣，用戶在求解不同類型的控制問題時可調(diào)用許多預(yù)先定義的函數(shù)，而且Matlab還具有交互分析的能力，所以使用Matlab語言工具進行現(xiàn)代控制理論的計算與仿真是較為可行的一種手段。（3）強化課程實驗環(huán)節(jié)。為了使學(xué)生加深對理論知識的理解，《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)在第1—5章都安排了Matlab分析、綜合和應(yīng)用，并從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)置了三個具有代表性的課內(nèi)綜合實驗，分別是“用Matlab完成車載倒立擺的分析與綜合（必開）、線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制及極點配置和直線電機倒立擺的調(diào)試運行與狀態(tài)反饋控制”。另外，還為學(xué)生增加了第二課堂，包括控制系統(tǒng)課程設(shè)計與綜合實驗、控制工程實驗室開放項目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、產(chǎn)學(xué)研合作科技開發(fā)項目和全國大學(xué)生學(xué)科競賽等，實現(xiàn)了課內(nèi)理論學(xué)習(xí)與課外應(yīng)用實踐、課本知識學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有機結(jié)合，從而促進了學(xué)生專業(yè)知識和綜合素質(zhì)的全面發(fā)展。（4）優(yōu)化考核方式。在考核時應(yīng)加強對學(xué)生綜合能力的考核，平時成績評定時應(yīng)將平時作業(yè)、課堂提問、小測驗、出勤率有機結(jié)合起來作為平時成績，在各個方面和環(huán)節(jié)上嚴(yán)格要求學(xué)生，并將平時成績按照額定的比例算入總評成績，注重對學(xué)生平時學(xué)習(xí)習(xí)慣和各方面的綜合能力的培養(yǎng)，這樣的考核，比僅僅依靠期末考試的方式更公平、合理，有助于良好學(xué)風(fēng)的形成。

三、教學(xué)改革的特色與成效

長安大學(xué)自動化專業(yè)源于西安公路學(xué)院1978年設(shè)立的交通自動控制本科專業(yè)，已形成面向交通信息與控制、工業(yè)自動化、軌道交通信號與控制和智能儀器儀表等領(lǐng)域，培養(yǎng)從事產(chǎn)品設(shè)計、項目開發(fā)、應(yīng)用研究、運行管理和經(jīng)營銷售等方面工作的高素質(zhì)、寬口徑、復(fù)合型的自動化科學(xué)與技術(shù)專門人才，至今已有40年的辦學(xué)歷史。自動化專業(yè)2006年獲批陜西省名牌專業(yè)，2010年獲批國家級第一類特色專業(yè)建設(shè)點，2011年獲批國家級“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)，并且是長安大學(xué)第1個首批試點專業(yè)，2012年被評為國家級綜合改革試點專業(yè)。2016年獲批陜西省高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革試點學(xué)院。近年來，自動化專業(yè)教學(xué)成果顯著，榮獲國家級教學(xué)成果二等獎1項、陜西省教學(xué)成果特等獎2項、一等獎1項和二等獎2項。針對我校自動化專業(yè)的特點，我們組建了一支理工融合、專業(yè)互補的自動化專業(yè)教學(xué)團隊，2014年被評為陜西省教學(xué)團隊。在課程的開設(shè)上，秉承特色辦學(xué)的理念，注重依托學(xué)院優(yōu)勢與強項，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進行深入改革。與此同時，充分利用施教專業(yè)學(xué)生邏輯思維和推導(dǎo)能力強的特點，在組織教學(xué)內(nèi)容時，合理刪減重復(fù)性的、學(xué)生掌握較好的證明部分，適當(dāng)強化控制工程專業(yè)背景方面的內(nèi)容，并以理學(xué)思維的方式進行闡述。經(jīng)過3年的教學(xué)實踐，學(xué)生普遍反映教學(xué)效果良好，并在以下方面形成了自己的特色。

1.學(xué)院內(nèi)跨系部組建教學(xué)團隊，有利于打破專業(yè)方向的壁壘，鄙棄門戶之見，將理論與實踐有機結(jié)合起來，使學(xué)生多方受益。

2.注重后續(xù)課程和已開設(shè)課程的銜接，強調(diào)開設(shè)課程之間的滲透及融合是其最大的特色，并有利于課程內(nèi)容的優(yōu)化整合。

3.加強以工程化思想為引導(dǎo)學(xué)習(xí)概念和方法。從緒論、導(dǎo)入概念、選取案例、設(shè)計實驗以及適當(dāng)穿插Simulink等多方面對控制背景進行滲透，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，逐步培養(yǎng)學(xué)生的“問題驅(qū)動”下的研究型思維模式。

4.結(jié)合教師的科研背景和項目，將本學(xué)科熱點領(lǐng)域的新方法、新成果和新應(yīng)用介紹給學(xué)生，使學(xué)生在掌握本課程知識的基礎(chǔ)上，逐步向研究型過渡，符合我校辦學(xué)培養(yǎng)的宗旨。

5.以倒立擺實驗為平臺，加深學(xué)生對能控性、能觀性、極點配置、狀態(tài)觀測器等基本概念的理解與應(yīng)用，使理論授課與實驗設(shè)計有機結(jié)合起來，在教授各階段理論知識之后，對倒立擺系統(tǒng)進行建模、分析及控制器設(shè)計等，以提升學(xué)生的工程實踐能力，增強他們對用所學(xué)理論知識解決實際問題的信心。

6.《現(xiàn)代控制理論》課程2014年被評為陜西省精品資源共享課程，2015年完成精品資源共享課程的全程視頻錄像，課程網(wǎng)站的鏈接地址為Http：//xdkzll.chd.edu.cn，課程網(wǎng)站首頁如圖2所示。

四、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，高等院校應(yīng)不斷地更新專業(yè)課的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念和實驗平臺，只有把新的知識體系和先進的教學(xué)手段有機結(jié)合起來，才能夠適應(yīng)時代的發(fā)展。另外，對于工科教學(xué)一定要突出實際應(yīng)用背景，將理論與實際聯(lián)系起來，并注重科學(xué)理念的培養(yǎng)。只有這樣，高校的教育成果才能最大地發(fā)揮出來，達到培養(yǎng)符合我國現(xiàn)代化建設(shè)合格人才的目的。

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