面向工程應(yīng)用化的研究生現(xiàn)代控制理論課程改革與探索

【摘 要】本文針對工科類研究生課程現(xiàn)代控制理論的特點，通過對機械工程專業(yè)研究生的教學(xué)思路及方法的探索和實踐，提出以理論教學(xué)、實際實驗演示、項目應(yīng)用等環(huán)節(jié)有機結(jié)合，加強學(xué)生知識工程應(yīng)用化能力培養(yǎng)的思路，使其在掌握課程基礎(chǔ)理論之上，能緊密結(jié)合自身專業(yè)方向進行應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、凝練和解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】研究生教育 知識應(yīng)用化 現(xiàn)代控制理論

【中圖分類號】G423 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）20-0059-02

錢學(xué)森指出：“技術(shù)科學(xué)是人類知識的新部門。”機械工程學(xué)科是聯(lián)結(jié)自然學(xué)科與工程行為的橋梁。機械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報告（2011～2020）中指出：要高度重視技術(shù)科學(xué)的發(fā)展和工程實踐能力的培養(yǎng)，提高把科技成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用的能力。在我國研究生教育體制中，有學(xué)術(shù)型和專業(yè)型兩種研究生學(xué)位，學(xué)術(shù)型研究生在校期間以理論研究為導(dǎo)向，而專業(yè)型研究生則以工程應(yīng)用能力為主要教學(xué)目標(biāo)。但隨著實際工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及系統(tǒng)不斷地向集成化、綜合化、精密化、智能化發(fā)展，以及測試控制技術(shù)的日新月異，研究生在校學(xué)習(xí)期間很難接觸到先進的工業(yè)設(shè)備，了解其實際運行特征及測試控制技術(shù)，使學(xué)術(shù)型研究生造成理論上的“空談”，專業(yè)型研究生不能有效將技術(shù)理論應(yīng)用于工程實踐，因此我們認為目前研究生課程培養(yǎng)的關(guān)鍵問題是如何搭建好理論和實踐應(yīng)用橋梁，從而真正提高研究生的實際科研能力。

筆者所在教學(xué)團隊從2009年起承擔(dān)了機械工程一級學(xué)科下機械設(shè)計及理論、機械電子工程、機械制造及其自動化、車輛工程等二級學(xué)科專業(yè)現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)工作，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，全日制學(xué)術(shù)型及專業(yè)型研究生針對自身研究方向的學(xué)習(xí)缺乏明確目的，而非全日制的專業(yè)型研究生確難以掌握理論性的課程，使所學(xué)內(nèi)容無明確的應(yīng)用價值。

機械工程研究生在校學(xué)習(xí)過程中，除數(shù)學(xué)、外語等基礎(chǔ)課程外，剩余課程被定義為專業(yè)課程，但現(xiàn)實中，一些課程會成為連接其他課程的橋梁，我們將其定義為研究生培養(yǎng)過程中的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

因此，我們在研究生教學(xué)方法探索過程中，利用專業(yè)基礎(chǔ)課程的通用性，將學(xué)術(shù)型研究生及專業(yè)型研究生的專長相結(jié)合，將教學(xué)資源進行整合，通過理論學(xué)習(xí)、工程引入、項目分解以及專項討論的一系列教學(xué)方法，使研究生在學(xué)習(xí)過程中根據(jù)自身專業(yè)方向有針對性地進行學(xué)習(xí)，又可對相關(guān)知識進行了解，最終達到培養(yǎng)其知識應(yīng)用化的能力。

一 課程培養(yǎng)方法的探索與改革

碩士研究生相對于本科生應(yīng)該具有更強的研究問題和解決問題的能力，但目前的課程安排，一般均以理論授課和計算機模擬為主，使學(xué)生對生產(chǎn)生活中的實際問題缺乏概念，并且在理論學(xué)習(xí)的過程中具有盲從性。機械工程類研究生是機械工程領(lǐng)域的高層次人才，在工程應(yīng)用過程中，不僅需要從實際問題出發(fā)，解決工程中出現(xiàn)的問題，更要有創(chuàng)新意識，能夠設(shè)計出新型的機械產(chǎn)品，推動機械行業(yè)的發(fā)展。因此，改革內(nèi)容包括以下幾個方面，以實現(xiàn)知識應(yīng)用化的目標(biāo)。

1.明確教學(xué)內(nèi)容，基礎(chǔ)理論實用化

以知識工程應(yīng)用化為培養(yǎng)目標(biāo)，同時兼顧現(xiàn)代控制理論課程數(shù)學(xué)知識要求較高、理論難度大的特點，在安排教學(xué)大綱時，以理論、實踐相結(jié)合的方法進行授課。

目前現(xiàn)代控制理論課程共40學(xué)時，理論授課環(huán)節(jié)占到總學(xué)時的二分之一，教學(xué)內(nèi)容從理論體系中基礎(chǔ)理論狀態(tài)空間方程出發(fā)，再對系統(tǒng)性能分析、判定方法、最優(yōu)控制理論、智能控制方法等進行學(xué)習(xí)。為配合理論環(huán)節(jié)的教學(xué)，從前期的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)開始，我們就將課堂直接帶入可模擬機械工程實際工況的實驗環(huán)境，通過綜合教學(xué)實驗平臺，以及針對課程基礎(chǔ)理論所設(shè)計的典型實驗環(huán)節(jié)，將所講解的建模及控制理論直接通過實際系統(tǒng)進行演示，再通過實際演示效果對理論的應(yīng)用和延伸進行詳細說明，使學(xué)生對控制方法與實現(xiàn)過程及系統(tǒng)控制性能的基本理論進行學(xué)習(xí)和掌握，將重點放在基礎(chǔ)理論的實際應(yīng)用上，在揭示理論教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系的同時，調(diào)動學(xué)生對自身專業(yè)需求的理解，使課程知識能夠支撐并應(yīng)用到自身專業(yè)研究中。

2.引入實際工程，挖掘科學(xué)問題

在后期的學(xué)習(xí)中，將實際項目引入課堂，將學(xué)術(shù)型研究生及專業(yè)型研究生按照自身專業(yè)進行分工，如學(xué)術(shù)型研究生以實際工況系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模及控制算法設(shè)計為主，專業(yè)型研究生以系統(tǒng)設(shè)計、性能分析、控制策略的應(yīng)用為主，同時兼顧學(xué)生自身興趣。在該教學(xué)環(huán)節(jié)下，學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)，完成實際項目工作，算法設(shè)計的學(xué)生必須有相應(yīng)的程序，且能與所設(shè)計的硬件進行配套使用，并給出相應(yīng)的說明書。若沒有完成，必須給出相應(yīng)的技術(shù)難點以及所使用過的解決方法，并在課堂上進行討論，并使其最終完成項目。通過此教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，并使其通過工程學(xué)習(xí)掌握理論的應(yīng)用方法及價值。

在講解實際應(yīng)用的同時，將一部分工程與控制交叉學(xué)科的新思路和新方法引入課堂，使學(xué)生對新工業(yè)的控制需求進行掌握，開闊視野和思路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。

3.增強教師素質(zhì)

教師是教育平臺里的中心人物，是聯(lián)系實踐、理論、學(xué)生的中心。為了將學(xué)生的實踐與理論緊密相連，必須使教師一方面具備專業(yè)的理論知識，又要有實際的工程應(yīng)用經(jīng)驗，這樣才能在授課的同時潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生將理論滲透到實踐當(dāng)中。在我們教學(xué)團隊中，教師必須經(jīng)過實際項目的鍛煉，并對控制理論在實際中的應(yīng)用有實際經(jīng)驗，通過這樣的要求，我們發(fā)現(xiàn)課堂的氣氛更為活躍，使學(xué)生更有興趣進行積極的思考和實踐。

二 教學(xué)改革的效果與存在的問題

我們于2013年開始進行現(xiàn)代控制理論課程的改革，到今年為止已經(jīng)培養(yǎng)了兩屆學(xué)生，并在課程結(jié)束后對學(xué)生進行了問卷式調(diào)查。通過學(xué)生的反饋，我們看到學(xué)生對于知識工程應(yīng)用化的教學(xué)思路是認可的，通過課程的學(xué)習(xí)擺脫了理論的抽象思維難度從單調(diào)的理論教學(xué)方法中，過度到了工程的多元化應(yīng)用中；演示和討論式的教學(xué)課堂，也使學(xué)生感到輕松且充實；實際項目的引入，讓學(xué)生感到學(xué)以致用，并更加明確了自身專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)課程的應(yīng)用方法。但也存在著一些問題：

1.拓展課堂空間

在基本理論教學(xué)階段，教師通過綜合實驗平臺對理論進行講解，在此過程中，很多應(yīng)用的程序并沒有對學(xué)生公開，且設(shè)備由于平時實驗需求，難以長時間對學(xué)生開放，學(xué)生無法在課后進行實際操作，使學(xué)生難以針對課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容進行有效的課后實踐。

為此，教學(xué)團隊已經(jīng)開始制作虛擬實驗平臺，在此平臺上學(xué)生可學(xué)習(xí)課程中所應(yīng)用到的程序，可按照自己意圖進行更改，并在虛擬平臺上進行實驗，在得到好的結(jié)果下，可提交申請在真實實驗臺進行實驗。

2.加強學(xué)生實際應(yīng)用的能力

在現(xiàn)代控制理論課程中，會應(yīng)用到一些軟件，如C++、LABVIEW、MATLAB等編程軟件，但對于部分研一的學(xué)生短時間內(nèi)難以掌握軟件使用方法，使學(xué)生依舊感到課程以理論為主，難以付諸實踐。這就會使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，不但跟不上教學(xué)，同時也無法完成后期項目，給學(xué)生在學(xué)習(xí)上造成壓力。通過調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對軟件的熟練掌握是在研究生第二年，如何使學(xué)生較早地對常用軟件進行掌握，也是我們教學(xué)方法中的一個重要環(huán)節(jié)。

3.產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，探索新的教學(xué)方法

教學(xué)過程中的實踐與實際尚有一定的差距，所以在校期間的學(xué)習(xí)是實踐能力的培養(yǎng)，到工程單位的鍛煉才是對實踐能力的掌握。因此，深入企業(yè)的培養(yǎng)與鍛煉也是研究生教學(xué)中的一項重要措施，在今后的培養(yǎng)中，我們將聯(lián)系部分企業(yè)，使學(xué)生能夠深入企業(yè)對現(xiàn)代控制理論在實際中應(yīng)用有更深的了解。

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〔責(zé)任編輯：林勁〕