“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)改革研究與探索

楊春雨，孫曉燕，陳 穎，周林娜

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，不僅可以解決線性定常系統(tǒng)的控制問題，還可以處理多輸入多輸出、時(shí)變和非線性系統(tǒng)的控制問題，不僅可以應(yīng)用于實(shí)際工程系統(tǒng)，還適用于一些社會(huì)系統(tǒng)[1]。因此，“現(xiàn)代控制理論”課程是自動(dòng)化專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。該課程有大量的理論推導(dǎo)，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的專業(yè)背景理解能力和扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。本文通過(guò)分析“現(xiàn)代控制理論”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，針對(duì)影響教學(xué)效果的問題提出了一些改革措施。

1 “現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)現(xiàn)狀

1)教學(xué)內(nèi)容理論多，案例和前沿技術(shù)少

現(xiàn)代控制理論是20世紀(jì)50-70年代發(fā)展起來(lái)的。它與經(jīng)典控制理論相比，引入了不少新知識(shí)，涉及較多的理論推導(dǎo)。例如:狀態(tài)空間模型能夠充分反映控制系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，可以描述時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)。許多不同的工程實(shí)際問題可以抽象為相同的狀態(tài)空間模型，利用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。狀態(tài)空間模型是一階微分方程組，所以系統(tǒng)能控性、能觀性和穩(wěn)定性的分析，以及極點(diǎn)配置、狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)和最優(yōu)控制問題最終都?xì)w結(jié)為微分方程、線性代數(shù)、變分法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等數(shù)學(xué)問題。但是，很多學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)，部分課程沒有學(xué)過(guò)，任課教師授課過(guò)程中需要為他們補(bǔ)充部分?jǐn)?shù)學(xué)知識(shí)，導(dǎo)致課時(shí)非常緊張，沒有充足的課時(shí)講解工程案例，如新興的前沿技術(shù)[2]。這就造成了本課程理論多，案例和前沿技術(shù)少的教學(xué)現(xiàn)狀。

2)教學(xué)模式單調(diào)，師生互動(dòng)少

目前“現(xiàn)代控制理論”的課堂教學(xué)的課件和板書往往都充斥著抽象的概念和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推理，這對(duì)于課程多、活動(dòng)多，很少進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的學(xué)生而言，會(huì)漸漸地失去學(xué)習(xí)興趣。另外，該課程的課后作業(yè)基本都是教材中的習(xí)題，根據(jù)系統(tǒng)的抽象的數(shù)學(xué)模型，利用所學(xué)知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析或設(shè)計(jì)，無(wú)法體現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)際背景，做作業(yè)的過(guò)程就像數(shù)學(xué)課的練習(xí)一樣，很難激起學(xué)生的熱情和興趣，甚至相互抄襲，任課教師無(wú)法從作業(yè)中了解學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)情況。

3)考核重視結(jié)果，輕視教學(xué)過(guò)程

目前該課程的考核主要以期末考試為主，輔以平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)。但是，以理論考試為主的考核方式導(dǎo)致學(xué)生在考前突擊復(fù)習(xí)，這樣即使考試合格，也難以真正掌握現(xiàn)代控制理論的思想精髓。

2 教學(xué)改革措施

1)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，把前沿課題引入課堂

我們針對(duì)本課程理論知識(shí)多，工程背景少的問題，在授課過(guò)程中，適當(dāng)簡(jiǎn)化繁瑣的數(shù)學(xué)推理，理論聯(lián)系實(shí)際，授課以倒立擺、直流電機(jī)為實(shí)例，利用狀態(tài)空間法進(jìn)行建模，分析系統(tǒng)的能控性、能觀性和穩(wěn)定性，并進(jìn)行極點(diǎn)配置和觀測(cè)器設(shè)計(jì)。這樣能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生深入理解現(xiàn)代控制理論知識(shí)。同時(shí)，把本領(lǐng)域的前沿課題引入課堂。目前隨著通信科學(xué)的發(fā)展，控制與通訊交叉成為研究熱點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)控制、多智能體協(xié)調(diào)控制等課題得到關(guān)注，我們從網(wǎng)上下載相關(guān)視頻資料供學(xué)生參考，讓學(xué)生了解現(xiàn)代控制理論研究領(lǐng)域的前沿成果和技術(shù)。

2)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)裝置，豐富課堂教學(xué)方式

我們?yōu)榻鉀Q教學(xué)模式單一的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬倒立擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于課堂演示。利用Pro/ENGINEER建立倒立擺的三維虛擬現(xiàn)實(shí)模型，借助于Matlab虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱把倒立擺虛擬現(xiàn)實(shí)模型和Simulink仿真模型關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景和Simulink模型的聯(lián)合仿真。在課堂上利用虛擬倒立擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示，學(xué)生可以同時(shí)觀察倒立擺的運(yùn)行情況和控制系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)的仿真曲線，能夠深化對(duì)理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

3)減少課后作業(yè)，開展課外實(shí)踐

為了解決“現(xiàn)代控制理論”課程課后的作業(yè)問題，我們對(duì)原來(lái)的理論習(xí)題進(jìn)行整理和提煉。例如關(guān)于能控性判據(jù)的作業(yè)，以前至少要5-8道習(xí)題才能讓學(xué)生掌握各種判別方式，經(jīng)過(guò)我們教學(xué)小組的提煉和加工，用2道作業(yè)題就能取得良好的練習(xí)效果。用節(jié)省下來(lái)的時(shí)間開展課外實(shí)踐活動(dòng)。

我們的做法是把5-6名學(xué)生分成1組。教師根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生的情況給出一些備選課題，例如倒立擺控制、直流電機(jī)控制和四旋翼飛機(jī)控制等。組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織組員選擇題目，也可以根據(jù)個(gè)人興趣自主選題，利用所學(xué)的理論知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并開展仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

4)建立課程交流網(wǎng)站，加強(qiáng)交流

我們針對(duì)任課教師與學(xué)生互動(dòng)少，交流不順暢等問題，建立了專題交流網(wǎng)站。網(wǎng)站前端主要使用HTML和CSS實(shí)現(xiàn)，能夠兼容各大主流瀏覽器，為了提高網(wǎng)站交互效果，使用Java script語(yǔ)言豐富網(wǎng)站的內(nèi)容，讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)中獲得快樂。作為網(wǎng)站前端與數(shù)據(jù)庫(kù)的紐帶。網(wǎng)站的后端主要由PHP實(shí)現(xiàn)，作為一種開源的編程語(yǔ)言，PHP能夠安全高效的實(shí)現(xiàn)各種功能。網(wǎng)站使用體積小、速度快的開源數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL作為網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)學(xué)生的各類信息如學(xué)生積分、討論內(nèi)容以及共享資源等。網(wǎng)站主要功能模塊包括資料共享模塊、課程研討模塊和學(xué)生積分模塊等。在資料共享模塊，把課堂上不詳細(xì)解釋的理論證明內(nèi)容和其他參考資料上傳，例如，時(shí)變系統(tǒng)的能控能觀性在課堂上不講，我們把相關(guān)內(nèi)容上傳到網(wǎng)上，供感興趣的學(xué)生深入學(xué)習(xí)。另外也上傳一些“現(xiàn)代控制理論”講課視頻和應(yīng)用案例，供大家交流和學(xué)習(xí)。學(xué)生如果有問題或者對(duì)本課程有建議，可以在課程研討模塊上相互討論，與教師交流。學(xué)生積分模塊是為了記錄學(xué)生的參與情況，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與，同時(shí)為期末考核提供依據(jù)。

5)增加過(guò)程考核比重，減少理論考試比重

“現(xiàn)代控制理論”課程傳統(tǒng)的考核方式是只注重期末理論考試，很難全面體現(xiàn)學(xué)生對(duì)課程的掌握情況和平時(shí)表現(xiàn)，因此，采用降低理論考試所占的比重，提高平時(shí)出勤、作業(yè)以及實(shí)踐活動(dòng)考核所占的比重，面向授課過(guò)程的考核方式比較科學(xué)[3]。比較可行的比例是理論考試占總成績(jī)45-55%，實(shí)踐活動(dòng)占20-30%，考勤占5%，作業(yè)占5%，實(shí)驗(yàn)占15-20%。這樣能夠有效抑制考前突擊現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)中存在的問題，提出一系列改革措施。實(shí)踐表明:學(xué)生對(duì)于工程案例和前沿技術(shù)非常感興趣，樂于通過(guò)課外實(shí)踐活動(dòng)鍛煉自己;師生互動(dòng)更加頻繁，課堂氛圍更加活躍;新的考核方式有效地抑制了考前突擊現(xiàn)象，顯著提高了教學(xué)效果。應(yīng)該指出的是，上述措施還有一些不完善之處，例如實(shí)踐活動(dòng)中每個(gè)小組有5-6個(gè)人，科學(xué)地對(duì)每個(gè)人進(jìn)行考評(píng)是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問題。

[1]許世范，陳穎，侯媛彬.現(xiàn)代控制理論簡(jiǎn)明教程[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2]賈鶴鳴，宋文龍，戴天虹.“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)中實(shí)施創(chuàng)新教育的探討[J].北京:中國(guó)電力教育，2014，10(9):71-72.

[3]鞏敦衛(wèi)，張勇，孫曉燕.“智能控制技術(shù)”課程全方位多層次考評(píng)方法[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(1):52-53.