“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)改革探討與質(zhì)量提升

崔曉斌+閆艷燕+郭景霞

摘要：如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提升教學(xué)質(zhì)量已成為高校教學(xué)改革的重要議題?！冬F(xiàn)代控制理論》課程是一門理論性和實踐性較強的課程，具有多學(xué)科交叉的特點。本文針對該課程教學(xué)過程中易出現(xiàn)的問題，探討課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核手段等方面的改革，以促進教學(xué)質(zhì)量的提升。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代控制理論；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；考核方式

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0113-02

現(xiàn)代控制理論課程與工程實際問題有著緊密的聯(lián)系，具有理論性和實踐性并重、多學(xué)科交叉等特點[1]。該課程涉及到較多抽象的概念，且具有豐富的內(nèi)容，掌握難度相對較大。在現(xiàn)今條件下，高校在校生數(shù)量不斷增加，而學(xué)生的基礎(chǔ)條件又各不相同。如何綜合考慮課程特點以及在校生情況，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提升教學(xué)質(zhì)量已成為高校教學(xué)改革所面臨的一個重大問題。為適應(yīng)創(chuàng)新培養(yǎng)模式的教育理念，提升教學(xué)質(zhì)量，河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院（以下內(nèi)容中簡稱為“我院”）在現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)過程中，針對容易出現(xiàn)的矛盾和問題，不斷摸索，總結(jié)經(jīng)驗，正向“優(yōu)化、高效、實用”的課堂教學(xué)改革目標(biāo)不斷邁進。我院在現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法改善、考核方式完善等方面，進行了一系列有益的努力和嘗試，逐步提升教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的教學(xué)效果。

一、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

教學(xué)內(nèi)容是授課的前提和基本。只有針對教學(xué)內(nèi)容的各部分進行優(yōu)化，方能使得學(xué)生熟悉課程內(nèi)容框架，產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，良好地掌握課程具體內(nèi)容以及了解學(xué)科前沿。

1.緒論內(nèi)容的優(yōu)化?，F(xiàn)代控制理論課程的理論性強、計算繁雜，學(xué)生感到難學(xué)，易產(chǎn)生恐懼心理和厭學(xué)情緒[2]。這就需要教師在講授這門課程的緒論部分內(nèi)容時，根據(jù)現(xiàn)代控制理論這門課程的內(nèi)容特點構(gòu)建課程內(nèi)容框架，并結(jié)合實例，對應(yīng)直觀展示。這樣可以讓學(xué)生對課程形成一個全局的概念，并引發(fā)學(xué)生自發(fā)、主動學(xué)習(xí)這門課程的興趣。

2.正文內(nèi)容的優(yōu)化。在緒論之后的正文內(nèi)容的講授過程中，應(yīng)注意根據(jù)專業(yè)取向不同，選擇教學(xué)內(nèi)容重點，并需補充必要相關(guān)基礎(chǔ)知識以及適度介紹學(xué)科前沿。（1）教學(xué)內(nèi)容的選取。按照本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)確定課程目標(biāo)，遴選教學(xué)內(nèi)容并強化重點內(nèi)容。具體的教學(xué)內(nèi)容主要涉及基于狀態(tài)空間法的線性定常系統(tǒng)的分析與綜合，最優(yōu)控制問題的解決方法，可控性、可觀性、穩(wěn)定性的概念及判據(jù)，系統(tǒng)的極點配置，觀測器的設(shè)計等。（2）必要基礎(chǔ)知識的補充。現(xiàn)代控制理論具有多學(xué)科交叉的特點。其以近代應(yīng)用數(shù)學(xué)和MATLAB的基礎(chǔ)操作為理論工具，涉及線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、隨機控制理論和適應(yīng)控制理論等學(xué)科。授課過程中，必須根據(jù)學(xué)習(xí)者的基礎(chǔ)去填補一些新的知識。例如在講解狀態(tài)空間模型時，就有必要講授一些關(guān)于線性系統(tǒng)理論的相關(guān)知識。（3）學(xué)科前沿的適度介紹。通過實例讓學(xué)生了解這門課程的發(fā)展前景。在保證講授本課程基本概念、基本原理和基本方法的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增補控制學(xué)科研究前沿內(nèi)容。例如，可以和學(xué)生交流國內(nèi)外一流會議關(guān)于控制理論的最新進展、最新應(yīng)用，使學(xué)生了解該學(xué)科的研究方向和發(fā)展趨勢。

二、教學(xué)方法的改善

現(xiàn)代控制理論課程的概念抽象、內(nèi)容豐富，其對教學(xué)方式方法有較高要求。完善教學(xué)方法和教學(xué)手段，進而提高教學(xué)質(zhì)量，是課程改革的重中之重[3]。我院在該課程的教學(xué)過程中，選擇靈活的教學(xué)方法并引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，加強課后練習(xí)與試驗教學(xué)，積極引入Matlab語言，以完善教學(xué)方法，提升教學(xué)質(zhì)量。

1.靈活選擇教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。（1）在教學(xué)過程中，不但要注重直觀性教學(xué)，還應(yīng)將其與傳統(tǒng)的板書有機結(jié)合。注重直觀性教學(xué)，積極探索圖文并茂、聲像結(jié)合且具有生動鮮明感染力的現(xiàn)代教學(xué)手段，如多媒體課件等。同時，授課過程中將板書、課件和視頻結(jié)合起來，充分發(fā)揮這三種教學(xué)方式的優(yōu)點。既能充分利用板書教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性、邏輯性強、步驟清晰的優(yōu)點，又利用了多媒體教學(xué)的直觀、逼真、容量大的優(yōu)點。在加深鞏固理論知識體系的同時，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，取得良好的教學(xué)效果。（2）多采用啟發(fā)式教學(xué)方法，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)?？朔烙浻脖车谋锥?，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑、奇思異想；變“一言堂”為群言堂，讓學(xué)生充分參與，積極表現(xiàn)，在討論、辯論中，使每個學(xué)生獲取知識的同時能得到充分發(fā)展；鼓勵學(xué)生通過親自嘗試、探索，建立新舊知識間的聯(lián)系，從而更好地接觸和掌握新知識。例如，提出現(xiàn)代控制理論的發(fā)展歷程這一問題，要求學(xué)生在自動控制原理的基礎(chǔ)上進行交流與討論。而后，由教師加以總結(jié)，從而能夠引申出除PID控制之外的智能控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等控制策略。

2.加強課后練習(xí)，注重實驗教學(xué)效果。（1）對課后練習(xí)進行有針對性的布置，并及時總結(jié)。習(xí)題課教學(xué)是現(xiàn)代控制理論教學(xué)中不可或缺的重要組成部分，它是對基礎(chǔ)理論知識的延伸和深化，是提升教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要方法和途徑。要有針對性地布置課后習(xí)題，根據(jù)作業(yè)情況及時講解，并適當(dāng)安排答疑。根據(jù)學(xué)生習(xí)題完成情況，做好總結(jié)，借此對知識點進行有效梳理。著重強調(diào)概念易混淆的地方，進行羅列與區(qū)分。比如在講解與總結(jié)能控能觀部分的習(xí)題時，就要做好能控與能觀的條件、標(biāo)準(zhǔn)型以及分解之間的區(qū)分和聯(lián)系[4]，加深學(xué)生的理解。（2）注重實驗教學(xué)，促進學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。理論聯(lián)系實際，樹立“邊實驗、邊探索、邊總結(jié)”的思想。通過實驗教學(xué)這一環(huán)節(jié)，使學(xué)生鞏固、驗證、應(yīng)用所學(xué)知識，并作適當(dāng)探索，最終進行總結(jié)。使學(xué)生掌握知識的同時，提高其實踐能力。軟件是進行實驗教學(xué)的重要媒介。在實驗教學(xué)過程中應(yīng)注意提高學(xué)生利用軟件分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的綜合能力。

3.在教學(xué)過程中積極引入MATLAB語言。建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、分析系統(tǒng)性能等是現(xiàn)代控制理論課程的重點內(nèi)容。在以往的教學(xué)過程中要花大量的時間在數(shù)學(xué)計算上，現(xiàn)在使用MATLAB語言提供的函數(shù)實現(xiàn)快速計算[5]。將MATLAB語言與課程重點內(nèi)容的講授有機結(jié)合進行教學(xué)，不但有助于學(xué)生對現(xiàn)代控制理論課程重點內(nèi)容的理解和掌握，降低現(xiàn)代控制理論的抽象性，增強直觀性，而且對學(xué)生熟悉和應(yīng)用MATLAB也能起到積極作用。endprint

我院在教學(xué)過程中積極引入MATLAB語言，進行了一系列的教學(xué)嘗試。例如，利用MATLAB語言去求一個三階以上的狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣時非常簡單，二維和三維圖形顯示，使得教學(xué)效果生動和鮮明。又例如利用MATLAB函數(shù)很容易建立各種數(shù)學(xué)模型以及模型間的轉(zhuǎn)換和串聯(lián)、并聯(lián)、反饋等形式的聯(lián)結(jié)，能讓學(xué)生輕松直觀地了解線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這些模型包括系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型、零極點增益模型和狀態(tài)空間模型。在狀態(tài)空間分析章節(jié)中，系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，通過讓學(xué)生編制MATLAB程序來繪制系統(tǒng)的時間響應(yīng)曲線，使學(xué)生了解系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定方法以及系統(tǒng)時域響應(yīng)的求解方法。

三、考核方式的完善

采用合理的方式對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進行考核，不但助于調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性與能動性，而且有助于對教學(xué)效果進行反饋，從而修正教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，從而最終提升教學(xué)質(zhì)量。在傳統(tǒng)的書面試卷考核中，要注意合理設(shè)置考試題型、題量及難度?，F(xiàn)代控制理論是一門理論性較強的課程，命題要重點考察對教材基本概念的掌握和基礎(chǔ)理論的靈活運用，突出能力考核。僅用規(guī)定時間內(nèi)的書面試卷考核方式，難以全面準(zhǔn)確反映學(xué)生分析問題、解決問題的能力及創(chuàng)新能力，并且不利于調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性和能動性。因此，應(yīng)將傳統(tǒng)的書面考核與平時表現(xiàn)成績、實驗成績以及創(chuàng)新設(shè)計成績相結(jié)合。為此，我院將最終成績根據(jù)課程需要改革為“平時成績+實驗考核+期末試卷考核+創(chuàng)新性設(shè)計考核”的模塊化分級積分，最終得出學(xué)生的學(xué)科總成績。考核的總評成績最高為100分，其中：（1）平時成績30分。出勤與課堂表現(xiàn)占10分，課后作業(yè)占20分。（2）實驗課成績20分。利用Matlab編程完成實驗設(shè)計占10分，科研實踐占10分。（3）試卷考試成績50分。（4）利用現(xiàn)代控制理論進行創(chuàng)新性設(shè)計并形成書面報告者可加創(chuàng)新成績10分。

四、結(jié)語

針對“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)改革中的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方式改善以及考核方式完善等方面，我院進行了一系列的努力和嘗試。激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果，教學(xué)質(zhì)量得到逐步提升。同時，教師也在該課程教學(xué)改革的過程中，逐漸提高了自身的教學(xué)素養(yǎng)和水平。

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