《現(xiàn)代控制理論》研討式綜合教學(xué)方案設(shè)計

韓立強(qiáng)

摘要：本文在以“能力導(dǎo)向、學(xué)生主體、教師主導(dǎo)”的教學(xué)改革指導(dǎo)思想下，以現(xiàn)代控制理論為例，進(jìn)行教學(xué)方法的改革，讓學(xué)生積極思考問題，讓學(xué)生從被動的接受者變成主動的參與者，為此引入研討式教學(xué)方法，設(shè)計了現(xiàn)代控制理論研討式教學(xué)方案。

關(guān)鍵詞：研討式；方案設(shè)計；現(xiàn)代控制理論

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）31-0154-02

一、引言

現(xiàn)代控制理論為測控專業(yè)基礎(chǔ)課，課程主要包括狀態(tài)空間的基礎(chǔ)理論，使學(xué)生掌握必要的現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識，為后續(xù)專業(yè)課打下理論基礎(chǔ)。因為本課程理論性較強(qiáng)，以課堂講授為主，如果教學(xué)方法不當(dāng)，僅僅根據(jù)課本照本宣科地向?qū)W生傳授課本專業(yè)知識，很容易讓學(xué)生覺得枯燥無味，挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)激情與主動性，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效果。因此需要對教學(xué)方法改革，讓學(xué)生積極思考問題，讓學(xué)生從被動的接受者變成主動的參與者，為此針對課程設(shè)計了研討式教學(xué)方案。

二、研討式教學(xué)方案的整體設(shè)計

課程主要是關(guān)于狀態(tài)空間的基礎(chǔ)理論，本課程以課堂教學(xué)為主，要求在理解有關(guān)狀態(tài)、狀態(tài)空間的基本概念基礎(chǔ)上，理解和掌握系統(tǒng)矩陣與穩(wěn)定性的關(guān)系，線性系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程，能控性、能觀測性，與系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)系，掌握并靈活運用極點配置，觀測器設(shè)計方法對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。通過課程實驗，掌握模型轉(zhuǎn)換，李亞普諾夫矩陣方程的解法，掌握運用狀態(tài)反饋對系統(tǒng)進(jìn)行極點配置的設(shè)計方法。學(xué)會應(yīng)用Matlab進(jìn)行控制系統(tǒng)輔助分析設(shè)計的基本技能，為日后解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。

通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生做到對各章概念融會貫通，解題方法靈活運用，分析解決實際問題。為此，現(xiàn)代控制理論的研討式教學(xué)方案設(shè)計從內(nèi)容結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法、訓(xùn)練載體、考核方式等幾個方面，設(shè)計了以知識點問題為主線，將課程理論教學(xué)內(nèi)容、研討式教學(xué)、綜合知識應(yīng)用大作業(yè)、實驗教學(xué)、考核方式相結(jié)合的教學(xué)模式。

（一）現(xiàn)代控制理論研討式教學(xué)知識點

現(xiàn)代控制理論課程體系主要圍繞建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，學(xué)習(xí)對控制系統(tǒng)的分析方法和系統(tǒng)綜合方法。即建立控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式模型，特別狀態(tài)模型的三種實現(xiàn)能控標(biāo)準(zhǔn)型、能觀標(biāo)準(zhǔn)型、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型，以及各種模型之間的相互轉(zhuǎn)化；在模型建立后分析控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)，分析控制系統(tǒng)的能控性和能觀性，利用李亞普諾夫第二方法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；為了改善系統(tǒng)性能，然后對系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計，即利用狀態(tài)反饋實現(xiàn)極點配置，為了解決狀態(tài)不能直接檢測的問題，利用帶狀態(tài)觀測器進(jìn)行狀態(tài)反饋系統(tǒng)設(shè)計。

（二）現(xiàn)代控制理論研討式教學(xué)模式

1.通過理論教學(xué)應(yīng)掌握的知識與方法。了解自動控制與系統(tǒng)的基本概念、基本要求；建立控制問題的系統(tǒng)觀，學(xué)會用控制系統(tǒng)的思想理解問題；掌握控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立方法。重點掌握由傳遞函數(shù)（矩陣）到狀態(tài)模型的三種實現(xiàn)：能控標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)、能觀標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)、約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)；掌握如何求線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程和非齊次狀態(tài)方程的解；掌握線性連續(xù)定常系統(tǒng)的能控性和能觀性概念及判別準(zhǔn)則；掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念，重點掌握李亞普諾夫第一、李亞普諾夫第二分析法；掌握通過反饋設(shè)計控制系統(tǒng)。重點掌握狀態(tài)反饋能任意極點配置的條件和利用極點配置實現(xiàn)狀態(tài)反饋，重點掌握全維狀態(tài)觀測器的實現(xiàn)；掌握狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)設(shè)計。

2.通過實驗教學(xué)進(jìn)行動手實踐能力培養(yǎng)。通過數(shù)字仿真軟件解算實際控制問題，學(xué)會掌握控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真分析，通過對MATLAB軟件的學(xué)習(xí)，掌握基本的模型變換、典型系統(tǒng)的響應(yīng)分析等語言，提高解決控制問題的計算與分析能力。通過模擬仿真電路實驗，提高學(xué)生控制電路調(diào)試與實現(xiàn)的能力。通過控制理論實驗裝置，學(xué)生根據(jù)自行設(shè)計的控制理論教學(xué)實驗電路進(jìn)行模擬仿真電路實驗，提高學(xué)生的動手實踐和理論聯(lián)系實際的能力。

3.通過整個課程教學(xué)設(shè)計進(jìn)行綜合素質(zhì)培養(yǎng)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，在課堂開展研討式教學(xué)，本課程共設(shè)計了五個研討性教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生與人合作的能力和探索知識的精神。針對重點內(nèi)容分別設(shè)計了綜合知識測驗和綜合知識應(yīng)用大作業(yè)，來培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。通過本課程的理論、實踐和研究性教學(xué)，學(xué)生基本具備運用自動控制理論解決實際問題的能力，并能夠初步完成今后生產(chǎn)和科研中遇到的基本控制任務(wù)。

三、研討式教學(xué)訓(xùn)練載體的設(shè)計

研討式教學(xué)模式主要通過引例進(jìn)行基本概念和理論的講解，在課堂上開展討論式教學(xué)，按照知識點進(jìn)行研討式教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，查閱文獻(xiàn)和學(xué)習(xí)新知識，培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)、在有限的時間內(nèi)學(xué)習(xí)的能力；配合課后練習(xí)對基本概念進(jìn)行有針對性的訓(xùn)練，對重要知識內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)效果檢驗。每部分配合教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行綜合知識運用的訓(xùn)練，配有大作業(yè)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計實驗訓(xùn)練項目。針對每個知識點設(shè)計研討式教學(xué)模式。

1.習(xí)題。根據(jù)各章知識點，每章布置一定數(shù)量的作業(yè)，鞏固所學(xué)內(nèi)容。

2.課堂研討式教學(xué)。第一章課堂研討式教學(xué)一：如何從各個角度建立控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式，討論狀態(tài)空間表達(dá)式實現(xiàn)的非唯一性。第二章課堂研討式教學(xué)二：討論求解系統(tǒng)方程響應(yīng)的不同方法。第三章課堂研討式教學(xué)三：討論能控性能觀性的含義。第四章課堂研討式教學(xué)四：討論穩(wěn)定性的含義以及判別穩(wěn)定性的各種方法。第五章課堂研討式教學(xué)五：討論如何實現(xiàn)系統(tǒng)綜合，以及實現(xiàn)極點配置的各個反饋結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

3.隨堂測試及綜合測驗。第一章隨堂測試一次，第二章隨堂測試一次，第三章隨堂測試一次，第四章隨堂測試一次，第五章綜合測驗一次。

4.綜合知識應(yīng)用大作業(yè)。課后綜合知識應(yīng)用大作業(yè)共三次。第一次根據(jù)課堂討論，查閱資料，建立一個實際控制系統(tǒng)不同形式的模型（如傳遞函數(shù)、微分方程、狀態(tài)空間表達(dá)式等）。第二次根據(jù)課堂討論，查閱資料，用不同方法求解控制系統(tǒng)的方程，總結(jié)不同方法的優(yōu)缺點。第三次根據(jù)課堂討論，查閱資料，用不同方法判別控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，總結(jié)不同方法的優(yōu)缺點。

5.實驗教學(xué)。實驗內(nèi)容：（1）控制系統(tǒng)的不同實現(xiàn)。（2）狀態(tài)反饋極點配置。

基本要求：觀察實驗結(jié)果，有一感觀印象，鞏固學(xué)生所學(xué)的知識，驗證所得的理論結(jié)論，使學(xué)生初步掌握實驗方法和操作技能，鍛煉他們的動手能力，訓(xùn)練他們整理資料、編寫實驗報告的能力，培養(yǎng)嚴(yán)格的科學(xué)作風(fēng)。

四、研討式教學(xué)的訓(xùn)練組織形式和安排

1.練習(xí)題的教學(xué)組織形式和安排。根據(jù)教學(xué)日歷，布置課后習(xí)題；閱后，下一次課，根據(jù)習(xí)題中出現(xiàn)的共性問題，集中講評。

2.課堂研討式教學(xué)組織形式和安排。根據(jù)講授內(nèi)容，布置討論題目，10人一組，討論后演講，回答問題，老師總結(jié)點評。在研討時，教師需要及時進(jìn)行提醒和引導(dǎo)，控制研討的進(jìn)度，避免研討過程散漫。

3.隨堂測試及綜合測驗的教學(xué)組織形式和安排。根據(jù)教學(xué)日歷，講完本節(jié)內(nèi)容后，隨堂進(jìn)行，可以參考資料，但必須在規(guī)定時間內(nèi)獨立完成。收卷后，課后閱卷，給出成績，課上根據(jù)測驗中出現(xiàn)的共性問題，集中講評。

4.綜合知識應(yīng)用大作業(yè)教學(xué)組織形式和安排。課堂上布置綜合知識應(yīng)用大作業(yè)，學(xué)生課后完成，可以查閱資料文獻(xiàn)，獨立完成，根據(jù)要求對所用知識點進(jìn)行歸納和分析，需給出參考文獻(xiàn)。

5.實驗教學(xué)組織形式和安排。根據(jù)教學(xué)日歷，講授完實驗內(nèi)容所涉及的各個知識點后，聯(lián)系實驗中心，安排實驗任務(wù)，最后撰寫實驗報告。

五、學(xué)生課程成績評價體系與標(biāo)準(zhǔn)

1.學(xué)生成績考核形式與比例。課程總成績=期末考試成績×60%+隨堂測試及綜合測驗×20%+課堂討論及大作業(yè)×10%+實驗成績×10%

2.課堂研討式教學(xué)成績評價。主要從以下幾個方面對課堂研討式教學(xué)成績進(jìn)行評價：闡述問題的邏輯性及流利程度，能否恰當(dāng)運用控制理論相關(guān)知識點，能否正確回答問題，能否提出自己的見解。

3.綜合知識應(yīng)用大作業(yè)成績評價。主要從大作業(yè)的問題的分析過程質(zhì)量和撰寫質(zhì)量兩方面評價。包括對問題的提煉能力、能否提供清晰的解決方案、能否綜合運用知識解決實際問題、能否正確進(jìn)行分析、能否正確提煉出結(jié)論。

4.實驗報告評分。實驗教師主要根據(jù)學(xué)生理論計算、實驗電路的設(shè)計及分析、預(yù)期結(jié)果和實驗結(jié)果、報告的撰寫及結(jié)論進(jìn)行評價。

六、效果及結(jié)論

利用多種教學(xué)手段的研討式教學(xué)方法教授現(xiàn)代控制理論這門專業(yè)課，能充分調(diào)動同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性、主動性，充分發(fā)揮他們的主觀能動性與創(chuàng)造力，在引導(dǎo)同學(xué)們自己“創(chuàng)造”出很多專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)了同學(xué)們綜合應(yīng)用相關(guān)知識的能力，并對這些知識點有了深刻認(rèn)識與本質(zhì)把握，培養(yǎng)了其動手動腦分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了其創(chuàng)造性和創(chuàng)新能力，并讓他們學(xué)會、掌握了相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法。自實踐上述教學(xué)方法以來，整個班級的學(xué)習(xí)氛圍得到增強(qiáng)，取得了良好的教學(xué)效果。

但也存在一些問題，比如在實施過程中，因為學(xué)時的限制，學(xué)生數(shù)量較多，所以研討進(jìn)度較慢，不能大規(guī)模進(jìn)行課堂式研討。另外將來如何聯(lián)系當(dāng)前一些實際熱點問題和前沿知識，應(yīng)用所學(xué)知識點，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，更好地激發(fā)學(xué)生興趣，將是進(jìn)一步改進(jìn)的方向。

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