電氣專業(yè)“現(xiàn)代控制理論”課程的雙語(yǔ)教學(xué)探索

李生權(quán)+李娟

摘要：本文根據(jù)“現(xiàn)代控制理論”課程和電氣專業(yè)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)雙語(yǔ)教學(xué)要求下該課程的教學(xué)問題展開探索。通過教學(xué)改革和課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)，提煉了幾點(diǎn)有效的措施，靈活的雙語(yǔ)教學(xué)方法的采用，英文教材的選取和調(diào)整，雙語(yǔ)教學(xué)環(huán)境下的多媒體課件和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)等。

關(guān)鍵詞：雙語(yǔ)教學(xué)；現(xiàn)代控制理論；英文教材；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0；TP273+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）07-0131-03

一、引言

現(xiàn)代控制理論課程作為電氣工程專業(yè)本科三年級(jí)學(xué)生的專業(yè)必修課程在我校已開展多年。這門課程是矩陣論和自動(dòng)控制原理等課程的延續(xù)，因而內(nèi)容豐富、理論性和工程性都很強(qiáng)；再者，由于控制學(xué)科的飛速發(fā)展，使得該課程具有信息量大，更新發(fā)展快等特點(diǎn)[1]。近年來，隨著國(guó)家科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，中國(guó)大學(xué)生與世界其他高校學(xué)生的交流越來越頻繁，為了適應(yīng)國(guó)際大融合發(fā)展的需要，雙語(yǔ)教學(xué)在高等學(xué)府中受到了高度重視。2001年教育部提出，在有條件的高校，應(yīng)該為本科教育中的公共課和專業(yè)課開展雙語(yǔ)教學(xué)，并不斷開展教學(xué)改革和研究性教學(xué)實(shí)踐，探索有效的教學(xué)方法和模式，以提高雙語(yǔ)教學(xué)的質(zhì)量[2]。近年來，雙語(yǔ)教學(xué)尤其是對(duì)專業(yè)課開展雙語(yǔ)教學(xué)已經(jīng)成為了各大高校教學(xué)研究的熱點(diǎn)[3]。多項(xiàng)教學(xué)改革的實(shí)踐證明，在電氣工程的專業(yè)課程中開展雙語(yǔ)教學(xué)的探索，有利于課堂教學(xué)形式的國(guó)際化以及講授內(nèi)容的快速更新，顯著地提高大學(xué)本科生的專業(yè)英語(yǔ)的執(zhí)行能力，同時(shí)也會(huì)讓學(xué)生感受到專業(yè)英語(yǔ)的重要性，將會(huì)提高我國(guó)高等院校尤其是揚(yáng)州大學(xué)的電氣相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)的水平。因此，如何開展現(xiàn)代控制理論課程的雙語(yǔ)教學(xué)，尤其是在雙語(yǔ)教學(xué)要求下，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性和靈活應(yīng)用教學(xué)成果的能力，就顯得尤為重要。“揚(yáng)州大學(xué)電氣專業(yè)現(xiàn)代控制理論課程”教學(xué)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)近年來在該課程的雙語(yǔ)教學(xué)探索和實(shí)踐中遇到的一些問題，探索新的教學(xué)方法，特別注重培養(yǎng)電氣專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性，對(duì)該門課程雙語(yǔ)教學(xué)的可行性、要求和課程特點(diǎn)等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，特別是根據(jù)電氣工程專業(yè)本科生的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)和“現(xiàn)代控制理論”課程的理論性和工程性都很強(qiáng)等特點(diǎn)，在教學(xué)改革實(shí)踐中探討了一些行之有效的解決方法和措施。

二、課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

現(xiàn)代控制技術(shù)是在經(jīng)典控制理論中發(fā)展出來的一門學(xué)科?！艾F(xiàn)代控制理論”課程作為“自動(dòng)控制原理”的后續(xù)課程，其作用是使學(xué)生在學(xué)習(xí)過自動(dòng)控制原理和矩陣論等基礎(chǔ)課程之后，了解當(dāng)今控制理論和應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)新階段，現(xiàn)代先進(jìn)的控制方法原理及其應(yīng)用?？紤]到學(xué)科的特點(diǎn)和學(xué)時(shí)的限制，本課程在講授過程中只涉及到線性控制理論中狀態(tài)空間模型的建立和解的分析、能控性/能觀性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、狀態(tài)觀測(cè)器和狀態(tài)反饋的實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。

課程的目的是使學(xué)生通過本課程了解時(shí)域形式狀態(tài)空間模型的形式、狀態(tài)變量、狀態(tài)方程的求解以及解得特點(diǎn)，開展系統(tǒng)的定性分析——能控性/能觀性和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，尤其是掌握運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行線性、非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定系判斷。進(jìn)而，能夠?qū)δ繕?biāo)性能要求下，開展系統(tǒng)控制器和觀測(cè)器的設(shè)計(jì)。

三、課程雙語(yǔ)教學(xué)的具體內(nèi)容

在電氣工程專業(yè)本科生中開展“現(xiàn)代控制理論”課程雙語(yǔ)教學(xué)面臨諸多不利條件：（1）內(nèi)容的多樣性和課時(shí)的有限性；（2）在有限的課時(shí)數(shù)的條件下，如何讓學(xué)生盡快地熟悉英文教材所闡述的內(nèi)容；（3）如何讓學(xué)生準(zhǔn)確地掌握控制領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)術(shù)語(yǔ)的英文表達(dá)；（4）如何提高詞匯量和英語(yǔ)的表達(dá)能力，尤其是一些常用的專業(yè)詞匯的靈活運(yùn)用，以提高學(xué)生專業(yè)英語(yǔ)的聽說讀，尤其是寫文獻(xiàn)等的綜合應(yīng)用能力。

作者及其“揚(yáng)州大學(xué)電氣專業(yè)現(xiàn)代控制理論課程”教學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)的實(shí)踐情況，對(duì)該課程的雙語(yǔ)教學(xué)的施教做了如下幾方面的研究性教學(xué)探討。

1.外文原版教材的合理選擇。在采用雙語(yǔ)教學(xué)之前，“現(xiàn)代控制理論”課程采用的一直都是中文教材?？紤]到該課程雙語(yǔ)教學(xué)的需要，高質(zhì)量的英文原著教材是必需的。為了保證英文教材的內(nèi)容與教學(xué)大綱保持一致，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)國(guó)外的不同的現(xiàn)代控制理論教材進(jìn)行了大量的對(duì)比和調(diào)整。要盡可能使用與電氣專業(yè)相似用詞習(xí)慣的原版教材，這樣可以保證在有限的教學(xué)課時(shí)情況下，電氣工程專業(yè)的學(xué)生可以很熟練地掌握專業(yè)詞匯的用法。同時(shí)，這本教材需要在中國(guó)有一定的知名度，這樣團(tuán)隊(duì)教師可以很快了解和熟悉英文教材的內(nèi)容。最終作者團(tuán)隊(duì)選擇了英文教材[4]為“現(xiàn)代控制理論”課程雙語(yǔ)教學(xué)的教材。

2.講授內(nèi)容的合理調(diào)整。由于國(guó)外大學(xué)在專業(yè)設(shè)置、培養(yǎng)方案和模式、人才培養(yǎng)要求和教學(xué)方式放上，與我國(guó)大學(xué)存在較大差異，盡管作者團(tuán)隊(duì)已經(jīng)較合理選擇了教材，但是外文教材內(nèi)容與我國(guó)電氣工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容上存在一定的差異，這就導(dǎo)致教材相關(guān)知識(shí)點(diǎn)也存在一些遺漏和重疊。比如，中文教材對(duì)現(xiàn)代控制理論的發(fā)展進(jìn)行闡述時(shí)，多是從控制起源，結(jié)合一些歷史人物和相關(guān)的事件，如北宋蘇頌等利用反饋原理制作的水運(yùn)儀象臺(tái)，瓦特利用離心調(diào)速器發(fā)明的蒸汽機(jī)，勞斯-赫爾維茨提出的頻域形式的穩(wěn)定性判據(jù)，以及李雅普諾夫提出的李雅普諾夫穩(wěn)定性理論等概述性的知識(shí)進(jìn)行介紹的。這樣可以讓學(xué)生充分了解現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展的歷史脈絡(luò)，同時(shí)，結(jié)合一些有趣的歷史事件，對(duì)狀態(tài)變量、狀態(tài)空間和反饋等一些重要的概念有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。而該英文教材盡管也介紹了一些現(xiàn)代控制方法和控制系統(tǒng)的一些主要的定義或者定理，但是并不是按照這種歷史脈絡(luò)的角度，而是從數(shù)學(xué)的角度。作者團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，為了讓電氣專業(yè)的學(xué)生更好地掌握這些相對(duì)枯燥的概念，則有必要弱化它的數(shù)學(xué)的含義，而凸顯它的控制部分。但是后續(xù)的關(guān)于系統(tǒng)能控性/能觀性和李雅普諾夫穩(wěn)定性分析的主要內(nèi)容介紹等基本上與作者團(tuán)隊(duì)之前采用的教材一致。

另外，所選英文教材內(nèi)容比較豐富，篇幅比較長(zhǎng)，教材中有些內(nèi)容需要應(yīng)用的矩陣論知識(shí)比較多，難度比較高，如教材中介紹關(guān)于高階微分方程轉(zhuǎn)換成狀態(tài)方程部分，針對(duì)輸入部分有微分的情況，以及針對(duì)復(fù)雜非線性系統(tǒng)，如何通過李雅普諾夫穩(wěn)定性原理判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題，對(duì)于電氣專業(yè)學(xué)生而言，一般不容易完全掌握。為此，筆者教學(xué)團(tuán)隊(duì)，參照課時(shí)情況，對(duì)該英文教材內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如簡(jiǎn)化了線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解和零極點(diǎn)相消等部分內(nèi)容。凸顯現(xiàn)代控制理論方法的核心思想——狀態(tài)空間法，以滿足課程大綱的要求。

3.課件制作和現(xiàn)代控制實(shí)驗(yàn)開發(fā)。由于該本英文教材沒有相應(yīng)的諸如PPT、程序和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等教學(xué)用的輔助資源，作者的教學(xué)團(tuán)隊(duì)在消化吸收英文教材后，并基于前期的研究性教學(xué)的成果[5]，開發(fā)了雙語(yǔ)教學(xué)多媒體課件。同時(shí)，在該雙語(yǔ)教學(xué)的課件，作者團(tuán)隊(duì)還將團(tuán)隊(duì)早期收集的一些參考資料中的精髓內(nèi)容也以最合適的方式得到了呈現(xiàn)。

作者團(tuán)隊(duì)在近五年的現(xiàn)代控制理論課程講授過程中發(fā)現(xiàn)，非常有必要開發(fā)現(xiàn)代控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，尤其是基于雙語(yǔ)教學(xué)要求下，這樣有助于學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論課程的內(nèi)容。但是，在此這前揚(yáng)州大學(xué)水利與能源工程學(xué)院電氣工程系，在該課程上，一直沒有相應(yīng)配套的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。為此，作者團(tuán)隊(duì)教師設(shè)計(jì)提供了倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為雙語(yǔ)教學(xué)的現(xiàn)代控制仿真提供了驗(yàn)證平臺(tái)。學(xué)生在進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，可以用上該課程多個(gè)核心內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)：系統(tǒng)能控性/能觀性、穩(wěn)定性分析和系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制設(shè)計(jì)等。同時(shí)，倒立擺系統(tǒng)與雜技中的頂桿平衡等有異曲同工之處，極具趣味性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

同時(shí)，在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，要求學(xué)生對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。采用多種途徑，比如圖書館查找資料、網(wǎng)上搜集材料等，進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，并鼓勵(lì)學(xué)生將一些與教材的不同之處反映在報(bào)告中，以提高學(xué)生善于思考和勇于提出不同見解的能力。比如，在“李雅普諾夫穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)”中要求學(xué)生采用第一法和第二法分別對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證，尤其是穩(wěn)定裕度的闡述，仔細(xì)對(duì)比兩種方法驗(yàn)證的結(jié)果，總結(jié)二者之間的區(qū)別和聯(lián)系。在“狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”中要求學(xué)生結(jié)合仿真結(jié)果分析零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)要求學(xué)生結(jié)合“自動(dòng)控制原理”課程所學(xué)的PID方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，總結(jié)現(xiàn)代控制理論方法的優(yōu)勢(shì)所在。通過自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證平臺(tái)，不僅完成了雙語(yǔ)教學(xué)的課程內(nèi)容，同時(shí)讓學(xué)生熟悉了如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)代控制技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析，熟悉了Matlab/Simulink這一科研工程中應(yīng)用最廣泛的計(jì)算軟件，包括與現(xiàn)代控制課程密切相關(guān)的LMI，系統(tǒng)辨識(shí)等工具箱。

4.靈活多變的雙語(yǔ)教學(xué)方式的應(yīng)用。針對(duì)雙語(yǔ)教學(xué)的特點(diǎn)，較之之前的“現(xiàn)代控制理論”課程，作者團(tuán)隊(duì)采用更為靈活的教學(xué)方式。選擇一些經(jīng)典的控制系統(tǒng)例子，課堂中采用邊教學(xué)邊實(shí)踐的形式。另外，還采取課堂教學(xué)與討論同時(shí)進(jìn)行，尤其注重課外閱讀和小組討論相結(jié)合的方式，采用平時(shí)考核和集中考試同等重要等手段，逐步提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。例如，布置一項(xiàng)課外作業(yè)，也傳統(tǒng)的課外作業(yè)不一樣，采用開放的形式。翻譯一段作者團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)的內(nèi)容，該部分內(nèi)容涉及一個(gè)倒立擺系統(tǒng)如何保持平衡的問題，并模擬雜技表演的模式進(jìn)行介紹，學(xué)生不僅完成了作業(yè)，了解倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，同時(shí)學(xué)生也增加了對(duì)現(xiàn)代控制理論的具體應(yīng)用的興趣。

四、結(jié)束語(yǔ)

在雙語(yǔ)教學(xué)要求下，在學(xué)習(xí)中如何采用該理論的內(nèi)容解決電氣工程相關(guān)課程的實(shí)際問題，一直是作者團(tuán)隊(duì)在課程教學(xué)中討論的問題。盡管團(tuán)隊(duì)至今已經(jīng)為四屆學(xué)生開展了現(xiàn)代控制理論課程講授。結(jié)合電氣專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)于現(xiàn)代控制理論的教學(xué)安排，學(xué)生和各級(jí)督導(dǎo)都普遍反映較好。尤其是經(jīng)過雙語(yǔ)教學(xué)的探索，學(xué)生逐漸達(dá)到了聽說讀寫等幾個(gè)方面的要求，比較好地掌握了現(xiàn)代控制理論中的線性系統(tǒng)理論的核心內(nèi)容。大部分學(xué)生能夠很好地完成英文教材和老師布置的任務(wù)，通過仿真實(shí)驗(yàn)以及撰寫報(bào)告和大作業(yè)等各種考核形式，達(dá)到了該雙語(yǔ)教學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)。

本文提出的雙語(yǔ)教學(xué)的一系列舉措，通過選擇合適的教材，對(duì)相關(guān)教材的內(nèi)容進(jìn)行合理的調(diào)整，并把原本抽象且枯燥的知識(shí)點(diǎn)和定理通過形象生動(dòng)地實(shí)驗(yàn)講授給學(xué)生，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。如何在教學(xué)中不斷積累，逐步完善教學(xué)手段，更好地提升雙語(yǔ)教學(xué)教學(xué)改革的效果，將是作者團(tuán)隊(duì)一個(gè)值得繼續(xù)努力的工作。

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Abstract：Considering the characteristics of the knowledge structures of the electrical engineering students and modern control theory course，the course teaching problems under bilingual education demand are discussed in this paper. Through the teaching innovation and the experimental set-up building，several effective teaching ways are summarized in this paper，which are analyzed and introduced in detail. These strategies include the flexible employing of the teaching methods for bilingual teaching，the reasonable choosing and adjusting of the contents of English teaching materials，developing bilingual-teaching based multimedia software and simulation/experiment systems.

Key words：bilingual education；"Modern Control Theory"；English teaching material；teaching innovation