師范院?，F(xiàn)代控制理論課程教學改革探討

吳 博，詹習生

(湖北師范大學機電與控制工程學院，湖北 黃石 435002)

師范院?，F(xiàn)代控制理論課程教學改革探討

吳 博，詹習生

(湖北師范大學機電與控制工程學院，湖北 黃石 435002)

為適應社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的要求，各高校對教學改革進行了廣泛的研究與探討?，F(xiàn)代控制理論是自動化專業(yè)的基礎(chǔ)課程，為了提高學生的專業(yè)能力，針對目前現(xiàn)代控制理論教學中存在的一些問題，結(jié)合師范院校教學情況，分別從理論教學和實驗教學兩方面對本課程教學改革進行研究，包括優(yōu)化教學內(nèi)容、改革教學過程、完善考核方式，提高對實驗環(huán)節(jié)重視和改革。

現(xiàn)代控制理論; 理論教學改革; 實驗環(huán)節(jié)改革; 互聯(lián)網(wǎng)

隨著控制理論在軍事、醫(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用和發(fā)展，對控制系統(tǒng)的要求越來越高，傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論在處理多變量、復雜、非線性系統(tǒng)等問題時難以滿足控制目標，而現(xiàn)代控制理論在處理這類問題時卻能取得到令人滿意的結(jié)果[1]?，F(xiàn)代控制理論作為新興的學科，自上世紀60年代起，在自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展，對現(xiàn)代科學技術(shù)的進步做出巨大貢獻。隨著科學技術(shù)的進步和發(fā)展，科研和工程領(lǐng)域?qū)邆涓咚刭|(zhì)、創(chuàng)新性的自動化專業(yè)技術(shù)人才的需求逐漸加大，而現(xiàn)代控制理論課程作為高校自動化專業(yè)的主要課程，與信息科學、計算機科學、能源科學以及電子科學交叉融合[2]，對許多自動化專業(yè)的問題提出了更為簡單有效的解決辦法，對培養(yǎng)學生的專業(yè)能力起著舉足輕重的作用。

為了適應社會科技發(fā)展，對科研和工程技術(shù)人才的要求日新月異，師范院校必須與時俱進，努力提高學生的專業(yè)能力，與其相應的人才培養(yǎng)機制改革也勢在必行。教學作為人才培養(yǎng)的最直接有效的途徑，為適應改革新形勢，也必須提出新的要求?，F(xiàn)代控制理論課程作為自動化專業(yè)的必修課程，許多高校相關(guān)專業(yè)都在其教學方面作了深刻的研究和探討[3][4]。現(xiàn)代控制理論課程的教學改革在提高自動化專業(yè)學生的專業(yè)能力方面起著非常重要的作用，結(jié)合近幾年的教學實踐，本文針對該課程理論教學和實驗教學過程中存在的一些問題展開相應的研究和探討。

1 現(xiàn)代控制理論教學現(xiàn)狀

現(xiàn)代控制理論課程是自動化專業(yè)的核心課程，該課程分為理論教學和實驗教學，而當前在大部分高校中該課程培養(yǎng)方案均側(cè)重于理論教學，對于該課程的實驗教學卻要求較低?，F(xiàn)代控制理論課程主要是以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計三個方面內(nèi)容：系統(tǒng)建模指根據(jù)實際系統(tǒng)建立系統(tǒng)數(shù)學模型，主要是指系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述，它是系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計的前提；系統(tǒng)分析又分為定量分析和定性分析，前者主要指直接對狀態(tài)方程的求解，從解向量中研究系統(tǒng)的運動特性，后者主要指系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性和能觀性；系統(tǒng)設(shè)計主要指極點配置、觀測器設(shè)計和最優(yōu)控制等問題。該課程整體而言，教學內(nèi)容較多，概念抽象難懂，數(shù)學運算復雜，比較難以學好。

目前，大多數(shù)院校開設(shè)的實驗課程，僅僅是利用Matlab軟件進行簡單的仿真，內(nèi)容簡單、形式單一，對學生實踐能力培養(yǎng)作用并不大。自動化專業(yè)作為工科核心專業(yè)之一，承擔為社會輸出高素質(zhì)人才的重任，為適應當前高校教學改革新形式，借助互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的新契機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展和服務地方，就必須建立側(cè)重于應用，以培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型專業(yè)人才為目標的培養(yǎng)方案。下面本文將針對現(xiàn)代控制理論課程的教學現(xiàn)狀，從理論教學和實驗教學兩方面提出改革思路和建議。

2 現(xiàn)代控制理論教學改革

2.1 理論教學改革

2.1.1 優(yōu)化教學內(nèi)容 現(xiàn)代控制理論課程主要研究線性系統(tǒng)的動態(tài)行為和改變這一形為的可行性和方法，教學內(nèi)容主要是根據(jù)實際系統(tǒng)抽象出數(shù)學模型，通過對數(shù)學模型的定量和定性分析，研究系統(tǒng)的運動規(guī)律，進而設(shè)計出滿足性能指標的系統(tǒng)。根據(jù)前面提到教學內(nèi)容可以知道本課程從頭到尾是一個完整系統(tǒng)設(shè)計的全過程，考慮到一般情況下，學生學習本課程的學時并不足以學完全部課程內(nèi)容，那么按照教學計劃要求，必須對教學內(nèi)容進行選擇，通常將線性定常系統(tǒng)和離散定常系統(tǒng)分析作為必修內(nèi)容，而線性時變及非線性系統(tǒng)分析作為課后選修內(nèi)容。另外，本課程包含大量的定理及概念，而課程的學時不足以講完所有相關(guān)教學內(nèi)容，因此教學中必須在保證教學內(nèi)容的嚴謹性和系統(tǒng)性的前提下，對定理的數(shù)學證明以及概念的公式推導盡可能的不去追尋其數(shù)學上的嚴密性。

2.1.2 改革教學過程 現(xiàn)代控制理論課程的教學內(nèi)容偏向于理論學習，其內(nèi)容涉及大量的概念和定理，要求學生對數(shù)學知識掌握較好，而對于很多學生而言，這正是他們學習的困難之處。如何通過改革教學過程使教學內(nèi)容易懂，更容易被學生接受，從而提高課堂教學質(zhì)量，以及讓學生能夠?qū)W習致用是我們需要思考的問題：

1) 引入應用背景，激發(fā)學習興趣

現(xiàn)代控制理論的大多數(shù)教學內(nèi)容都只是根據(jù)給定的數(shù)學模型做理論闡述和公式推導，很少有將問題的來源和應用背景解釋清楚，如果教師在講解的時候不做說明，僅僅就課本知識進行授課的話，學生面對就是對數(shù)學問題的求解，從而導致忽視問題本身，不清楚為什么要這樣做，這恰恰違背了我們的教學目標。反之，若在講解的時候，適當引入相應知識點的應用背景，不僅可以增進學生對知識的理解和認知，還可以激發(fā)學生的學習興趣，提高課堂教學質(zhì)量。以本課程中狀態(tài)反饋極點配置這部分內(nèi)容為例，適當?shù)囊胂嚓P(guān)應用實例，如工業(yè)鍋爐控制過程中，確定控制目標為輸出熱蒸汽的壓力，考慮以影響因素如汽包水位、過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力及煙氣含氧量構(gòu)成狀態(tài)向量，配置系統(tǒng)極點的目的就使系統(tǒng)的狀態(tài)變量在控制信號的作用下運行到合適的位置，滿足設(shè)計的要求。通過這樣的講解，學生不僅對所學內(nèi)容及其應用有更深刻的認識，還可以認識到該教學內(nèi)容與其它學科之間的聯(lián)系，提高學生的學習興趣。

2) 加強學科交叉，提高專業(yè)能力

隨著社會的進步和發(fā)展，各種學科之間不再局限于單純的某一領(lǐng)域的研究，而是學科之間相互滲透，形成你中有我，我中有你的局面，而且科學上的新理論、新技術(shù)以及新發(fā)明的產(chǎn)生大都是發(fā)生在學科交叉點或其邊緣上[5]。現(xiàn)代控制理論是自動化專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，作為從應用中發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論的拓展和補充，同樣也與其它專業(yè)學科緊密聯(lián)系，通過現(xiàn)代控制理論可以更加方便，簡單和有效的解決這些學科中的一些問題，而通過其它專業(yè)學科的學習也為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展創(chuàng)造條件。如果在課堂教學過程中片面的、孤立的去學習這些知識，不會靈活運用，最后的結(jié)果會是學而無用。因此，通過將這些不同學科的專業(yè)知識創(chuàng)造性的綜合到一起，從各學科實際問題出發(fā)，用現(xiàn)代控制理論的思想去分析和解決這些問題，對提高學生的專業(yè)能力有很大的幫助。

3) 多樣化教學手段，提高學習效率

隨著科技的發(fā)展，如今大多數(shù)課堂教學都有條件采用多媒體教學，通過多媒體教學可以直觀的、形象的把教學內(nèi)容展示給學生，讓學生能夠更好的接受課堂知識，提高學習效率。同樣對于現(xiàn)代控制理論這門課程而言，教學內(nèi)容涉及到很多的概念，定理及數(shù)學公式，采用多媒體教學可以很清晰的將章節(jié)的重要內(nèi)容直觀、有層次的展示給學生，以避免傳統(tǒng)的板書教學帶來時間上的浪費。但是，通過幾年的現(xiàn)代控制理論教學實踐，發(fā)現(xiàn)在教學過程中存在一個嚴重的問題：本課程教學內(nèi)容涉及到大量定理證明和數(shù)學公式推導，如果完全使用多媒體來教學，即使教師講解非常仔細，但是也不是所有的學生都能夠及時理解教學內(nèi)容，跟上教師的進度，因為我們不可能將所有的內(nèi)容都通過PPT給大家演示，尤其是定理證明。因此，在現(xiàn)代控制理論的教學過程中，適當?shù)膶⒍嗝襟w與板書相結(jié)合，通過板書補足多媒體的缺陷，可以提高學生的學習效率。

隨著信息時代的來臨，逐漸普及的互聯(lián)網(wǎng)對傳統(tǒng)教育產(chǎn)生了巨大的影響，使得中國教育進入一場基于互聯(lián)網(wǎng)的變革之中[6]。因此，思考如何充分利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，以傳統(tǒng)教育為基礎(chǔ)，變革教學手段，培養(yǎng)高素質(zhì)人才是當前高校教學的重要任務。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展成熟，如今各種各樣的網(wǎng)絡(luò)教學平臺、網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教學資源、網(wǎng)絡(luò)教學軟件、網(wǎng)絡(luò)教學視頻也被越來越多的學生接受，通過這些豐富的網(wǎng)絡(luò)教育資源不但促進了學生的進步，也對教師的教學理念產(chǎn)生重大影響，通過互聯(lián)網(wǎng)許多在以前難以實現(xiàn)的教學手段也逐漸成為現(xiàn)實，同時，教學中師生的互動也不再局限于課堂，通過互聯(lián)網(wǎng)可以突破時空的限制，使得學生與教師，學生之間幾乎可以隨意的溝通。對于現(xiàn)代控制理論這門課程而言，學生可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)的資源進一步學習本課程相關(guān)的專業(yè)知識，與其他學生教師交流學習心得。因此，通過互聯(lián)網(wǎng)教師的課堂教學會變得更為自如，手段更為豐富，當學生在課堂上能夠獲得他們想要的知識，能夠通過形象的畫面和聲音解開心中的各種疑惑，對課程的學習效率也會大大提高。

2.1.3. 完善考核方式 現(xiàn)代控制理論課程考核方式，通常是平時考勤和期末考試。平時考勤只能夠反映學生有沒有來上課，而不能夠保證學生在課堂上真正學到知識，而期末考試也不能夠全面的考察學生是否對所有知識點都掌握得很好。我們需要這樣一種考核機制，既能夠反映出學生每堂課程的學習情況，也要能夠反映出學生對課程知識的掌握情況。那么，除了平時考勤和期末考試外，可以在平時的課堂教學過程中，通過課堂回答問題、課堂作業(yè)，及課堂實驗等多樣化的考核方法，來全面的考察學生，達到提高學生個人專業(yè)素質(zhì)的目的。

2.2 實驗環(huán)節(jié)改革

現(xiàn)代控制理論的實驗環(huán)節(jié)是該課程教學過程中非常重要的一部分，通過實驗環(huán)節(jié)可以提高學生對課本重點內(nèi)容的理解和掌握，加強學生對知識的靈活運用，促進專業(yè)能力的整體提高。但是很多高校開設(shè)的實驗課程內(nèi)容和形式過于簡單或者偏離實驗的目的，不能夠達到開設(shè)實驗課程的預期目標。實驗內(nèi)容偏重于Matlab仿真軟件的應用，只要求學生掌握相關(guān)的函數(shù)的應用，事實上，Matlab仿真軟件只是我們用來分析和設(shè)計系統(tǒng)的工具，雖然它能夠讓學生更直觀清晰的認知抽象難懂的教學內(nèi)容，但不是我們學習的重點對象，所以在實驗內(nèi)容上需要抓住重點，有的放矢，以教學內(nèi)容為核心，以Matlab仿真軟件為手段，達到提高學生基本實踐能力的目的。下面以狀態(tài)反饋極點配置為例對實驗改革提出思路和方向。

2.2.1 實驗內(nèi)容 首先，精選實驗內(nèi)容。實驗內(nèi)容不僅僅是課本上知識點簡單的選取，既要能夠突出整個教學內(nèi)容重點，通過它又能夠起到鍛煉學生的目的。因此，依據(jù)現(xiàn)代控制理論教學內(nèi)容的脈絡(luò)，從系統(tǒng)的建模、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計三個方面來選取實驗內(nèi)容，包括狀態(tài)空間模型的建立、狀態(tài)空間的求解、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、能控性和能觀性分析、狀態(tài)反饋極點的配置及觀測器的設(shè)計等。其次，優(yōu)化實驗內(nèi)容。實驗內(nèi)容要豐富全面，不僅在內(nèi)容上要體現(xiàn)現(xiàn)代控制理論大綱要求，還要能提高學生的應用能力，在實驗內(nèi)容設(shè)置上，不能單純的只把相關(guān)知識點作為考察對象，還應與本專業(yè)相關(guān)學科相關(guān)聯(lián)，學科交叉融合，真正做到學以致用。例如上面狀態(tài)反饋極點配置，在以前的實驗過程中，只是要求學生利用Matlab仿真工具去按部就班的寫程序代碼，觀察仿真結(jié)果，而不明白為什么要這樣做。為提高學生的應用能力，我們可以通過給出某個應用環(huán)境，讓學生自己去思考，結(jié)合理論知識去探索、總結(jié)。

2.2.2 實驗形式 現(xiàn)代控制理論課程的實驗過程一般都是在計算機上完成，利用Matlab仿真工具中的數(shù)據(jù)庫，調(diào)用已經(jīng)封裝好的具有特定功能的函數(shù)來完成簡單的代碼填寫。這樣的實驗形式對學生來說，即使實驗內(nèi)容得到改進，最終的實驗目標也會達不到要求，結(jié)合現(xiàn)今社會提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”，在實驗形式上也需要結(jié)合新技術(shù)、新手段，給傳統(tǒng)的實驗形式注入新活力。為此，針對本課程新的實驗形式提出下面幾點建議：

1) 建立開放式網(wǎng)絡(luò)實驗平臺。如今，手機、電腦和互聯(lián)網(wǎng)基本上已經(jīng)普及到全部學生，與以前學生必須在學校機房做實驗相比，只要建立好完善的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，學生可以充分合理利用時間，自主的進行實驗，可以做到邊學習邊練習；

2) 建立豐富的實驗資源庫。一方面，學生可以利用該資源庫查詢到豐富的實驗數(shù)據(jù)，不再局限于本校的實驗項目，可以拓寬視野，加深理解；另一方面，實驗教師也可以通過實驗資源庫中的大量的實驗數(shù)據(jù)，對實驗進一步完善，提高實驗準確性；

3) 建立實驗網(wǎng)絡(luò)交流平臺。學生通過網(wǎng)絡(luò)在線交流心得體會，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，而且通過相互交流可以在一定程度上激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，提高創(chuàng)新能力。

2.2.3 實驗考核 實驗考核是實驗課程重要組成部分。只有通過考核，才能反映學生掌握知識和能力的實際情況，以及成績的好壞。因此，在對實驗內(nèi)容和實驗形式提出改革的前提下，實驗考核的方式也需要與時俱進，更具科學性和創(chuàng)新性。對于現(xiàn)代控制理論實驗課程而言，傳統(tǒng)的實驗考核主要由教師檢查學生的仿真結(jié)果是否符合要求，以及考察學生平時的出勤作為學生的最終成績，這種考核方式并不能夠全面真實的反映學生的實際掌握情況。以傳統(tǒng)的考核方式為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)實驗平臺為核心，創(chuàng)造性的運用新技術(shù)，建立完善健全的考評制度，利用網(wǎng)絡(luò)的實時性及交互性，全面真實的對每位學生進行考核。

隨著社會的發(fā)展和進步，對高校人才培養(yǎng)不斷提出新要求，為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，結(jié)合現(xiàn)代控制理論課程的教學現(xiàn)狀，本文分別從該課程的理論教學和實驗教學兩個方面對現(xiàn)代控制理論課程的進行教學改革探討。在改革實踐過程中，通過研究探索發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化教學內(nèi)容，改革教學過程，突破傳統(tǒng)的教學理念，對課程的教學效果有較明顯的提高。

[1]王傳波.現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的對比研究[J]. 機械管理開發(fā),2006,03:6～8.

[2]施頌椒. 現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)(第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009.

[3]鄭志強. “現(xiàn)代控制理論”課程教學改革探索[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(11): 381～383.

[4]高紅霞. “現(xiàn)代控制理論”實驗課程建設(shè)思考與探索[J]. 實驗室科學,2010,13(5): 15～18.

[5]馬廷奇. 交叉學科建設(shè)與拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J]. 高等教育研究,2011,06: 73～77.

[6]解繼麗. “互聯(lián)網(wǎng)+”引領(lǐng)教育改革新趨勢[J]. 楚雄師范學院學報,2015,02: 85～88.

Discussion of teaching reform for modern control theory course

WU Bo,ZHAN Xi-sheng

(College of Mechatronics and Cortrd Engineering Hubei Normal University, 435002)

In order to meet the requirements of personnel training in university for social development, every university has researched and discussed extensively for teaching reform. Modern Control Theory is the basic course for automation specialty. In order to strengthen professional capacity of students, this paper take research on teaching reform between theoretical teaching and experimental teaching for some problems in the teaching of Modern Control Theory in normal colleges now, which including of optimizing the teaching content, reforming of the teaching process, improving assessment methods, improving the importance and reforming of the experiment. These reforms have been proved that it has good teaching effect on training high quality professionals in normal colleges through teaching practice.

modern control theory; reform of theoretical teaching; reform of experimental teaching; internet

2016—10—11

湖北師范學院教學研究基金項目(XJ201337)的研究成果

吳博(1985— )，男，湖北省黃岡人，講師，碩士，主要研究方向是無線傳感器網(wǎng)絡(luò).

G642

A

2096-3149(2017)02- 0097-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.02.021