理論與實(shí)踐相結(jié)合的“現(xiàn)代控制理論”課程研究性教學(xué)方法初探

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 上海 200093）

0 引言

“現(xiàn)代控制理論”是為自動(dòng)化的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程在自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)狀態(tài)空間方程、系統(tǒng)的能控能觀和穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)的極點(diǎn)配置、解耦、最優(yōu)控制等問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生在面對(duì)工業(yè)系統(tǒng)時(shí)，建立系統(tǒng)分析模型、分析設(shè)計(jì)控制器的能力，為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。該門課程涉及較多的矩陣論、高等數(shù)學(xué)、最優(yōu)化等知識(shí)，理論性較強(qiáng)，而且課程內(nèi)容較多，又多是公式的推導(dǎo)，非常的抽象，這些原因共同作用，對(duì)于學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率的提升，從理解能力、應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力等方面都存在一定的難度。在建設(shè)應(yīng)用型本科和社會(huì)對(duì)創(chuàng)新人才客觀要求的雙重需求下，如何有效提高學(xué)生對(duì)“現(xiàn)代控制理論”課程學(xué)習(xí)的興趣，形成良好的教學(xué)效果，是一個(gè)具有重要理論與實(shí)現(xiàn)意義的課題。

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，本論文將具體案例引入課堂教學(xué)，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的策略，實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)代控制理論”課程的研究性教學(xué)策略。研究性教學(xué)策略與傳統(tǒng)教學(xué)策略的最大區(qū)別在于，其更多的關(guān)注在學(xué)習(xí)過(guò)程、知識(shí)應(yīng)用以及學(xué)生的參與程度上，能夠更為有效的培養(yǎng)學(xué)生的興趣，將學(xué)生牢牢的吸引在課堂之中，激發(fā)學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)用于實(shí)際應(yīng)用中，使學(xué)生能夠?qū)⒄n本所學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型大學(xué)教育的目標(biāo)，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)高校培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才的客觀要求和大學(xué)生全面發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。

1 存在的問(wèn)題

1.1 課程內(nèi)容涉及理論知識(shí)多且難

教學(xué)內(nèi)容上，課程內(nèi)容的理論性強(qiáng)，以“線性代數(shù)”、“自動(dòng)控制原理”、“高等數(shù)學(xué)”等課程為基礎(chǔ)知識(shí)，而這些先修課程本身就比較有難度，很多學(xué)生掌握的并不扎實(shí)，即使掌握扎實(shí)的同學(xué)也可能是僅僅會(huì)做題目，并不能很好的應(yīng)用在其他相關(guān)課程上，甚至出現(xiàn)很多知識(shí)已經(jīng)忘記的情況。換句話說(shuō)，現(xiàn)代控制理論課程要求學(xué)生具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力，并能夠?qū)⒁延械闹R(shí)熟練的進(jìn)行運(yùn)用，對(duì)于很多學(xué)生來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)的難度較大。

1.2 教學(xué)形式單一

教學(xué)方式上，由于這門課程涉及的很多知識(shí)和定理是通過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到的，因此理論和結(jié)論并不直觀，要求學(xué)生通過(guò)思考得到相應(yīng)的定理是有難度的。因此，常用的教學(xué)方式是以講授為主，通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)將定理傳授給學(xué)生。但是“填鴨”式的灌輸過(guò)程由于將現(xiàn)成的結(jié)論告訴學(xué)生，造成學(xué)生不主動(dòng)地進(jìn)行思考和分析，同時(shí)在講授定理的過(guò)程中，由于相對(duì)枯燥，而且內(nèi)容難度較高，造成同學(xué)因?yàn)榭床欢呱裆踔敛辉敢鈱W(xué)習(xí)；教學(xué)效果上，學(xué)生只是通過(guò)死記硬背記住了若干公式定理，并不理解這些公式定理的內(nèi)涵，不明白這些公式有什么用處。面對(duì)工業(yè)實(shí)際時(shí)，難以運(yùn)用相關(guān)的理論去解決實(shí)際的工業(yè)控制問(wèn)題，甚至搞不清楚哪一個(gè)才是控制器。

1.3 課程實(shí)踐內(nèi)容較少

現(xiàn)代控制理論課程中由于課時(shí)等原因，將主要精力用于傳授理論知識(shí)，缺少實(shí)踐應(yīng)用，這就造成了兩方面的現(xiàn)象：一是學(xué)生只知道點(diǎn)不知道面，不知道一個(gè)具體的理論如何在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行應(yīng)用。比如，在講授構(gòu)建系統(tǒng)反饋時(shí)，很多同學(xué)會(huì)困惑，我得到的新系統(tǒng)還是原來(lái)的系統(tǒng)么以及在真實(shí)情況下的系統(tǒng)反饋是什么樣子的。二是由于缺少應(yīng)用，如果這門課程不落實(shí)在具體的應(yīng)用上，學(xué)生沒(méi)有直觀的認(rèn)識(shí)，那么就造成學(xué)生對(duì)這門課程的不了解，進(jìn)而導(dǎo)致不感興趣，對(duì)課程的學(xué)習(xí)具有抵觸情緒。

1.4 手機(jī)等電子產(chǎn)品易分散精力

隨著智能手機(jī)的普及，手機(jī)除了通話、短信等傳統(tǒng)功能外，更有娛樂(lè)視頻、游戲應(yīng)用等各種功能，這些都比枯燥的課程學(xué)習(xí)內(nèi)容要更為有趣。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的一種情況就是，手機(jī)的微信聲音一響，學(xué)生就趕緊看一下手機(jī)，但是我們的課程公式的推導(dǎo)都是一步挨著一步的，而且內(nèi)容較難，涉及的理論知識(shí)較多，學(xué)生走神兩分鐘，后續(xù)的知識(shí)就聽(tīng)不懂。也就是說(shuō)，相對(duì)較難的內(nèi)容和智能手機(jī)的普及，導(dǎo)致學(xué)生聽(tīng)課的專注度不高,部分學(xué)生難以掌握課程內(nèi)容。而且，學(xué)生們課下玩手機(jī)的時(shí)間也普遍比較多，一個(gè)人的精力總是有限，這導(dǎo)致仔細(xì)琢磨課程內(nèi)容的時(shí)間變少，以至于即使部分學(xué)習(xí)努力的同學(xué)雖然能記住了各個(gè)章節(jié)的理論知識(shí),但并沒(méi)有去深入的思考和琢磨課程內(nèi)容，缺乏對(duì)內(nèi)容的深刻理解,也很難將其與工程實(shí)踐有效結(jié)合，與應(yīng)用型本科的培養(yǎng)目標(biāo)相違背。

2 改進(jìn)的方法

在現(xiàn)代控制理論教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用研究性教學(xué)方法，通過(guò)案例教學(xué)、理論與實(shí)踐相結(jié)合策略，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高學(xué)生自主分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案的能力。

2.1 案例教學(xué)方法

由于現(xiàn)代控制理論課程包含了眾多抽象晦澀的定理和公示，直接填鴨式的灌輸這些知識(shí)給學(xué)生，往往造成教學(xué)效果差等情況。因此，在研究性教學(xué)過(guò)程中，我們?cè)O(shè)立倒立擺、球板系統(tǒng)、汽車懸架系統(tǒng)等案例，通過(guò)對(duì)這些案例系統(tǒng)的建模、分析和控制，將我們課程中所學(xué)的知識(shí)，比如反饋、觀測(cè)器、最優(yōu)控制等概念都用在這些實(shí)際的系統(tǒng)上，學(xué)生可以感受到我們所學(xué)的現(xiàn)代控制理論就是從我們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣?huì)需要中來(lái)的，并不是抽象的、虛無(wú)縹緲的。

2.2 復(fù)雜理論形象化

現(xiàn)代控制理論課程學(xué)習(xí)中，很多同學(xué)只關(guān)注在記住理論的公式本身，而不注意為什么是這樣子的公式，這個(gè)理論背后表征的物理意義是什么，因此對(duì)本門課程的意義缺乏深入的和形象的認(rèn)識(shí)。因此，在講授某些難以理解的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)引入生活中的例子，方便學(xué)生的來(lái)掌握。例如，筆者講到什么是可控時(shí)，會(huì)用“可控就是可以控制”這種語(yǔ)言向?qū)W生進(jìn)行解釋，而不僅僅是介紹課本上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)逎母拍睿辉诮淌诶顏喥罩Z夫穩(wěn)定性時(shí)，筆者會(huì)從能量的角度出發(fā)介紹李亞普諾夫第二法背后蘊(yùn)含的物理意義。通過(guò)復(fù)雜理論形象化，學(xué)生會(huì)有直觀認(rèn)識(shí)，對(duì)理論學(xué)習(xí)有促進(jìn)作用。同時(shí)，在理論講解時(shí)，由于課時(shí)的原因，既然增加了案例教學(xué)和復(fù)雜理論形象化的內(nèi)容，那么我們將弱化一些理論的推導(dǎo)過(guò)程，取而代之的是給以自學(xué)材料，讓學(xué)有余力和興趣濃厚的同學(xué)自已學(xué)習(xí)公式和理論的推導(dǎo)。這樣做的好處是：一方面避免因?yàn)榭菰锒^(guò)難得理論推導(dǎo)影響部分同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣；二是留出足夠的課時(shí)給案例教學(xué)和形象教學(xué)。

2.3 考核機(jī)制多樣化

研究性教學(xué)策略具有關(guān)注在學(xué)習(xí)過(guò)程、知識(shí)應(yīng)用以及學(xué)生的參與程度上的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的考核機(jī)制更為側(cè)重學(xué)生的應(yīng)試能力，不關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和創(chuàng)新能力，存在著評(píng)價(jià)方法單一化的問(wèn)題，難以適應(yīng)研究性的教學(xué)策略，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的考核機(jī)制。同時(shí)，合理的考核機(jī)制也會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

在現(xiàn)代控制理論研究性教學(xué)策略的探索中，采用多種評(píng)價(jià)手段評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合素質(zhì)，如通過(guò)平時(shí)作業(yè)、項(xiàng)目研究、實(shí)踐分析、撰寫論文、答辯討論等，考核學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維。同時(shí)，考試中減少細(xì)枝末節(jié)、死記硬背的命題形式，而轉(zhuǎn)向開(kāi)放的創(chuàng)造性的問(wèn)題。

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)“現(xiàn)代控制理論”課程脫離實(shí)踐、過(guò)于抽象的弊端，通過(guò)設(shè)計(jì)案例教學(xué)方法、復(fù)雜理論形象化、考核機(jī)制多樣化等教學(xué)改革策略，形成“現(xiàn)代控制理論”課程理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究性課程教學(xué)氛圍，將學(xué)生牢牢吸引在課程上，使學(xué)生能夠?qū)⒄n本所學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型大學(xué)教育的目標(biāo)，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)高校培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才的客觀要求和大學(xué)生全面發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。