新工科背景下《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)改革與教材建設(shè)

【摘要】 ? ?為了適應(yīng)新工科對(duì)人才提出的新要求，加強(qiáng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，本文依托陜西省精品在線開放課程建設(shè)項(xiàng)目，從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、課程過程化考核和教材建設(shè)等方面對(duì)《現(xiàn)代控制理論》課程做了一些改革和實(shí)踐，取得了良好的建設(shè)成效。

【關(guān)鍵詞】 ? ?新工科 ? ?現(xiàn)代控制理論 ? ?教學(xué)改革 ? ?過程化考核 ? ?教材建設(shè)

引言：

為了適應(yīng)新工科對(duì)人才提出的新要求，必須加強(qiáng)工科課程的教學(xué)改革和創(chuàng)新，同時(shí)加強(qiáng)適應(yīng)新工科要求的教材建設(shè)[1-3]。

《現(xiàn)代控制理論》是我校自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，又往往是控制科學(xué)與工程及相關(guān)學(xué)科的碩士生入學(xué)考試的課程。本課程講授了現(xiàn)代控制理論的基本知識(shí)及方法，以及相關(guān)理論在工程中的應(yīng)用。該課程以狀態(tài)空間描述為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合?！冬F(xiàn)代控制理論》中有大量的定理、定義以及對(duì)定理的證明，理論性強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易陷入到對(duì)理論的理解和對(duì)定理的證明中，而忽略了這些理論在工程中的應(yīng)用[4]。

目前我校的現(xiàn)代控制理論的課程尚缺乏一本適合我校學(xué)生的新工科理念的《現(xiàn)代控制理論》教材;教學(xué)方法單一;課程中沒有教授用Matlab分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng);學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法單一，缺少過程性評(píng)價(jià)，教師不能及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況[5]。

鑒于以上原因，迫切需要對(duì)《現(xiàn)代控制理論》課程進(jìn)行教學(xué)改革，建設(shè)適應(yīng)新工科要求的教材，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。本文依托陜西省精品在線開放課程建設(shè)項(xiàng)目，優(yōu)化和建設(shè)教學(xué)資源，改革現(xiàn)有的教學(xué)方法，開發(fā)適合新工科需求的、有利于提高學(xué)生工程應(yīng)用能力的《現(xiàn)代控制理論》教材。

一、新工科背景下《現(xiàn)代控制理論》的教材建設(shè)

為了使學(xué)生更好地掌握《現(xiàn)代控制理論》的知識(shí)點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的工程應(yīng)用能力，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)總結(jié)了二十多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并參考了現(xiàn)有的《現(xiàn)代控制理論》教材，編寫完成了《現(xiàn)代控制理論》校內(nèi)講義手稿，經(jīng)過在本校自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)試用，不斷總結(jié)和改進(jìn)，多次聘請(qǐng)專家修改和審閱，完成了該教材的編寫，目前該教材初稿已經(jīng)交送給出版社，計(jì)劃于2021年9月出版。該教材結(jié)合自動(dòng)化類及相關(guān)專業(yè)本科生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和今后工程應(yīng)用的需要，以現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法為主線，主要介紹控制系統(tǒng)的分析和綜合，包括動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的定量分析（狀態(tài)方程的解）和定性分析（能控性、能觀測(cè)性及李雅普諾夫穩(wěn)定性方法），以及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的綜合（狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)）等主要內(nèi)容。鑒于Matlab已成為國(guó)際控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的工具軟件，該教材在保證理論知識(shí)體系完整的前提下，每章加入了Matlab應(yīng)用和相應(yīng)的工程應(yīng)用案例。

同時(shí)教材每章都以一階倒立擺作為工程實(shí)例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，將理論應(yīng)用于解決工程實(shí)際問題，培養(yǎng)其工程應(yīng)用能力。

同時(shí)借鑒參考國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀教材，引入了較多的工程應(yīng)用實(shí)例，這些工程實(shí)例有，磁盤驅(qū)動(dòng)器讀取系統(tǒng)、潛艇的深度控制、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等，以便培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。教材中每章的課后習(xí)題都有基礎(chǔ)題和提高題目，使學(xué)生既能夯實(shí)基礎(chǔ)又可以鞏固提升。教材的附錄中給出了現(xiàn)代控制理論相關(guān)術(shù)語(yǔ)的中英文對(duì)照以及現(xiàn)代控制理論關(guān)鍵定理的英文定義。

二、SPOC模式下的《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)改革

2.1 教學(xué)理念與教學(xué)方法改革

對(duì)于本課程中的一些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，比如狀態(tài)空間表達(dá)式、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、線性系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器等引入“MOOC（SPOC）+翻轉(zhuǎn)課堂”模式，其余教學(xué)內(nèi)容采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，將傳統(tǒng)教學(xué)模式和“MOOC（SPOC）+翻轉(zhuǎn)課堂”模式有機(jī)結(jié)合，既充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、樂于展示自我的意識(shí)和能力，又防止可能會(huì)有部分學(xué)生不適應(yīng)或在短時(shí)間內(nèi)不適應(yīng)翻轉(zhuǎn)課堂這種新的教學(xué)模式，從而導(dǎo)致跟不上課程的節(jié)奏和進(jìn)度，學(xué)習(xí)壓力大，反而對(duì)學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果起到了負(fù)面作用。

突出以“學(xué)生為中心”。學(xué)生首先要轉(zhuǎn)變思想，將原來“滿堂灌”式教學(xué)中被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)生成為課堂的主體，積極參與課堂教學(xué)活動(dòng)[6-8]。

學(xué)生在上課前通過學(xué)習(xí)通或中國(guó)大學(xué)MOOC等平臺(tái)查看并完成網(wǎng)絡(luò)自學(xué)任務(wù)，接著完成作業(yè)，并上傳或提交給老師。課中，首先教師對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講解，然后讓同學(xué)們對(duì)課前的大作業(yè)進(jìn)行充分討論，在討論中教師引導(dǎo)學(xué)生解決作業(yè)中的問題;對(duì)于像矩陣A的特征值和特征向量這樣簡(jiǎn)單或在其他課程中接觸過的內(nèi)容，讓學(xué)生分組分任務(wù)講解該部分內(nèi)容，教師作為輔助角色，在學(xué)生沒有講解清楚或有誤的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生解決問題。課后，學(xué)生針對(duì)在課堂中未掌握的知識(shí)點(diǎn)，可以通過觀看中國(guó)大學(xué)MOOC中本校的《現(xiàn)代控制理論》在線開放課程進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，也可以通過課程平臺(tái)提問或討論。

2.2充分利用MOOC資源優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

本課程的在線學(xué)習(xí)資源結(jié)合本校自動(dòng)化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，采用課題組在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)建立的現(xiàn)代控制理論課程。

1.對(duì)教學(xué)大綱中規(guī)定的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，如基本概念、基本原理和基本方法，利用MOOC資源，設(shè)計(jì)問題，讓學(xué)生帶著問題在網(wǎng)絡(luò)上先自學(xué)，上課時(shí)教師在講深講透這些內(nèi)容的同時(shí)，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生討論提前布置的問題，課堂上實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生自己講授，或者和同學(xué)們討論這部分教學(xué)內(nèi)容，以便使學(xué)生更好地掌握這些重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容。

2.對(duì)于教學(xué)大綱中只做了解和一般性了解的內(nèi)容，采用設(shè)疑+線上自學(xué)+提問+總結(jié)的模式，即提前將問題留給學(xué)生，讓學(xué)生利用MOOC資源自學(xué)，上課時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生回答問題再總結(jié)，這樣可以充分利用課堂時(shí)間，達(dá)到在削減學(xué)時(shí)的同時(shí)，保質(zhì)保量完成教學(xué)大綱要求的內(nèi)容。

3.將Matlab引入到課程中，使學(xué)生能直觀理解控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。

2.3淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明

對(duì)于該課程中的有些理論推導(dǎo)較繁瑣的內(nèi)容，比如能控性和能觀測(cè)性的Gram矩陣判據(jù)等，授課中改變現(xiàn)有板書教學(xué)方式，采用多媒體教學(xué)，充分利用MOOC資源，補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)資料，讓學(xué)生在線上自學(xué)，教師在線下引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明，突出工程應(yīng)用。

2.4推行課程的過程化考核方式

教學(xué)過程中采用過程性評(píng)價(jià)方式，教師可以隨時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，根據(jù)課程的過程性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整授課方式和進(jìn)度，從多環(huán)節(jié)多維度考察學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

本學(xué)期現(xiàn)代控制理論課程考核方式采取線上成績(jī)和線下成績(jī)相結(jié)合的方式，包括平時(shí)成績(jī)占30% ，作業(yè)成績(jī)占20%，期末考試為線下成績(jī)占50%。其中平時(shí)成績(jī)包括線上成績(jī)和線下成績(jī)兩部分，包括簽到、課堂測(cè)驗(yàn)、中國(guó)大學(xué)MOOC線上視頻學(xué)習(xí)、課堂討論、搶答等，每次上課通過學(xué)習(xí)通平臺(tái)進(jìn)行學(xué)生線下課程的簽到，并通過學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布隨堂測(cè)驗(yàn)，學(xué)生的作業(yè)分為線上作業(yè)和線下作業(yè)，線上作業(yè)學(xué)生通過學(xué)習(xí)通平臺(tái)提交，由老師進(jìn)行批改得分。

四、結(jié)論

根據(jù)新工科建設(shè)的要求，結(jié)合《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)實(shí)踐，闡述了教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、課程過程化考核、教材建設(shè)等方面的一些改革和實(shí)踐，通過課程建設(shè)和改革，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性，促進(jìn)了學(xué)生綜合素質(zhì)的提升，培養(yǎng)了學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[2] 曹婷，曹原.“新工科”背景下通信原理的課程優(yōu)化[J].價(jià)值工程，2018，37（03）： 258-259.

[3] 張青春，紀(jì)劍祥，陳云.新工科背景下自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)改革與教材建設(shè)[J].教書育人（高教論壇），2018（24）：92-93.

[4] 閆茂德，柯偉，楊盼盼.《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)的改革與建設(shè)實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2017（17）：109-111.

[5] 韓靜，梁春英，懷寶付，劉超，許秀英.基于學(xué)習(xí)通的現(xiàn)代控制理論課程研究性教學(xué)模式探索[J].中國(guó)多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)（上旬刊），2018（04）：7-8.

[6] 王競(jìng)梅.基于SPOC的開放大學(xué)混合式教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2019（26）：78-82.

[7] 曾明星，李桂平，周清平，覃遵躍，徐洪智，張彬連，黃云，郭鑫.從MOOC到SPOC：一種深度學(xué)習(xí)模式建構(gòu)[J].中國(guó)電化教育，2015（11）：28-34+53.

[8] 梅燁，羅敏，田艷芳，等.《電路分析》課程教學(xué)的改革與建設(shè)實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016，（37）：122-123.

基金項(xiàng)目：陜西科技大學(xué)2019年教學(xué)改革研究項(xiàng)目（19Y074）;陜西科技大學(xué)2020年一流本科線上線下混合式課程建設(shè)項(xiàng)目

亢潔（1973-），女，陜西省潼關(guān)縣人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺和智能控制方面的教學(xué)和研究工作。