專題研究式教學(xué)方法在“線性系統(tǒng)理論”課程中的應(yīng)用

張秀宇，祝國強(qiáng)*，李志偉

（東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 吉林 吉林 132012）

在控制領(lǐng)域，“線性系統(tǒng)理論”是學(xué)科的主要分支，并且得到了很好的發(fā)展?！熬€性系統(tǒng)理論”課程的重要性主要體現(xiàn)在其基礎(chǔ)性，在其他控制理論學(xué)科分支中占據(jù)著重要地位，是學(xué)習(xí)與探究其他相關(guān)學(xué)科不可或缺的基礎(chǔ)知識(shí)。

“線性系統(tǒng)理論”課程是控制類相關(guān)碩士研究生的學(xué)位基礎(chǔ)課程，在東北電力大學(xué)（以下簡稱“我校”）已開展多年。然而，從學(xué)生的學(xué)習(xí)情況來看，效果不是十分理想，學(xué)時(shí)結(jié)束后，學(xué)生對(duì)于一些問題仍然一知半解，沒有抓住本質(zhì)。研究生沒有對(duì)概念理解透徹的主要原因是課程內(nèi)容多、基本概念抽象難懂，理論和算法居多。因此，提高課程的教學(xué)質(zhì)量對(duì)研究生培養(yǎng)至關(guān)重要。從課程的長期發(fā)展和學(xué)科的長遠(yuǎn)建設(shè)考慮，以及為滿足新時(shí)代國家在素質(zhì)教育人才培養(yǎng)方面的新要求，高校必須切實(shí)改革現(xiàn)有的教學(xué)形式，探索新的教學(xué)方式，將研究生創(chuàng)新能力和綜合能力的培養(yǎng)放在重要位置。本課程結(jié)合我校電力特色背景，把專題研究式教學(xué)方式應(yīng)用于“線性系統(tǒng)理論”課程，深入探索和實(shí)踐案例實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)手段及模式信息化，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式在一定程度上有了轉(zhuǎn)變，科學(xué)研究能力在課堂教學(xué)中得到了培養(yǎng)，創(chuàng)造性思維能力和分析解決實(shí)際問題的能力得到了提高，以期為其他分支課程，如“智能控制”“魯棒控制”等課程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 專題研究式教學(xué)方法在“線性系統(tǒng)理論”課程中的應(yīng)用與實(shí)踐

研究生教學(xué)工作不同于本科的教學(xué)模式，必須采取與之相符的教學(xué)形式，教學(xué)質(zhì)量才能提高，研究生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性才能提高?！熬€性系統(tǒng)理論”課程作為一門實(shí)踐應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，在基礎(chǔ)理論課程和實(shí)際工程運(yùn)用中起著橋梁的作用，且能培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新思維和科研能力。“線性系統(tǒng)理論”課程已經(jīng)具有完整的體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)容具體，理論算法通俗易懂，采取特殊的專題研究式教學(xué)模式是適宜的。

“線性系統(tǒng)理論”課程選取專題研究式教學(xué)方法，教學(xué)效果顯著提高。此教學(xué)模式是指教師把課本的內(nèi)容劃分為多個(gè)獨(dú)立的專題案例，并對(duì)每個(gè)課題采取專題研究討論的教學(xué)方法，重新整合教材原有的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，將課本中的內(nèi)容與前沿科學(xué)的內(nèi)容相結(jié)合，二者相互促進(jìn)，讓學(xué)生在探索中掌握科學(xué)研究的方法，通過科研來創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)。該方法將研究生科研創(chuàng)新能力拓展到課程學(xué)習(xí)中，使研究生更好地領(lǐng)會(huì)科學(xué)研究的過程及方法，在此過程中，研究生的課題研究能力和基本素養(yǎng)得到了培養(yǎng)，為下一步課題研究奠定了知識(shí)及能力基礎(chǔ)。

1.1 理論與實(shí)踐相結(jié)合

控制系統(tǒng)和控制科學(xué)把線性系統(tǒng)作為基本的研究對(duì)象，在“線性系統(tǒng)理論”的教學(xué)過程中，教師把線性系統(tǒng)建模、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、可控性可觀性以及系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)作為出發(fā)點(diǎn)，將理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合、相互促進(jìn)理念融入實(shí)際教學(xué)過程中。

隨著課程的開展，教師對(duì)課本內(nèi)容進(jìn)行重新規(guī)劃和設(shè)計(jì)，通過講座的形式解釋基本原理、概念與控制思想，且在MATLAB/SIMULINK實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性能分析的仿真實(shí)驗(yàn)，把自己的科研思路及方法融入教學(xué)中，對(duì)研究生的科研思維方式起到啟發(fā)作用，研究生的科研創(chuàng)新能力得到了培養(yǎng)，并為后續(xù)課題研究順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。教師從實(shí)際案例著手，讓研究生充分認(rèn)識(shí)理論結(jié)合實(shí)際的重要性，深入理解理論知識(shí)，與此同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生解決電力生產(chǎn)等實(shí)際問題的能力。

因此，在專題研究式教學(xué)的過程中，堅(jiān)持組織以培養(yǎng)能力為核心的教學(xué)活動(dòng)，在每章內(nèi)容中介紹一些與線性系統(tǒng)密切相關(guān)的最新研究成果。如在講授觀測器理論章節(jié)時(shí)，介紹了若干觀測器研究的最新進(jìn)展；在講授穩(wěn)定性理論時(shí)，通過Lyapunov方法在控制律設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例，深化了學(xué)生對(duì)穩(wěn)定性重要性的認(rèn)識(shí)。引導(dǎo)研究生盡早進(jìn)入研究工作，使其對(duì)研究產(chǎn)生濃厚的興趣是高水平研究生培養(yǎng)的關(guān)鍵。

(2)農(nóng)村環(huán)境治理。目前我國農(nóng)村環(huán)境污染情況日益嚴(yán)峻，隨著各部門對(duì)點(diǎn)源污染的整頓治理，農(nóng)業(yè)面源污染越來越嚴(yán)重，其中農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)用化肥、農(nóng)藥等其他污染物，通過農(nóng)田地下滲透，進(jìn)入水資源而形成的面源污染。另一方面，工業(yè)及城市污染向農(nóng)村轉(zhuǎn)移，農(nóng)村舊污染與新污染相互疊加，這些極大地?fù)p害了農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)過程中所需的土壤條件、氣候條件、水資源條件等。面對(duì)農(nóng)村環(huán)境污染問題，各地區(qū)加強(qiáng)宣傳農(nóng)村環(huán)境保護(hù)工作，完善農(nóng)村環(huán)境保護(hù)政策，加快推進(jìn)農(nóng)村環(huán)境治理相關(guān)措施。因此，本文使用各地區(qū)環(huán)境污染治理投資總額(億元)與各地區(qū)地方財(cái)政支出(億元)比重表示農(nóng)村環(huán)境治理，用x2表示。

2.倡導(dǎo)課程考核評(píng)價(jià)過程化。分析學(xué)生的一般行為習(xí)慣，建立相應(yīng)的學(xué)習(xí)行為評(píng)價(jià)模式。加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程考核，將日?？记凇⒄n堂表現(xiàn)、歸納總結(jié)及實(shí)踐操作等列入考核范圍，據(jù)此對(duì)學(xué)生的整體素質(zhì)進(jìn)行全面考核，并且重視考核結(jié)果的分析、處理和意見反饋，及時(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)和調(diào)整。了解和關(guān)注學(xué)生掌握知識(shí)的手段和過程、學(xué)生融入課堂教學(xué)的廣度和深度，以及學(xué)生在實(shí)踐的過程中分析問題和解決問題的能力。通過考核評(píng)價(jià)來引導(dǎo)學(xué)生展示自己的才能，逐步改善學(xué)習(xí)狀態(tài)，消除厭學(xué)情緒，提高課堂教學(xué)的實(shí)際效果。

1.2 講課和小組討論并施

播前15-20天，選擇一級(jí)脫毒種薯，置于15-20℃散射光下催芽曬種，每隔7-8天翻動(dòng)一次，以保證出芽的均勻性。等大部分薯芽萌動(dòng)后，切塊或整薯播種，單塊重30-40 g，每塊保證1-2個(gè)萌動(dòng)芽，并用草木灰拌種。切塊時(shí)要剔除病爛薯，每切10-15刀換一次刀，用0.5%高錳酸鉀溶液浸泡切刀1-2 min消毒[1]。

以專題研究式教學(xué)方法開展“線性系統(tǒng)理論”課程，能以新的教學(xué)形式提高研究生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，進(jìn)一步提高研究生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

1.4.1 經(jīng)典線性系統(tǒng)理論和現(xiàn)代控制理論融合

教師針對(duì)每一個(gè)課題，采取“講解——研討——實(shí)驗(yàn)”相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)，課堂講解環(huán)節(jié)以“問題的背景、問題的本質(zhì)、思想的解決、解決問題的方法、歸納結(jié)論”五個(gè)步驟為主要內(nèi)容。教師首先提出問題并介紹其背景，對(duì)問題本質(zhì)的提煉進(jìn)行科學(xué)的引導(dǎo)，啟發(fā)研究生尋找解決問題的思路和辦法，并為解決實(shí)際問題提供相應(yīng)的途徑和方法，最后和學(xué)生一同參與歸納總結(jié)。

1.3 教學(xué)與研究并施

在以往的教學(xué)模式中，向研究生講授課本中的概念、定理并給予證明是教師的主要任務(wù)，對(duì)事實(shí)概念和原理記憶、理解并進(jìn)行簡單應(yīng)用是研究生的主要任務(wù)。此教學(xué)模式致使研究生對(duì)于本專業(yè)相關(guān)理論的發(fā)展以及工程實(shí)際運(yùn)用情況不是很了解，“線性系統(tǒng)理論”的教學(xué)易陷入抽象、枯燥的境地，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性很難調(diào)動(dòng)起來，難以達(dá)到培養(yǎng)研究型、創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的目的。

對(duì)于教學(xué)中重理論輕實(shí)踐的問題，教師要結(jié)合學(xué)校電力背景特色，將研究熱點(diǎn)作為背景，理論和實(shí)踐相互結(jié)合，并融合微納米操作機(jī)器人、超高精加工及能源電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組的精準(zhǔn)控制，提高研究生的學(xué)習(xí)興趣，使研究生對(duì)工程實(shí)際系統(tǒng)方面的數(shù)學(xué)建模、可控性分析以及工程穩(wěn)定性分析方面有更加深入的理解，降低課程學(xué)習(xí)難度，提高研究生解決實(shí)際問題的成就感。

1.4 內(nèi)容與方法相結(jié)合

將“線性系統(tǒng)理論”的教學(xué)內(nèi)容分為多個(gè)獨(dú)立的專題案例，并采用研究性的方法對(duì)每一個(gè)專題進(jìn)行教學(xué)。對(duì)課本原有的內(nèi)容和結(jié)果重新整合，并將教材中的內(nèi)容和教材外的前沿科學(xué)工程實(shí)際問題有機(jī)結(jié)合起來。

在課程進(jìn)行時(shí)，教師采用“重點(diǎn)內(nèi)容講授——提出問題——閱讀前沿文獻(xiàn)——學(xué)生小組討論——教師總結(jié)評(píng)價(jià)”模式。首先，教師要提煉出課堂講解的重點(diǎn)內(nèi)容，挑選突出的文獻(xiàn)，圍繞課題涉及的相關(guān)原理和學(xué)習(xí)思路，根據(jù)授課內(nèi)容提出問題，并發(fā)放課前準(zhǔn)備的相關(guān)科研動(dòng)態(tài)文獻(xiàn)。其次，研究生自學(xué)課本和閱讀學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，做好小組討論的準(zhǔn)備。在小組討論中，教師指導(dǎo)學(xué)生從文獻(xiàn)的最新成果、創(chuàng)新角度進(jìn)行探索，積極引導(dǎo)研究生發(fā)表自己的見解，并且適宜地評(píng)價(jià)和補(bǔ)充正在討論的問題。最后，教師進(jìn)行課堂總結(jié)，對(duì)之前課程提出的問題進(jìn)行綜合分析，對(duì)討論過程作評(píng)價(jià)，此種方式能夠加深學(xué)生對(duì)于抽象概念的理解。

在研究生理解線性系統(tǒng)理論的過程中，每一個(gè)專題內(nèi)容的擇取、組織以及教學(xué)都應(yīng)該讓研究生從經(jīng)典線性系統(tǒng)理論內(nèi)容向現(xiàn)代內(nèi)容過渡，這個(gè)過程不能一蹴而就。教師介紹現(xiàn)代控制理論內(nèi)容時(shí)，需要將研究生的認(rèn)知特點(diǎn)作為基礎(chǔ)，從而將經(jīng)典線性系統(tǒng)理論內(nèi)容的歸納和分析作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行講授。

他拿出一個(gè)信封，遞到李萍手里，“我家那口子，沒挺過三年就去了。大家當(dāng)時(shí)湊給我的錢，我都一一還了，這是你的那五百。”

1.4.2 課本和科研論文結(jié)合

專題研究教學(xué)采用科研論文與課本相互融合的方式擇取教學(xué)內(nèi)容，把課本內(nèi)容作為基礎(chǔ)，輔以相關(guān)科研學(xué)術(shù)論文。研究生掌握線性系統(tǒng)理論的基本知識(shí)，含有控制方法的基本概念、理論思想，系統(tǒng)的控制器組成以及設(shè)計(jì)原理和穩(wěn)定性能分析，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)能掌握控制方法的工程運(yùn)用背景、系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)步驟、穩(wěn)定性能的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，領(lǐng)悟有關(guān)理論的發(fā)展及前沿應(yīng)用，將前人的科學(xué)研究思路和解決實(shí)際工程問題的措施領(lǐng)會(huì)于心，提高自己的文獻(xiàn)閱讀能力和科研學(xué)術(shù)能力。在課堂教學(xué)中，教師會(huì)選擇與專題內(nèi)容相關(guān)的文獻(xiàn)，并提前上傳至線上學(xué)習(xí)云端共享，給學(xué)生留出充足的自主學(xué)習(xí)時(shí)間。

1.4.3 靈活選擇教學(xué)形式

當(dāng)年暑假過后，湯甲真回到湖大，組織關(guān)系也秘密轉(zhuǎn)到學(xué)校，由地下黨支部書記周季平與他單線聯(lián)系，開始從事地下活動(dòng)。

以往的教學(xué)形式多數(shù)是教師在課堂上講課，學(xué)生單向被動(dòng)地接受知識(shí)，師生之間、生生之間在學(xué)習(xí)過程中沒有互動(dòng)，致使學(xué)生、師生之間學(xué)習(xí)、探索課程的積極性大大降低。

1.4.4 運(yùn)用信息化教學(xué)手段

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，大規(guī)模開放式在線課程（MOOC）的應(yīng)用，使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的同時(shí)可自行學(xué)習(xí)優(yōu)秀MOOC資源，隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)交流，鞏固課程所學(xué)內(nèi)容。

“雨課堂”教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了上課前后教學(xué)全過程的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的收集及分析，使教師能及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，精準(zhǔn)教學(xué)，讓教和學(xué)的能量最大限度地得到激發(fā)，促進(jìn)教學(xué)手段多樣化，形成全方位評(píng)價(jià)，多通道互動(dòng)。

多爐多機(jī)并列運(yùn)行,當(dāng)任一汽機(jī)遮斷時(shí),本機(jī)排汽對(duì)熱網(wǎng)供汽切斷,且主汽母管憋壓導(dǎo)致壓力迅速飛升,甚至引起PCV動(dòng)作,工質(zhì)快速泄放,使母管上各鍋爐汽包水位大幅波動(dòng),易造成超限保護(hù)動(dòng)作。一臺(tái)或多臺(tái)鍋爐MFT,致使事故進(jìn)一步擴(kuò)大,對(duì)外供汽受到大幅影響,給熱用戶帶來巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,任一汽機(jī)跳閘時(shí)的快速控制十分重要。

教師要開發(fā)課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站，上傳“線性系統(tǒng)理論”系列主要課程教授內(nèi)容及相關(guān)教學(xué)信息，在網(wǎng)站中開發(fā)“線性系統(tǒng)理論習(xí)題練習(xí)模塊”，解決研究生和教師溝通途徑匱乏的難題，方便與研究生的交流。教師要將研究生接受教育后所取得的學(xué)習(xí)成果作為切入點(diǎn)，調(diào)動(dòng)研究生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”是由多門學(xué)科交叉的一門專業(yè)課，具體涉及電路原理、高等數(shù)學(xué)、電力電子、電機(jī)學(xué)等知識(shí)。課程的教學(xué)目的在于使學(xué)生掌握繼電保護(hù)原理以及分析方法，能夠熟練應(yīng)用多種繼電保護(hù)裝置，從而解決在實(shí)際工程中的繼電保護(hù)問題。

2 結(jié)語

采取專題研究式教學(xué)模式能夠調(diào)動(dòng)研究生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，領(lǐng)會(huì)“線性系統(tǒng)理論”課本中的基本概念、理論算法及方法，以及該課程的最新研究成果和研究方向。實(shí)踐結(jié)果表明，專題研究式教學(xué)模式使得研究生解決實(shí)際問題的能力得到了提高，綜合素質(zhì)得到了培養(yǎng)，視野得到了開闊，科學(xué)研究思維得到了拓展，進(jìn)行科學(xué)研究和撰寫相關(guān)學(xué)術(shù)論文的能力得到了培養(yǎng)。在教學(xué)中，訓(xùn)練了研究生獲取知識(shí)的能力，且進(jìn)一步提高了整體的教學(xué)質(zhì)量。