數(shù)智化背景下“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)改革探索

摘 要 數(shù)字化和智能化技術(shù)的發(fā)展對“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)提出新要求。文章在分析“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題的基礎(chǔ)上，以智慧教學(xué)平臺(tái)為載體，從改進(jìn)教學(xué)模式、強(qiáng)化實(shí)踐探索和融入新興技術(shù)等多方面進(jìn)行教學(xué)改革探索。通過優(yōu)化教學(xué)資源、加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)、改善學(xué)習(xí)體驗(yàn)、工程應(yīng)用和專業(yè)深度融合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新思維和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，課程教學(xué)效果得到有效提升。

關(guān)鍵詞 數(shù)智化；現(xiàn)代控制理論；教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.039

Teaching Reform Exploration of Modern Control Theory Course

under the Background of Digitalization and Intelligence

Abstract The development of digital and intelligent technologies has put forward new requirements for the teaching of "Modern Control Theory" course. Based on the analysis of the current situation and existing problems in the teaching of "Modern Control Theory" course， this article explores teaching reform from multiple aspects， such as improving teaching modes， strengthening practical exploration， and integrating emerging technologies， using a smart teaching platform as a carrier. By optimizing teaching resources， strengthening teaching interaction， improving learning experience， integrating engineering applications and professional depth， students' learning interest and motivation have been stimulated， and the cultivation of students' innovative thinking and engineering literacy has been enhanced. The teaching effectiveness of the course has been effectively improved.

Keywords digitalization and intelligence; modern control theory; teaching reform

以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息技術(shù)飛速發(fā)展，社會(huì)建設(shè)向“數(shù)字化+智能化”方向轉(zhuǎn)型，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向數(shù)智融合方向轉(zhuǎn)型升級，產(chǎn)業(yè)革新對高校人才培養(yǎng)也提出新需求[1]。近年舉辦的產(chǎn)教融合發(fā)展戰(zhàn)略、數(shù)智教育發(fā)展等國際論壇深入探討了數(shù)智化時(shí)代高等教育發(fā)展的新趨勢[2]，教育數(shù)智化轉(zhuǎn)型不僅是技術(shù)層面的更新，也是教育理念和教學(xué)模式的深度變革[3]。

作為連接不同工程領(lǐng)域的橋梁，控制技術(shù)在數(shù)智化時(shí)代呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢，與之對應(yīng)的控制類專業(yè)人才培養(yǎng)和課程教學(xué)也應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性改革[4]?，F(xiàn)代控制理論是控制類專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，對于學(xué)生控制學(xué)科知識(shí)體系的構(gòu)建至關(guān)重要[5]。中國民航大學(xué)現(xiàn)代控制理論課程的授課對象為自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化等具有顯著民航行業(yè)特色的本科專業(yè)，面對行業(yè)發(fā)展新需求，如何結(jié)合數(shù)智化時(shí)代背景和行業(yè)特色，有針對性地提高課程教學(xué)質(zhì)量以適應(yīng)新時(shí)代復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型，已成為課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀與主要問題分析

1.1 現(xiàn)代控制理論課程具有概念抽象、理論深?yuàn)W、內(nèi)容繁雜等特點(diǎn)

控制理論中的基本概念和方法涉及較多數(shù)學(xué)知識(shí)，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和抽象思維能力提出了較高的要求[6]。同時(shí)，控制理論的發(fā)展和應(yīng)用與其他學(xué)科產(chǎn)生廣泛交叉，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科知識(shí)的重要性，學(xué)生的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備對學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生了顯著影響。課程知識(shí)點(diǎn)多、分布零散、難度高，而當(dāng)前教學(xué)實(shí)施中未充分關(guān)注學(xué)生在前續(xù)知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)習(xí)能力等方面的個(gè)體差異，導(dǎo)致部分學(xué)生在面對復(fù)雜理論講解時(shí)感到力不從心，影響其學(xué)習(xí)動(dòng)力和學(xué)習(xí)成效，課程的整體教學(xué)效果一般。

1.2 課程總學(xué)時(shí)有限而知識(shí)點(diǎn)繁多

本課程多采用教師為主導(dǎo)、學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的傳統(tǒng)方式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，未充分運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)資源和工具。單一化的教學(xué)方式限制了課堂教學(xué)的互動(dòng)性和靈活性，單向的信息傳遞方式導(dǎo)致學(xué)生缺乏主動(dòng)探索和自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力，教學(xué)效率不高，教師也難以及時(shí)獲得學(xué)習(xí)效果反饋。此外，教學(xué)過程中僅采用基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為理論教學(xué)的補(bǔ)充，缺乏足夠的案例分析和實(shí)踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生僅關(guān)注于理論計(jì)算解題，而忽視了對基本概念的深入思考以及與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題的能力方面存在不足。

1.3 課程注重講授控制理論中的基本概念和分析設(shè)計(jì)方法等基礎(chǔ)知識(shí)[7]

隨著人工智能、云計(jì)算、系統(tǒng)互聯(lián)等技術(shù)的飛速發(fā)展，控制領(lǐng)域的新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，而現(xiàn)有課程內(nèi)容相對陳舊、更新較慢，尤其缺乏對數(shù)智化背景下控制領(lǐng)域新興技術(shù)的介紹，未能及時(shí)反映控制領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展和技術(shù)革新，存在與前沿技術(shù)脫節(jié)的情況，導(dǎo)致學(xué)生所構(gòu)建的知識(shí)體系無法與行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求緊密對接，不利于培養(yǎng)學(xué)生對新興技術(shù)和行業(yè)趨勢的快速學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。

2 課程教學(xué)改革措施

借助數(shù)字信息技術(shù)的優(yōu)勢，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以人才培養(yǎng)需求為牽引，綜合運(yùn)用多種媒介，如圖1所示，開展了可視化好、互動(dòng)性強(qiáng)的數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，構(gòu)建了能夠滿足教師線上/線下混合式教學(xué)和學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求的智慧教學(xué)平臺(tái)。

以此為支撐，教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了現(xiàn)代控制理論課程的多元化教學(xué)改革探索，以發(fā)揮學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)適應(yīng)性方面的正向作用，實(shí)現(xiàn)線上線下教學(xué)活動(dòng)的有機(jī)融合，形成了以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)、問題為導(dǎo)向的課程改革方案。

2.1 改進(jìn)教學(xué)模式

課程理論難度高、概念抽象不易理解，而傳統(tǒng)教學(xué)雖然使用多媒體課件作為輔助教學(xué)工具，但課件中多是數(shù)學(xué)公式和理論概念的文字描述，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易陷入純數(shù)學(xué)推導(dǎo)而難以建立工程概念。課程內(nèi)容較為枯燥，課堂氣氛沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高。針對這一問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了互動(dòng)式教學(xué)模式改革，通過優(yōu)化教學(xué)手段，豐富教學(xué)過程等措施，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的提升。

對現(xiàn)有多媒體課件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，豐富理論知識(shí)的輸出方式。增加原理動(dòng)畫展示、視頻介紹以及模擬實(shí)驗(yàn)演示等內(nèi)容，將抽象的理論概念轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^生動(dòng)的視覺信息。例如，在講授反饋控制與極點(diǎn)配置這一內(nèi)容時(shí)，播放“飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀是如何運(yùn)作的”原理視頻，并利用虛擬仿真展示不同控制律作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，通過視頻和動(dòng)態(tài)演示輔助理論概念講解，有助于學(xué)生深化對理論知識(shí)的理解。

在課堂教學(xué)中，改變教師為主導(dǎo)、學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)方式，增加教師與學(xué)生的互動(dòng)交流活動(dòng)。利用智慧教學(xué)平臺(tái)發(fā)起彈幕、投票、即時(shí)問答等活動(dòng)，在豐富教學(xué)過程的同時(shí)，幫助教師追蹤學(xué)生對課堂內(nèi)容的掌握情況，形成實(shí)時(shí)的教學(xué)效果反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生不易掌握的知識(shí)點(diǎn)或理解上的誤區(qū)，有針對性地微調(diào)后續(xù)課堂的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，形成教學(xué)過程的有效閉環(huán)。在課堂教學(xué)中以問題為導(dǎo)向，教師從理論知識(shí)的單純講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，在控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等章節(jié)，以飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、機(jī)場無人牽引車等實(shí)際系統(tǒng)為工程應(yīng)用背景，設(shè)置開放性問題，展開課堂討論和分組設(shè)計(jì)，促使學(xué)生通過主動(dòng)思考和合作交流給出解決方案。此外，借助智慧教學(xué)平臺(tái)打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)間和空間限制，學(xué)生隨時(shí)通過在線論壇分享學(xué)習(xí)中的問題，并在線討論及時(shí)獲得反饋和解答。這種持續(xù)性互動(dòng)教學(xué)能夠?yàn)閷W(xué)生提供更靈活更具個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)和協(xié)作解決問題的能力。

2.2 強(qiáng)化實(shí)踐探索

課程強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的緊密結(jié)合，開設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是促進(jìn)學(xué)生理解和應(yīng)用控制理論的重要途徑[8]。但傳統(tǒng)教學(xué)中僅采用模擬實(shí)驗(yàn)箱開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱集成度較高且出于安全性考慮，學(xué)生僅能按照規(guī)定步驟進(jìn)行操作，靈活性不高，限制了學(xué)生的深入思考和自由探索。此外，受限于實(shí)驗(yàn)室的空間和時(shí)間安排，實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以與理論教學(xué)同步進(jìn)行，降低了兩者的結(jié)合度。這導(dǎo)致學(xué)生對于課程實(shí)驗(yàn)認(rèn)可度不高，難以將課堂所學(xué)理論知識(shí)有效應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，與設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的初衷背道而馳。

為了突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限性，打破學(xué)生“重理論計(jì)算、輕實(shí)踐思考”的學(xué)習(xí)慣性，課程團(tuán)隊(duì)將基于MATLAB的虛擬仿真平臺(tái)引入課程教學(xué)全過程，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化實(shí)驗(yàn)資源，將仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)有效融合，以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程整體教學(xué)中的作用。將控制系統(tǒng)仿真技術(shù)融入課程教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上注重理論知識(shí)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的緊密銜接，教師預(yù)先在智慧教學(xué)平臺(tái)在線推送與當(dāng)前課程內(nèi)容對應(yīng)的仿真教學(xué)課件、示例程序和微課視頻，學(xué)生能夠在課外隨時(shí)觀看、自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的靈活性。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師進(jìn)行理論概念講授后，將控制系統(tǒng)的建模和分析設(shè)計(jì)等過程進(jìn)行MATLAB仿真演示，學(xué)生能夠直觀地觀察控制系統(tǒng)的響應(yīng)過程，理解控制設(shè)計(jì)的實(shí)際作用和效果，通過仿真實(shí)驗(yàn)將抽象的控制理論概念具體化。此外，引入飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、機(jī)場無人牽引車等與行業(yè)緊密相關(guān)的典型控制系統(tǒng)案例，增加開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生以小組為單位，借助虛擬仿真平臺(tái)提供的便捷安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在計(jì)算機(jī)上模擬復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并進(jìn)行性能分析和綜合設(shè)計(jì)。學(xué)生可以測試和優(yōu)化不同的控制算法，自由探索控制理論的多種可能性。通過這種教學(xué)方式激發(fā)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，深化其對控制理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題的能力。

2.3 融入新興技術(shù)

課程旨在使學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)化的控制理論知識(shí)框架并用以解決實(shí)際工程問題?？刂评碚撟鳛檫B接不同工程領(lǐng)域的橋梁，在航空航天、電力電氣等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。而在數(shù)智化背景下，多種新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些技術(shù)既拓寬了控制理論的應(yīng)用場景，也推動(dòng)了控制理論的發(fā)展。教學(xué)團(tuán)隊(duì)從課程內(nèi)容與教學(xué)實(shí)施等方面探索了控制理論基礎(chǔ)知識(shí)與新興技術(shù)的融合途徑，以保證課程教學(xué)能夠適應(yīng)技術(shù)革新趨勢和行業(yè)應(yīng)用需求。

在確保涵蓋學(xué)科專業(yè)規(guī)范核心知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將控制領(lǐng)域的最新技術(shù)動(dòng)態(tài)融入課程內(nèi)容，針對性地引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能感知等與控制理論結(jié)合的前沿技術(shù)和工程實(shí)例。課程教學(xué)中，在詳細(xì)講授必要知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，輔以擴(kuò)展的技術(shù)熱點(diǎn)，保證教學(xué)內(nèi)容的合理組織，例如：在講授狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合智能駕駛車輛控制案例，介紹狀態(tài)觀測器與智能感知技術(shù)在車輛狀態(tài)信息精確估計(jì)和監(jiān)控中的融合應(yīng)用。

利用智慧教學(xué)平臺(tái)發(fā)布與先進(jìn)控制技術(shù)相關(guān)的科普視頻、技術(shù)講座等在線資源，并鼓勵(lì)學(xué)生充分利用校內(nèi)開放教育資源查閱學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和在線課程，以豐富學(xué)生獲取前沿控制技術(shù)的途徑。同時(shí)，以現(xiàn)代控制理論課程為契機(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生在課程之外積極參與教師的科研工作，并支持學(xué)生申報(bào)開展與控制理論相關(guān)的小型科研項(xiàng)目，學(xué)生通過在科研實(shí)踐中直接接觸領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課程所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與工程實(shí)踐應(yīng)用的深度融合。

3 課程教學(xué)改革實(shí)踐效果

自開展教學(xué)改革實(shí)踐以來，學(xué)生實(shí)際到課率和課堂參與度有顯著提高，據(jù)智慧教學(xué)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)，線上資源訪問覆蓋率在90%以上，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力得到有效提升。課程結(jié)課后的匿名問卷調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生在課程內(nèi)容實(shí)用度、課程資源豐富度、個(gè)性化學(xué)習(xí)支持多個(gè)方面給出較高評價(jià)，學(xué)生對教學(xué)改革措施的認(rèn)可度較高。改革后本課程的平均成績和課程目標(biāo)達(dá)成度呈上升趨勢，尤其在知識(shí)綜合運(yùn)用能力和獨(dú)立分析推理能力等方面的達(dá)成度提升明顯，課程改革措施已在課程教學(xué)實(shí)踐中取得一定成效。

4 結(jié)語

在數(shù)智化時(shí)代背景下，教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)中存在的主要問題與不足之處，結(jié)合人才培養(yǎng)需求和行業(yè)特色，以智慧教學(xué)平臺(tái)為載體，形成以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)、問題為導(dǎo)向的課程改革方案，圍繞教學(xué)模式改進(jìn)、實(shí)踐探索強(qiáng)化和新興技術(shù)融入等角度對課程改革途徑進(jìn)行了探索。根據(jù)教學(xué)改革實(shí)踐效果反饋，學(xué)生對課程改革措施認(rèn)可度較高，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維和工程素養(yǎng)得以增強(qiáng)，在后續(xù)教學(xué)中將依據(jù)教學(xué)效果反饋持續(xù)推進(jìn)教學(xué)改革，保證課程教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈積有，陳真真，黎宇珍，等.以數(shù)智化轉(zhuǎn)型促進(jìn)大學(xué)教學(xué)發(fā)展[J].大學(xué)與學(xué)科，2022（4）：101-112.

[2] 侯普恩，張萌.數(shù)智化背景下高校字體設(shè)計(jì)課程教學(xué)新模式探索[J].美術(shù)教育研究，2023（24）：135-137.

[3] 白玉廷，趙峙堯，許繼平，等.數(shù)字化與智能化背景下“檢測技術(shù)及儀表”課程教學(xué)改革研究[J].工業(yè)和信息化教育，2023（11）：24-27，33.

[4] 沈火明，龔暉，李翔宇，等.工科基礎(chǔ)課程數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)的實(shí)踐與應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2022（41）：113-116.

[5] 王俊偉，楊俊玲.基于OBE理念的現(xiàn)代控制理論教學(xué)改革研究與探討[J].大學(xué)教育，2022（8）：81-83.

[6] 王立紅.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的現(xiàn)代控制理論教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018，21（4）：163-165.

[7] 李健，蘇慶宇.研究性教學(xué)在現(xiàn)代控制理論課程中的應(yīng)用與持續(xù)改進(jìn)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2022（13）：119-120.

[8] 何德峰，俞立，徐建明.基于MATLAB的現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（3）：123-126