吳 博，詹習(xí)生

(湖北師范大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石 435002)

師范院?，F(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革探討

吳 博，詹習(xí)生

(湖北師范大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石 435002)

為適應(yīng)社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的要求，各高校對教學(xué)改革進(jìn)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(xué)生的專業(yè)能力，針對目前現(xiàn)代控制理論教學(xué)中存在的一些問題，結(jié)合師范院校教學(xué)情況，分別從理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩方面對本課程教學(xué)改革進(jìn)行研究，包括優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)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(xué)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(yīng)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(fù)雜、非線性系統(tǒng)等問題時難以滿足控制目標(biāo)，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(xué)科，自上世紀(jì)60年代起，在自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展，對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步做出巨大貢獻(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(xué)、計算機(jī)科學(xué)、能源科學(xué)以及電子科學(xué)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(xué)生的專業(yè)能力起著舉足輕重的作用。

為了適應(yīng)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(jìn)，努力提高學(xué)生的專業(yè)能力，與其相應(yīng)的人才培養(yǎng)機(jī)制改革也勢在必行。教學(xué)作為人才培養(yǎng)的最直接有效的途徑，為適應(yīng)改革新形勢，也必須提出新的要求。現(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(xué)方面作了深刻的研究和探討[3][4]?，F(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)改革在提高自動化專業(yè)學(xué)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(xué)實踐，本文針對該課程理論教學(xué)和實驗教學(xué)過程中存在的一些問題展開相應(yīng)的研究和探討。

1 現(xiàn)代控制理論教學(xué)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(xué)和實驗教學(xué)，而當(dāng)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(xué)，對于該課程的實驗教學(xué)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(xué)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(xué)內(nèi)容較多，概念抽象難懂，數(shù)學(xué)運算復(fù)雜，比較難以學(xué)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(jìn)行簡單的仿真，內(nèi)容簡單、形式單一，對學(xué)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(dān)為社會輸出高素質(zhì)人才的重任，為適應(yīng)當(dāng)前高校教學(xué)改革新形式，借助互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的新契機(jī)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展和服務(wù)地方，就必須建立側(cè)重于應(yīng)用，以培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型專業(yè)人才為目標(biāo)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(xué)現(xiàn)狀，從理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩方面提出改革思路和建議。

2 現(xiàn)代控制理論教學(xué)改革

2.1 理論教學(xué)改革

2.1.1 優(yōu)化教學(xué)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(xué)內(nèi)容主要是根據(jù)實際系統(tǒng)抽象出數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型的定量和定性分析，研究系統(tǒng)的運動規(guī)律，進(jìn)而設(shè)計出滿足性能指標(biāo)的系統(tǒng)。根據(jù)前面提到教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)本課程的學(xué)時并不足以學(xué)完全部課程內(nèi)容，那么按照教學(xué)計劃要求，必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(xué)時不足以講完所有相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，因此教學(xué)中必須在保證教學(xué)內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性和系統(tǒng)性的前提下，對定理的數(shù)學(xué)證明以及概念的公式推導(dǎo)盡可能的不去追尋其數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性。

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

1) 引入應(yīng)用背景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

現(xiàn)代控制理論的大多數(shù)教學(xué)內(nèi)容都只是根據(jù)給定的數(shù)學(xué)模型做理論闡述和公式推導(dǎo)，很少有將問題的來源和應(yīng)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(jìn)行授課的話，學(xué)生面對就是對數(shù)學(xué)問題的求解，從而導(dǎo)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(xué)目標(biāo)。反之，若在講解的時候，適當(dāng)引入相應(yīng)知識點的應(yīng)用背景，不僅可以增進(jìn)學(xué)生對知識的理解和認(rèn)知，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)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(dāng)?shù)囊胂嚓P(guān)應(yīng)用實例，如工業(yè)鍋爐控制過程中，確定控制目標(biāo)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(xué)生不僅對所學(xué)內(nèi)容及其應(yīng)用有更深刻的認(rèn)識，還可以認(rèn)識到該教學(xué)內(nèi)容與其它學(xué)科之間的聯(lián)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2) 加強(qiáng)學(xué)科交叉，提高專業(yè)能力

隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，各種學(xué)科之間不再局限于單純的某一領(lǐng)域的研究，而是學(xué)科之間相互滲透，形成你中有我，我中有你的局面，而且科學(xué)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(xué)科交叉點或其邊緣上[5]?，F(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(yīng)用中發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論的拓展和補(bǔ)充，同樣也與其它專業(yè)學(xué)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(xué)科中的一些問題，而通過其它專業(yè)學(xué)科的學(xué)習(xí)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(xué)過程中片面的、孤立的去學(xué)習(xí)這些知識，不會靈活運用，最后的結(jié)果會是學(xué)而無用。因此，通過將這些不同學(xué)科的專業(yè)知識創(chuàng)造性的綜合到一起，從各學(xué)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(xué)生的專業(yè)能力有很大的幫助。

3) 多樣化教學(xué)手段，提高學(xué)習(xí)效率

隨著科技的發(fā)展，如今大多數(shù)課堂教學(xué)都有條件采用多媒體教學(xué)，通過多媒體教學(xué)可以直觀的、形象的把教學(xué)內(nèi)容展示給學(xué)生，讓學(xué)生能夠更好的接受課堂知識，提高學(xué)習(xí)效率。同樣對于現(xiàn)代控制理論這門課程而言，教學(xué)內(nèi)容涉及到很多的概念，定理及數(shù)學(xué)公式，采用多媒體教學(xué)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(xué)生，以避免傳統(tǒng)的板書教學(xué)帶來時間上的浪費。但是，通過幾年的現(xiàn)代控制理論教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)過程中存在一個嚴(yán)重的問題：本課程教學(xué)內(nèi)容涉及到大量定理證明和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，如果完全使用多媒體來教學(xué)，即使教師講解非常仔細(xì)，但是也不是所有的學(xué)生都能夠及時理解教學(xué)內(nèi)容，跟上教師的進(jìn)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(xué)過程中，適當(dāng)?shù)膶⒍嗝襟w與板書相結(jié)合，通過板書補(bǔ)足多媒體的缺陷，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(jìn)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(xué)手段，培養(yǎng)高素質(zhì)人才是當(dāng)前高校教學(xué)的重要任務(wù)。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(xué)平臺、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻也被越來越多的學(xué)生接受，通過這些豐富的網(wǎng)絡(luò)教育資源不但促進(jìn)了學(xué)生的進(jìn)步，也對教師的教學(xué)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(xué)手段也逐漸成為現(xiàn)實，同時，教學(xué)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(xué)生與教師，學(xué)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(xué)生可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)的資源進(jìn)一步學(xué)習(xí)本課程相關(guān)的專業(yè)知識，與其他學(xué)生教師交流學(xué)習(xí)心得。因此，通過互聯(lián)網(wǎng)教師的課堂教學(xué)會變得更為自如，手段更為豐富，當(dāng)學(xué)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(xué)習(xí)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(xué)生有沒有來上課，而不能夠保證學(xué)生在課堂上真正學(xué)到知識，而期末考試也不能夠全面的考察學(xué)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(jī)制，既能夠反映出學(xué)生每堂課程的學(xué)習(xí)情況，也要能夠反映出學(xué)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(xué)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(xué)生，達(dá)到提高學(xué)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(xué)過程中非常重要的一部分，通過實驗環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生對課本重點內(nèi)容的理解和掌握，加強(qiáng)學(xué)生對知識的靈活運用，促進(jìn)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(dá)到開設(shè)實驗課程的預(yù)期目標(biāo)。實驗內(nèi)容偏重于Matlab仿真軟件的應(yīng)用，只要求學(xué)生掌握相關(guān)的函數(shù)的應(yīng)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(xué)生更直觀清晰的認(rèn)知抽象難懂的教學(xué)內(nèi)容，但不是我們學(xué)習(xí)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(xué)內(nèi)容為核心，以Matlab仿真軟件為手段，達(dá)到提高學(xué)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(xué)內(nèi)容重點，通過它又能夠起到鍛煉學(xué)生的目的。因此，依據(jù)現(xiàn)代控制理論教學(xué)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(xué)生的應(yīng)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(yīng)與本專業(yè)相關(guān)學(xué)科相關(guān)聯(lián)，學(xué)科交叉融合，真正做到學(xué)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(xué)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(xué)生的應(yīng)用能力，我們可以通過給出某個應(yīng)用環(huán)境，讓學(xué)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(jī)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(xué)生來說，即使實驗內(nèi)容得到改進(jìn)，最終的實驗?zāi)繕?biāo)也會達(dá)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(jī)、電腦和互聯(lián)網(wǎng)基本上已經(jīng)普及到全部學(xué)生，與以前學(xué)生必須在學(xué)校機(jī)房做實驗相比，只要建立好完善的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，學(xué)生可以充分合理利用時間，自主的進(jìn)行實驗，可以做到邊學(xué)習(xí)邊練習(xí)；

2) 建立豐富的實驗資源庫。一方面，學(xué)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(jìn)一步完善，提高實驗準(zhǔn)確性；

3) 建立實驗網(wǎng)絡(luò)交流平臺。學(xué)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(xué)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(xué)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(jìn)，更具科學(xué)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(xué)生的仿真結(jié)果是否符合要求，以及考察學(xué)生平時的出勤作為學(xué)生的最終成績，這種考核方式并不能夠全面真實的反映學(xué)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(xué)生進(jìn)行考核。

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)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(xué)現(xiàn)狀，本文分別從該課程的理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩個方面對現(xiàn)代控制理論課程的進(jìn)行教學(xué)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(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)過程，突破傳統(tǒng)的教學(xué)理念，對課程的教學(xué)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(jī)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.

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[5]馬廷奇. 交叉學(xué)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(xué)院學(xué)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(xué)院教學(xué)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