黃敏 陳豐 訾建平

【摘要】由于新知識(shí)、新理論的快速發(fā)展，僅通過(guò)原有的傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，已不能滿足當(dāng)前的教學(xué)需求；因此《現(xiàn)代控制理論》課程嘗試引入翻轉(zhuǎn)課堂、案例教學(xué)、教學(xué)做一體化等方法，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，課堂教學(xué)效果得到了改善。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代控制理論 教學(xué)方法 翻轉(zhuǎn)課堂 案例教學(xué)

【基金項(xiàng)目】安徽省省級(jí)重大教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2016jyxm0237）；安徽省省級(jí)一般教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2016jyxm0251）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）28-0221-02

任何一種技術(shù)的應(yīng)用都有相應(yīng)的理論作為發(fā)展依據(jù)，現(xiàn)代控制理論作為自動(dòng)控制理論的一個(gè)重要分支，是為了滿足越來(lái)越具有非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)的系統(tǒng)控制要求而出現(xiàn)的。[1]根據(jù)安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院《現(xiàn)代控制理論》大綱要求，本課程是機(jī)械電子工程專業(yè)的專業(yè)方向課，此外本專業(yè)還設(shè)有機(jī)器人相關(guān)課程，而機(jī)器人是典型的多輸入多輸出復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。因此本課程對(duì)于機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生分析機(jī)器人等復(fù)雜系統(tǒng)的控制奠定了理論基礎(chǔ)。本課程內(nèi)容主要介紹狀態(tài)空間法，在已知數(shù)學(xué)模型的情況下，研究系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、能控性、能觀測(cè)性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特性以及改變系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性與方法。[2]本文在現(xiàn)有的教學(xué)模式下，引入翻轉(zhuǎn)課堂、教學(xué)做一體化等教學(xué)手段，進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

1.教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

本課程對(duì)于機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)是純理論課程，共36學(xué)時(shí)，內(nèi)容抽象，對(duì)于復(fù)變函數(shù)與積分變換、線性代數(shù)矩陣運(yùn)算的知識(shí)要求較高，學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的難度。此外，由于機(jī)械累專業(yè)學(xué)生的機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)少、內(nèi)容簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)不足，機(jī)械類專業(yè)的本科生對(duì)于“現(xiàn)代控制理論”的學(xué)習(xí)比較吃力，教學(xué)效果較差。[3]大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)一段時(shí)間后，對(duì)課程內(nèi)容越來(lái)越不理解，學(xué)習(xí)的動(dòng)力急劇下降，不認(rèn)真聽課。由于大部分教師依然采用的是講授的方式，久而久之，課堂氣氛不活潑。此外作為專業(yè)方向，學(xué)生往往不夠重視。本課程具有一定的實(shí)踐背景，而授課老師一般從高校畢業(yè)后直接來(lái)到教學(xué)崗位，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法把實(shí)踐案例帶進(jìn)課堂，使得整個(gè)教學(xué)過(guò)程枯燥，不生動(dòng)，同樣無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。由于以上各種原因?qū)е卤菊n程的教學(xué)效果總體不理想。

2.教學(xué)改革措施

我校是地方應(yīng)用型高校，機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生更是以應(yīng)用人才培養(yǎng)為目標(biāo)，而應(yīng)用型人才的重中之重就是要培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。因此，每門課程教師需要將所帶課程的特點(diǎn)、學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)、能力等考慮進(jìn)來(lái)，靈活運(yùn)用各種創(chuàng)新型教學(xué)手段采取有效的措施進(jìn)行教學(xué)改革，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性積極性。

2.1補(bǔ)充相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)

針對(duì)學(xué)生因?yàn)楸菊n程涉及到的復(fù)變函數(shù)與積分變換、線性代數(shù)的知識(shí)基礎(chǔ)薄弱問(wèn)題，教師在講到具體問(wèn)題的時(shí)候要把用到的數(shù)學(xué)知識(shí)給學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)，幫助學(xué)生把拉普拉斯變換、反拉普拉斯變換、定積分、不定積分、矩陣運(yùn)算等在本門課程中運(yùn)用起來(lái)，讓學(xué)生在解決問(wèn)題用到相關(guān)知識(shí)時(shí)能夠得心應(yīng)手。

2.2翻轉(zhuǎn)課堂

傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程通常包括知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化兩個(gè)階段。[4]傳統(tǒng)的教學(xué)方式是教師通過(guò)課堂完成知識(shí)的傳授，而知識(shí)內(nèi)化則需要學(xué)生課后通過(guò)作業(yè)、練習(xí)題等來(lái)完成。引入翻轉(zhuǎn)課堂的模式后，知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化的順序就發(fā)生了顛覆，就要求學(xué)生在課前通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)完成對(duì)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中記錄遇到的難點(diǎn)等沒(méi)有理解的內(nèi)容；而在課堂環(huán)節(jié)中，教師引導(dǎo)學(xué)生解決所遇到的問(wèn)題。或者教師將學(xué)生分成3-4一組，將課程一些簡(jiǎn)單的章節(jié)內(nèi)容或者一些工程問(wèn)題布置給小組，由各小組對(duì)所布置的課題進(jìn)行講解，不僅可以加深學(xué)生對(duì)所將問(wèn)題的理解，同時(shí)還可以提高學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力。此外，在整個(gè)過(guò)程中，教師跟學(xué)生能夠進(jìn)行較深入的交流，在學(xué)生講解的過(guò)程中，或發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的具體問(wèn)題，或從學(xué)生的闡述中獲得更多的靈感，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。

2.3案例教學(xué)

由于本課程有較強(qiáng)的實(shí)踐背景，完全可以將一些實(shí)際案例帶進(jìn)課堂。這就要求教師要多進(jìn)企業(yè)對(duì)企業(yè)的一些案例進(jìn)行重構(gòu)，打包成一個(gè)一個(gè)小的項(xiàng)目，把這些小的任務(wù)分發(fā)給每個(gè)小組，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際工程問(wèn)題結(jié)合起來(lái)。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)物理知識(shí)、數(shù)學(xué)知識(shí)搭建系統(tǒng)的模型，通過(guò)在MATLAB/Simulink等一些專業(yè)軟件進(jìn)行建模仿真。如單級(jí)倒立擺系統(tǒng)，提前把任務(wù)布置給每個(gè)小組，查找資料，推理建模，選擇控制方法、設(shè)計(jì)控制器等；通過(guò)具體案例來(lái)分析問(wèn)題、制定解決方案、進(jìn)行軟件仿真驗(yàn)證，可以使學(xué)生得到專業(yè)系統(tǒng)的訓(xùn)練，為以后的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)也奠定了一個(gè)好的基礎(chǔ)。

2.4教學(xué)做一體化

由于本課程大綱沒(méi)有設(shè)置實(shí)驗(yàn)課，MATLAB/Simulink等一些仿真軟件在本課程的教學(xué)中使用不多，此外由于本課程共36學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)較少，課程組也不建議開設(shè)實(shí)驗(yàn)課。目前學(xué)院機(jī)房都安裝有相應(yīng)的專業(yè)軟件，可以選擇4個(gè)學(xué)時(shí)左右?guī)W(xué)生在機(jī)房進(jìn)行教學(xué)做一體化體驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的靈活運(yùn)用。通過(guò)MATLAB/Simulink演示如何具體解決問(wèn)題，如由彈簧、質(zhì)量塊和阻尼器組成的機(jī)械系統(tǒng)如圖1，在物體上施加一個(gè)外力F，該物體產(chǎn)生的位移為y，設(shè)阻尼器的摩擦力與y一階導(dǎo)成正比、彈簧為線性彈簧，m是物體的質(zhì)量，k為彈簧系數(shù)，f為阻尼系數(shù)，則可得到該系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式如式1所示。

則可以建立該空間表達(dá)式。當(dāng)m、k、f的值確定還可以進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能觀性、能控性判斷。學(xué)生可以上機(jī)操作，從而不僅鍛煉了學(xué)生使用專業(yè)軟件的能力，為后續(xù)解決機(jī)器人系統(tǒng)等復(fù)雜的控制問(wèn)題打下良好的基礎(chǔ)。

3.總結(jié)

通過(guò)分析機(jī)械電工程專業(yè)的現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，在教學(xué)過(guò)程采用翻轉(zhuǎn)課堂、案例教學(xué)、教學(xué)做一體化等創(chuàng)新性教學(xué)方法，從而大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果得到較好的改善。同時(shí)可以鍛煉學(xué)生解決工程問(wèn)題的應(yīng)用能力，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]董敏，聞凱.《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)改革探討[J].考試周刊，2016，（1）：17.

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[3]鞏明德，倪濤，王昕， 等.機(jī)械類專業(yè)“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，（2）：74-77.

[4]張金磊，王穎， 張寶輝.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2012，（4）：46-51.

作者簡(jiǎn)介：

黃敏（1985-），女（漢族），安徽鳳陽(yáng)人，安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助教，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。