路飛　楊西俠

【摘要】面向新工科背景下自動(dòng)化大類學(xué)生的多元化培養(yǎng)模式需求，在對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式進(jìn)行分析介紹的基礎(chǔ)上，提出融思政建設(shè)與多元化培養(yǎng)模式為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)改革與實(shí)踐方法，從課程內(nèi)容與教學(xué)模式兩個(gè)維度對(duì)課程的改革方案進(jìn)行了闡述。實(shí)際應(yīng)用效果表明，此改革措施不僅可以提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，同時(shí)可以彰顯不同培養(yǎng)需求的個(gè)性化與專業(yè)化特色，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】多元培養(yǎng)模式? 思政建設(shè)? 教學(xué)改革? 現(xiàn)代控制理論

【基金項(xiàng)目】山東大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2020Y150）;山東大學(xué)研究生課程思政專項(xiàng)計(jì)劃;山東大學(xué)2020年研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（XYJG2020091）。

【中圖分類號(hào)】G642.0? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）07-0016-03

一、引言

現(xiàn)代控制理論是自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，屬于自動(dòng)控制原理的后續(xù)課程，在自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中具有承前啟后的作用[1]。該課程研究范圍較廣，內(nèi)容抽象，理論性強(qiáng)、實(shí)踐性要求較高，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的控制思維能力、綜合分析和解決問(wèn)題的能力、建立理論聯(lián)系實(shí)際和團(tuán)隊(duì)合作的科學(xué)素養(yǎng)都具有重要的指導(dǎo)作用。

隨著“人工智能”“大數(shù)據(jù)”“機(jī)器人”等行業(yè)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)復(fù)合型高級(jí)人才的需求日益增加[2]。 與之相適應(yīng)，各個(gè)高校相繼開展了“新工科”背景下多元人才培養(yǎng)模式。作為在自動(dòng)化專業(yè)的必修主干課程，如何進(jìn)行新的教學(xué)體系建設(shè)、如何在總結(jié)多年以來(lái)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行深化改革探索，將思政建設(shè)融于日常的教學(xué)內(nèi)容、建立以多元培養(yǎng)目標(biāo)為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化教學(xué)模式，使其適應(yīng)學(xué)科和社會(huì)的需求，是“現(xiàn)代控制理論”教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題。

二、現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)存在的問(wèn)題

（一）理論性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大

現(xiàn)代控制理論是一門理論性強(qiáng)的課程，不僅需要學(xué)習(xí)者對(duì)控制原理有一定的認(rèn)識(shí)，具備一定的數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算能力，而且要求學(xué)生對(duì)“矩陣論”的相關(guān)知識(shí)掌握程度較高。該課程所需的前期課程包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路原理、自動(dòng)控制原理等，課程體系具有內(nèi)容體系大、涉及的理論知識(shí)面廣、信息量大、邏輯性強(qiáng)、對(duì)數(shù)學(xué)和物理等基礎(chǔ)理論知識(shí)要求高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)內(nèi)容抽象、難于理解、掌握難度大等困難，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程產(chǎn)生較大的學(xué)習(xí)壓力和學(xué)習(xí)障礙，容易產(chǎn)生厭學(xué)及倦怠的不良情緒。

（二）知識(shí)新穎度不足，沒(méi)有體現(xiàn)最新發(fā)展動(dòng)向

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“人工智能”“機(jī)器人”“大數(shù)據(jù)”等行業(yè)成為社會(huì)新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)此類行業(yè)的控制代表著控制理論的又一主要發(fā)展方向——智能化控制?！爸悄芑刂啤笔且婚T交叉前沿學(xué)科，是系統(tǒng)控制的高級(jí)階段。上述新興專業(yè)的知識(shí)及信息化更新很快，但在現(xiàn)有的課程教學(xué)過(guò)程中，缺乏對(duì)這些最新發(fā)展成果的介紹，沒(méi)有將這些最新的控制與基本控制理論相結(jié)合、相對(duì)比的環(huán)節(jié)[3]，造成目前的課程與最新科技發(fā)展動(dòng)向相脫節(jié)的情況，限制了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中思維的發(fā)散度，同時(shí)降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣。

（三）教學(xué)方式過(guò)于單一，不適應(yīng)多元化培養(yǎng)目標(biāo)體系

目前對(duì)于現(xiàn)代控制理論課程，所采取的教學(xué)方式大多是“PPT演示+黑板板書”這一傳統(tǒng)的授課模式，教學(xué)方式較為單調(diào)。學(xué)生在上課的過(guò)程中對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)基本屬于被動(dòng)接受狀態(tài)，學(xué)習(xí)興趣得不到刺激。隨著“卓越工程師班”“人工智能班”“理工復(fù)合班”等新工科多元化培養(yǎng)模式的出現(xiàn)，目前的現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)方式依然存在重理論輕工程的特點(diǎn)，缺乏“個(gè)性化和專業(yè)化”教學(xué)特色，缺乏針對(duì)不同培養(yǎng)目標(biāo)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，難以保證培養(yǎng)質(zhì)量，不能滿足多元化培養(yǎng)目標(biāo)體系要求，限制了新工科多元化培養(yǎng)體系的特色。

（四）課程教學(xué)缺乏思政建設(shè)，忽視對(duì)學(xué)生科學(xué)工匠精神的培養(yǎng)

隨著高校專業(yè)分工的日益細(xì)化，目前各個(gè)學(xué)院的思想政治課程與專業(yè)課程的教學(xué)工作由不同教學(xué)單位的教師承擔(dān)。尤其對(duì)理工科專業(yè)，專業(yè)課知識(shí)與思想政治教育的直接關(guān)聯(lián)度不高，導(dǎo)致在理工科的專業(yè)教學(xué)過(guò)程中只重視專業(yè)知識(shí)的傳授，而忽視了學(xué)生的思政教育，現(xiàn)代控制理論課程也不例外。培養(yǎng)具有家國(guó)情懷的工匠一直是工科院校追求的培養(yǎng)目標(biāo)，而現(xiàn)代控制理論課程的學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生控制思想的建立具有重要的意義。如何將核心價(jià)值觀、工程倫理道德等思政元素融于專業(yè)課及專業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)中，使該課程的教學(xué)不僅重邏輯知識(shí)，也重人文思想，為培養(yǎng)具有道德倫理意識(shí)以及以造福人類為理念的現(xiàn)代工程師奠定基礎(chǔ)是現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題。

三、課程改革思考

（一）課程體系科學(xué)化及多元化

現(xiàn)代控制理論課程體系改革的總體思路：針對(duì)新工科背景下多元化的培養(yǎng)目標(biāo)體系，以培養(yǎng)目標(biāo)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，建立具有學(xué)習(xí)表現(xiàn)與跟蹤評(píng)估反饋的閉環(huán)式課程體系。從課程的設(shè)置、教學(xué)方式、教學(xué)側(cè)重點(diǎn)等多個(gè)方面進(jìn)行改革，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化培養(yǎng)。不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，加強(qiáng)與學(xué)科最新發(fā)展方向的關(guān)聯(lián)，全方位體現(xiàn)智能化自動(dòng)化發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)。課程建設(shè)將著眼于“理論講授+仿真實(shí)驗(yàn)+工程案例+前沿講座”四個(gè)模塊，采用混合式教學(xué)、在線視頻、信息化教學(xué)、專家講座等多種教學(xué)手段，完成系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)三大教學(xué)內(nèi)容的講解，實(shí)現(xiàn)課程體系的科學(xué)化及多元化，為學(xué)生控制思想的培養(yǎng)與建立提供基礎(chǔ)?，F(xiàn)代控制理論課程體系示意圖如圖1所示。

（二）教學(xué)模式改革

1.課堂教學(xué)改革

現(xiàn)代控制理論課程理論性強(qiáng)、抽象程度高，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣較低。面向不同培養(yǎng)目標(biāo)體系的學(xué)生，如何引入富有變化的教學(xué)方式、取代傳統(tǒng)的授課方式、形成“個(gè)性化+專業(yè)化”的授課模式、動(dòng)態(tài)可觀地展現(xiàn)課程內(nèi)在的知識(shí)體系是該課程教學(xué)改革面臨的重要內(nèi)容。

（1）構(gòu)建基于多維度的課堂教學(xué)改革模式

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式多采用教師講授、學(xué)生聽講，教學(xué)方式單一。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握大多是被動(dòng)地接受，缺乏師生間的交流互動(dòng)，學(xué)生的參與度低。隨著多媒體技術(shù)、慕課等電子教學(xué)資源的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)的“以教師為主體”的教學(xué)模式向“以學(xué)生為主體”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變提供了支持，同時(shí)為多維度課堂教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)提供了資源。教師可以通過(guò)在線課堂建設(shè)、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合式教學(xué)、雨課堂等多維授課模式實(shí)現(xiàn)與學(xué)生的全方位溝通，完成各種教學(xué)策略的融合及各類資源的優(yōu)化設(shè)計(jì)和共享。進(jìn)而提高學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)學(xué)生的教、學(xué)情感換位體驗(yàn)，促進(jìn)其對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索，加深其對(duì)知識(shí)的理解和遷移。

（2）構(gòu)建基于不同培養(yǎng)目標(biāo)體系的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法

隨著“卓越工程師班”“人工智能班”“理工復(fù)合班”等新型工科多元化教育培養(yǎng)模式的出現(xiàn)，必須要針對(duì)不同的培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建基于不同培養(yǎng)目標(biāo)體系的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法。針對(duì)不同的培養(yǎng)任務(wù)，設(shè)計(jì)不同的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)措施，實(shí)現(xiàn)融個(gè)性化及專業(yè)化于一體的新工科教學(xué)體系。例如針對(duì)卓越工程師班，可以在常規(guī)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，側(cè)重從工程實(shí)踐的角度設(shè)計(jì)教學(xué)模式，例如實(shí)施“案例+問(wèn)題+討論”式的教學(xué)方式，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的分析及解決能力。對(duì)于理工復(fù)合班，要偏向理論思維方式的培養(yǎng)，堅(jiān)持“理論問(wèn)題工程化，工程問(wèn)題理論化”的教學(xué)模式理念。對(duì)于人工智能班，則要注重與前沿知識(shí)、機(jī)器人等智能系統(tǒng)的結(jié)合，開設(shè)前沿學(xué)科講座，強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)編程仿真與實(shí)現(xiàn)等能力的培養(yǎng)。只有根據(jù)不同的培養(yǎng)任務(wù)，構(gòu)建基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生去探索、創(chuàng)新，才能做到因材施教，真正實(shí)現(xiàn)新工科的多元化人才、個(gè)性化人才培養(yǎng)。

（3）構(gòu)建融思政建設(shè)及提高科研素養(yǎng)的教學(xué)改革模式

“培養(yǎng)什么樣的人，如何培養(yǎng)人，為誰(shuí)培養(yǎng)人”是習(xí)近平總書記教育思想的重要組成部分，更是新時(shí)期教育事業(yè)改革發(fā)展根本指導(dǎo)[4]。現(xiàn)代控制理論課程對(duì)于工科學(xué)生的控制系統(tǒng)思想體系的形成具有重要的指導(dǎo)作用?；诖朔N情況，教師一方面要完成對(duì)課堂知識(shí)的傳授，同時(shí)還應(yīng)該在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，給學(xué)生傳授正確的人生價(jià)值觀、正確的工程倫理道德，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一。如何構(gòu)建融思政建設(shè)及提高科研素養(yǎng)的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“立德樹人”是一項(xiàng)具有重要意義的工作。在100分鐘的課堂教學(xué)中，依據(jù)專業(yè)知識(shí)內(nèi)容設(shè)計(jì)“課堂思政五分鐘”[5]的思政教育內(nèi)容與情景，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，求真務(wù)實(shí)的治學(xué)作風(fēng)，引導(dǎo)學(xué)生建立正確的人生觀、價(jià)值觀，形成健康的專業(yè)倫理和科學(xué)信仰，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)做出貢獻(xiàn)。

2.考核模式多樣化改革

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代控制理論課程的有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)管理，需要建立合理的課程考核體系。在期末試卷的考核模式上，加入課后作業(yè)和仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行相應(yīng)的改革探索。

（1）課后作業(yè)+課程知識(shí)圖譜構(gòu)建

將學(xué)生作業(yè)的完成情況納入考核，同時(shí)在以往只布置書本中課后作業(yè)的基礎(chǔ)上，加入一些具有承前啟后的綜合題目，這樣不僅可以避免學(xué)生直接參考課后習(xí)題答案的現(xiàn)象，同時(shí)讓學(xué)生在完成此類題目的答題過(guò)程中，加深對(duì)前面關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)的理解及應(yīng)用，建立起所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的知識(shí)圖譜，將對(duì)知識(shí)的掌握由點(diǎn)擴(kuò)展到面，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。尤其是在所有章節(jié)學(xué)習(xí)完成后，可以布置大作業(yè)，歸納各個(gè)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性，繪制整本書知識(shí)點(diǎn)的知識(shí)圖譜，這對(duì)于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度、培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代控制理論思想具有很好的推進(jìn)作用。

（2）仿真實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

為了提高學(xué)生利用數(shù)學(xué)方法解決現(xiàn)代控制工程實(shí)踐問(wèn)題的能力，要注重學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)活動(dòng)能力的培養(yǎng)。例如在狀態(tài)空間表達(dá)式和傳遞函數(shù)陣相互轉(zhuǎn)換部分，讓學(xué)生利用MATLAB仿真軟件編制相應(yīng)的算法，通過(guò)對(duì)算法的運(yùn)行，了解控制系統(tǒng)中的超調(diào)、穩(wěn)定性、能控性、能觀性等問(wèn)題。在課程結(jié)束后，讓學(xué)生以小組為單位，選取工程實(shí)際中具有不同特性的控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象，進(jìn)行建模、分析和控制器的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。各個(gè)小組根據(jù)所選內(nèi)容制作PPT進(jìn)行匯報(bào)答辯，由任課教師進(jìn)行提問(wèn)考核，并將成績(jī)計(jì)入最終成績(jī)。這種考核方法可以鍛煉學(xué)生思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也在任務(wù)的完成過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神，有利于科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

四、課程改革階段實(shí)施效果

上述教學(xué)改革依托山東大學(xué)2020年教改立項(xiàng)項(xiàng)目，在山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院自動(dòng)化類本科生現(xiàn)代控制理論課程授課中應(yīng)用，效果良好。學(xué)生普遍反映該課程授課方式靈活，課程設(shè)計(jì)不僅具有開放、自主、研究性，同時(shí)還滿足個(gè)性化教學(xué)，彰顯了不同培養(yǎng)目標(biāo)模式。在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，而且有助于學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，鍛煉了學(xué)生的實(shí)際編程能力和分析解決問(wèn)題的能力。教師在授課過(guò)程中，通過(guò)講述諸如錢學(xué)森等老一代科學(xué)家的科研經(jīng)歷及與學(xué)生分享教師自身科研經(jīng)歷，引領(lǐng)學(xué)生樹立以（下轉(zhuǎn)第20頁(yè)）

（上接第17頁(yè)）

“技”報(bào)“國(guó)”的社會(huì)責(zé)任感和端正的科研素養(yǎng)及道德情操。

五、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)代控制理論課程具有的較強(qiáng)的抽象性、涉及知識(shí)面較廣等問(wèn)題，面向新工科背景下多元培養(yǎng)模式，在對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式存在的一系列問(wèn)題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了融思政建設(shè)與自動(dòng)化大類多元培養(yǎng)模式于一體的課程改革思考，從教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式兩個(gè)維度給出了相應(yīng)的改革建議?，F(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期且不斷優(yōu)化的過(guò)程，期望通過(guò)這些改革，可以提高課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生掌握理論知識(shí)和工程實(shí)踐相結(jié)合的能力，為新工科背景下培養(yǎng)符合現(xiàn)代社會(huì)需求的高素質(zhì)復(fù)合型專業(yè)人才奠定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

路飛（1973年-），女，博士，教授，主要研究方向：機(jī)器人、智能控制等。