盛春陽　蓋文東　盧曉

［摘 要］“金課”建設(shè)是提升人才培養(yǎng)水平和教育質(zhì)量的重要手段。文章基于“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)對工科專業(yè)課程教學(xué)改革進(jìn)行研究，具體以現(xiàn)代控制理論課程為例，從課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀分析出發(fā)，并在課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程評價(jià)方式等多方面給出改革措施，以期將現(xiàn)代控制理論課程打造成為自動化類專業(yè)“金課”，提高自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］現(xiàn)代控制理論；“兩性一度”；課程教學(xué)；“金課”

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0043-04

課程是落實(shí)“立德樹人”根本任務(wù)的具體化、操作化和目標(biāo)化。2018年，時(shí)任教育部部長陳寶生提出要合理增加課程難度，拓展課程深度，擴(kuò)大課程的可選擇性，真正把“水課”轉(zhuǎn)變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[1]。現(xiàn)代控制理論課程是自動化類專業(yè)的基礎(chǔ)課、核心課，是后續(xù)專業(yè)主干課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，是開展控制領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的基礎(chǔ)，將現(xiàn)代控制理論課程打造成工科專業(yè)“金課”，對培養(yǎng)自動化類專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力和綜合素養(yǎng)至關(guān)重要。

一、課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容設(shè)置一般包括狀態(tài)空間法和最優(yōu)控制基礎(chǔ)兩個(gè)部分，具有理論性強(qiáng)、實(shí)用價(jià)值高、可延續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn)。理論性強(qiáng)是指課程學(xué)習(xí)需要有扎實(shí)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，如控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模、狀態(tài)空間的模型求解、穩(wěn)定性分析等，都離不開數(shù)學(xué)工具和物理分析；實(shí)用價(jià)值高是指課程核心內(nèi)容聚焦控制器和觀測器設(shè)計(jì)，可廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐；可延續(xù)性強(qiáng)是指現(xiàn)代控制理論課程是后續(xù)本科課程運(yùn)動控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制等的先修課程，也是控制科學(xué)與工程學(xué)科碩士研究生課程線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制等的基礎(chǔ)課程，更是研究生階段開展控制理論研究的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。

目前，傳統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)內(nèi)容趨于固定化，在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)方法上雖然做出部分嘗試，但還需要進(jìn)一步開展課程教學(xué)綜合改革?，F(xiàn)代控制理論課程改革的關(guān)鍵點(diǎn)如下：

一是課程具有理論性較強(qiáng)的特點(diǎn)，涉及較多的理論推導(dǎo)和證明，課程教學(xué)難度大。作為工科專業(yè)課，如何避免工科課程理科化，如何避免內(nèi)容枯燥，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣，吸引學(xué)生的注意力，需要在課程改革中進(jìn)一步探索。

二是課程內(nèi)容具有重要的實(shí)用價(jià)值，教學(xué)過程中如何緊密聯(lián)系工程實(shí)際，如何將專業(yè)背景融入課程教學(xué)，如何將行業(yè)發(fā)展與國家需求融入課程教學(xué)，提升學(xué)生對專業(yè)和課程的認(rèn)可度，這亟須在教學(xué)過程中予以解決。

三是課程具有較強(qiáng)的延展性，課程教學(xué)應(yīng)緊靠科技發(fā)展前沿。如何將前沿科技進(jìn)展與時(shí)代特征合理融入課程教學(xué)，如何將科學(xué)研究精神融入課程教學(xué)，以此激發(fā)學(xué)生對前沿科技的興趣，增強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)研究的熱情，是一項(xiàng)重要的工作。

二、“兩性一度”的內(nèi)涵分析

“兩性一度”即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，是衡量“金課”的標(biāo)準(zhǔn)?！案唠A性”強(qiáng)調(diào)知識、能力、素養(yǎng)的有機(jī)融合。通過課程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維，體現(xiàn)在工科課程教學(xué)過程中就是以學(xué)生為中心，實(shí)現(xiàn)德育與專業(yè)教育并重，理論教學(xué)與工程實(shí)踐并重。“創(chuàng)新性”要求課程內(nèi)容反映前沿性和時(shí)代性，不斷根據(jù)領(lǐng)域內(nèi)研究進(jìn)展與技術(shù)革新更新課程教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動性，根據(jù)課程特點(diǎn)不斷創(chuàng)新教學(xué)方式方法，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性；使學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化，同時(shí)創(chuàng)新學(xué)習(xí)結(jié)果考核方式，考核標(biāo)準(zhǔn)注重多元化，以此激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和靈動性。“挑戰(zhàn)度”是課程有一定難度，體現(xiàn)在課程教學(xué)內(nèi)容有一定難度和深度，教師需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生課后需要進(jìn)行深入思考，這對教師備課和學(xué)生課后學(xué)習(xí)提出較高要求。

基于課程內(nèi)涵分析，課程組對課程教學(xué)改革的要點(diǎn)進(jìn)行了提煉，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：德育與專業(yè)教育有機(jī)融合、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置與時(shí)俱進(jìn)、教學(xué)模式與方法不斷革新、考核評價(jià)機(jī)制多元化設(shè)計(jì)。基于“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

三、現(xiàn)代控制理論“金課”教學(xué)改革

（一）德育與專業(yè)教育有機(jī)融合

全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措。只有將德育與專業(yè)教育有機(jī)融合，才能實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)知識、能力、素養(yǎng)目標(biāo)的有機(jī)融合?，F(xiàn)代控制理論課程包括系統(tǒng)建模、運(yùn)動分析、穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)等內(nèi)容，其中蘊(yùn)涵了許多歷史文化、哲學(xué)思想。開展現(xiàn)代控制理論課程思政教學(xué)，將德育與專業(yè)教育有機(jī)融合有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和高級思維。另外，現(xiàn)代控制理論被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域，尤其在載人航天、人造衛(wèi)星、火箭導(dǎo)彈等國防事業(yè)中起至關(guān)重要的作用，這些領(lǐng)域誕生了錢學(xué)森、關(guān)肇直、王永志等諸多愛國科學(xué)家[2]，其中蘊(yùn)含著民族大義、愛國情懷和科學(xué)家精神，是課程教學(xué)過程中一筆寶貴的財(cái)富，關(guān)乎人才培養(yǎng)的價(jià)值導(dǎo)向。

（二）課程內(nèi)容設(shè)置與時(shí)俱進(jìn)

1. 緊追前沿科技，體現(xiàn)時(shí)代特征

課程教學(xué)的最終目的在于人才培養(yǎng)，而創(chuàng)新能力是高精尖人才的重要特征。為培養(yǎng)優(yōu)秀人才，作為自動化類專業(yè)核心課程的現(xiàn)代控制理論在課程內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)緊追前沿科技，體現(xiàn)時(shí)代特征。以“最優(yōu)控制”部分為例，“最優(yōu)控制”是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)重要分支，著重于研究使控制系統(tǒng)性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的基本條件和綜合方法。強(qiáng)化學(xué)習(xí)是人工智能領(lǐng)域的重要學(xué)習(xí)方法，具有前沿性，著重于研究使智能體在與環(huán)境交互過程中通過學(xué)習(xí)策略以達(dá)到回報(bào)最大化的方法。通過概念可知，最優(yōu)控制與強(qiáng)化學(xué)習(xí)有著密切的關(guān)系，都可以被用于求解優(yōu)化問題，而且二者具有共同的理論基礎(chǔ)，即動態(tài)規(guī)劃。因此，控制理論與強(qiáng)化學(xué)習(xí)本質(zhì)是相通的，都可以被應(yīng)用于控制領(lǐng)域，作為控制器設(shè)計(jì)的工具。在現(xiàn)代控制理論的課程內(nèi)容設(shè)置時(shí)可以適當(dāng)融入強(qiáng)化學(xué)習(xí)的內(nèi)容，既可以激發(fā)學(xué)生的興趣，又可以保證課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。但需要注意前沿教學(xué)內(nèi)容融入的尺度，不易難度太大，否則將產(chǎn)生適得其反的教學(xué)效果。

2. 立足創(chuàng)新培養(yǎng)，延伸拓展內(nèi)容

課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不僅要立足當(dāng)下，更要面向?qū)W生未來發(fā)展，因此要適當(dāng)?shù)貙I(yè)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行延伸拓展，以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和前沿思維，這對學(xué)生未來繼續(xù)攻讀學(xué)位或者工作都非常重要。以課程中的“觀測器設(shè)計(jì)”部分為例，如果僅僅是講授觀測器的概念、觀測器存在的條件、如何基于狀態(tài)觀測來進(jìn)行極點(diǎn)配置，即便結(jié)合很好的工程案例，仍然很難講透觀測器的本質(zhì)，學(xué)生會誤認(rèn)為觀測器的作用就是對難以測量的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。而實(shí)際上，觀測器是一個(gè)重要的概念，應(yīng)用極其廣泛。控制領(lǐng)域包含兩個(gè)重要問題，即跟蹤和抗擾，觀測器不僅可以觀測系統(tǒng)的未知狀態(tài)，還可以被應(yīng)用于擾動觀測和補(bǔ)償器設(shè)計(jì)。因此，在課程教學(xué)過程中，可以適當(dāng)?shù)貙⒄n程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行延伸，介紹擾動觀測器的概念和自抗擾控制理論的思想內(nèi)涵，這樣不僅可以讓學(xué)生獲得更多的知識，更重要的是可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深其對觀測器的理解。

3. 面向行業(yè)需求，結(jié)合工程實(shí)際

工科課程最終是要服務(wù)于工程實(shí)踐的，更是服務(wù)于行業(yè)需求的?，F(xiàn)代控制理論作為自動化專業(yè)的一門核心課程，其教學(xué)內(nèi)容一定要結(jié)合工程實(shí)際，面向行業(yè)需求。目前部分學(xué)校的課程教學(xué)以理論教學(xué)為主，課程教學(xué)內(nèi)容中工程背景和實(shí)踐內(nèi)容涉及不夠。為培養(yǎng)學(xué)生的工科思維和解決復(fù)雜工程問題的能力，現(xiàn)代控制理論的課程教學(xué)內(nèi)容要面向行業(yè)需求，結(jié)合工程實(shí)際。具體可以從以下幾個(gè)方面入手：一是涵蓋熱力系統(tǒng)、流體系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等行業(yè)背景知識，不能單一講授水箱和電路等最基本的物理系統(tǒng)；二是根據(jù)所服務(wù)的行業(yè)，在課程教學(xué)的主要章節(jié)中增加某些特定行業(yè)背景的應(yīng)用案例，理論聯(lián)系實(shí)際開展案例教學(xué)；三是適當(dāng)?shù)貙⑴c課程密切相關(guān)的科研項(xiàng)目和課題引入課程教學(xué)內(nèi)容，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)；四是將課程學(xué)習(xí)的知識融入后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。

（三）教學(xué)模式與方法不斷革新

1. “線上+線下”混合式教學(xué)模式

“線上+線下”混合式教學(xué)模式是將線上課程服務(wù)與線下教學(xué)相結(jié)合的一種教學(xué)模式，具有三大特征：“線上+線下”、翻轉(zhuǎn)課堂、師生高效互動[3]。由于現(xiàn)代控制理論課程具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，使得單純地開展線下教學(xué)的效果不夠理想，因此，有必要構(gòu)建“線上+線下”混合式教學(xué)模式。混合式教學(xué)的優(yōu)勢如下：

一是可以有效發(fā)揮校外精品教學(xué)資源的作用，將校外線上精品資源引入課堂，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，引導(dǎo)學(xué)生對知識進(jìn)行多角度多方位理解。

二是有助于培養(yǎng)學(xué)生獲取知識的能力，線上資源便于學(xué)生有規(guī)劃地進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。通過對線上知識的綜合利用，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的辯證思維。

三是便于教學(xué)活動的開展。教師可以充分利用在線平臺、多媒體軟件，配合各種教學(xué)方法，對教學(xué)過程實(shí)施全方位監(jiān)管，優(yōu)化過程考核。

2. “舉一反三”的啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生“理論聯(lián)系實(shí)際、舉一反三”的思維，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣[4]?，F(xiàn)代控制理論某些章節(jié)包含有大量的數(shù)學(xué)知識，但是其課程性質(zhì)又是工科專業(yè)課，課程內(nèi)容的本質(zhì)是數(shù)學(xué)知識在工程中的運(yùn)用。普通的講授式教學(xué)會造成課程教學(xué)枯燥乏味。開展啟發(fā)式教學(xué)，可以引導(dǎo)學(xué)生“舉一反三”，將已學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識聯(lián)系起來進(jìn)行加工創(chuàng)造。這個(gè)過程既可以幫助學(xué)生鞏固已學(xué)的知識，又可以鍛煉學(xué)生的綜合思維能力。教師從旁引導(dǎo)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，同時(shí)獲得自我實(shí)現(xiàn)的情感。以第二章“中線性定常系統(tǒng)的運(yùn)動分析”為例，其本質(zhì)是線性系統(tǒng)的求解，涉及線性代數(shù)的基礎(chǔ)知識。而系統(tǒng)的運(yùn)動分析則是研究系統(tǒng)在給定輸入作用下的響應(yīng)問題，如何將二者聯(lián)系起來是教學(xué)的關(guān)鍵。教師可以從電路原理課程入手，學(xué)生已學(xué)習(xí)過的一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的響應(yīng)分析，其實(shí)質(zhì)上就是系統(tǒng)運(yùn)動分析的特例，但學(xué)生在沒有學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論時(shí)是很難意識到這點(diǎn)的，教師可以深入淺出地進(jìn)行分析，使學(xué)生真正理解系統(tǒng)運(yùn)動分析的內(nèi)容。通過電路課程的啟發(fā)，學(xué)生可以掌握線性系統(tǒng)的運(yùn)動分析方法，進(jìn)而將數(shù)學(xué)原理推廣應(yīng)用到對其他類型的系統(tǒng)分析上，真正做到舉一反三、學(xué)以致用。

3.“探賾索隱”的探究式教學(xué)

探究式教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生對知識主動探尋的興趣，做到敢于解決課程的難點(diǎn)問題，逐漸培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力[5]。針對教學(xué)難度大的內(nèi)容，適宜采用探究式的教學(xué)方法，注重以學(xué)生為中心，有助于學(xué)生真正理解和掌握知識的本質(zhì)。以課程教學(xué)中的“李雅普諾夫穩(wěn)定性分析”為例，其中關(guān)于李雅普諾夫函數(shù)法的若干個(gè)定理都是充分性判定條件，特別是當(dāng)李雅普諾夫函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是負(fù)半定時(shí)，利用其分析非線性系統(tǒng)是非常困難的。為提高學(xué)生對專業(yè)知識的理解水平，使其具備“探賾索隱”的精神，教師可以制訂合理有效的探究式教學(xué)方案，設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)度的教學(xué)切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生主動探索，深入思考，達(dá)到對專業(yè)知識的深度理解，為后續(xù)培養(yǎng)研究型人才奠定基礎(chǔ)。

4. “鉤深致遠(yuǎn)”的項(xiàng)目式教學(xué)

項(xiàng)目式教學(xué)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，學(xué)生通過組建團(tuán)隊(duì)來解決一個(gè)開放式的問題[6]。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，工科學(xué)生應(yīng)具備解決復(fù)雜工程問題的能力，項(xiàng)目式教學(xué)無疑是適合的教學(xué)方法。根據(jù)現(xiàn)代控制理論課程特點(diǎn)，可以將任意實(shí)際系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)問題設(shè)置成為項(xiàng)目，如燃燒爐的爐溫控制器設(shè)計(jì)。教師將項(xiàng)目分配給學(xué)生，學(xué)生可以自由組隊(duì)來共同完成?？刂破髟O(shè)計(jì)的項(xiàng)目涉及對系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)的運(yùn)動分析，系統(tǒng)的能控性、能觀性分析，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，控制器設(shè)計(jì)等諸多課程內(nèi)容。如果系統(tǒng)的狀態(tài)不是直接可測量的，還涉及觀測器設(shè)計(jì)。通常情況下，一個(gè)項(xiàng)目就會覆蓋整個(gè)課程的核心教學(xué)內(nèi)容。通過項(xiàng)目式教學(xué)，可以幫助學(xué)生厘清概念，增進(jìn)學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和解決復(fù)雜工程問題的能力。

（四）考核評價(jià)方式多元化設(shè)計(jì)

高校培養(yǎng)的人才應(yīng)該是鮮活的，具有個(gè)性創(chuàng)造力的，人才培養(yǎng)個(gè)性化是對傳統(tǒng)的教育模式的積極變革[7]。課程的考核評價(jià)方式不應(yīng)該是單一的，而應(yīng)該是多元化的，考核機(jī)制應(yīng)該能夠反映學(xué)生知識掌握情況、能力獲得情況、素養(yǎng)提升情況。通過將課程目標(biāo)分解為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素養(yǎng)目標(biāo)，引入主觀評價(jià)方法，將主觀與客觀評價(jià)結(jié)合，增加過程考核所占比重。具體做法是將過程考核比重提高到50%，同時(shí)細(xì)化過程考核內(nèi)容，考核范圍覆蓋課程互動、章節(jié)測試、隨堂練習(xí)、課程報(bào)告、課堂表現(xiàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)?？己嗽u價(jià)方式多元化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是最終建成“知識、能力、素養(yǎng)”三閉環(huán)的機(jī)制，這不僅有助于開展評價(jià)，而且有助于實(shí)時(shí)優(yōu)化教學(xué)過程。

四、結(jié)語

本文基于“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)對工科專業(yè)“金課”建設(shè)進(jìn)行了改革研究，具體以現(xiàn)代控制理論課程為例，從課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀分析出發(fā)，對課程教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)模式方法、考核評價(jià)方式等多方面進(jìn)行了改革研究，具體包括實(shí)現(xiàn)知識能力素養(yǎng)目標(biāo)的有機(jī)融合，從前沿性、延續(xù)性、實(shí)用性的角度更新課程教學(xué)內(nèi)容，將啟發(fā)式、探究式、項(xiàng)目式等教學(xué)手段應(yīng)用于教學(xué)過程，設(shè)計(jì)多元化的考核評價(jià)機(jī)制。課程教學(xué)改革的目的旨在將現(xiàn)代控制理論課程打造成為“金課”，提高自動化類專業(yè)的人才培養(yǎng)水平。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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[3］ 沙楠， 郭明喜， 高媛媛，等. 線上線下混合式教學(xué)模式探索與實(shí)踐：以“通信原理”課程為例[J].高等教育研究學(xué)報(bào)， 2022， 45（4）： 69-72.

[4］ 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.

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［責(zé)任編輯：蘇祎穎］