應用型人才培養模式下現代控制理論課程教學改革探討

陳衍峰

(通化師范學院 數學學院，吉林 通化 134002)

現代控制理論課程是高校數學與應用數學專業本科生開設的專業課程之一，也是自動化、運籌學與控制論等專業研究生的最優控制理論等課程的基礎．現代控制理論課程是從實際系統中抽象出來的數學模型出發研究系統本身的運行規律，其理論性與工程應用性很強．該課程的開設將為學生后續進行各種實際控制系統的分析、設計提供堅實的理論基礎，具有十分重要的意義．

應用型人才培養模式要求高師院校數學教育要夯實專業基礎，拓寬專業口徑，加強學生素質教育，注重學生創新能力培養和個性化發展，要樹立理論聯系實際、強化實踐教育的思想，教育方式也要從原來的教師為主體過渡到以教師為主導，學生為主體，同時對教學內容和課程體系進行相應的改革．這對傳統的現代控制理論課程教學是極大的挑戰，如何在應用型人才培養模式下進行現代控制理論課程教學改革是一個值得研究的課題．

1 現代控制理論課程教學中存在的問題

1.1 內容多，學時少

現代控制理論課程內容主要包括：控制系統的狀態空間模型、傳遞函數和狀態空間模型間的轉換、齊次和非齊次狀態方程的解、系統能控能觀性的對偶原理、李雅普諾夫穩定性原理、線性系統的穩定性分析、穩定化狀態反饋控制器設計和極點配置等．課程標準規定課時為50學時，學時偏少．為了完成教學內容，往往采取滿堂灌的形式授課．這種教學方式使學生經常處于被動學習的地位，容易產生思維上的疲勞和情緒上的抵觸，學習的積極性、創造性、主動性、靈活性得不到充分發揮，難以提高探索和獲取知識的能力．

1.2 重理論，輕實踐

現代控制理論課程的中心任務是提出并研究用數學理論方法有效地解決工程實際問題．它一方面是數學，其研究手段包括數學推導、分析、論證和計算．另一方面，它又是一門系統的科學理論，任何問題的解決都需要通過聯系實際應用的系統知識，通過程序設計來實現．因此，現代控制理論教學的目的是培養學生既要有扎實的理論基礎，又要有解決實際問題的能力．但是傳統的教學模式往往只注重講授原理，對于實踐環節的教學不夠重視，使得學生不能全面地理解和運用書中的理論知識，而僅停留在要求學生用現成的程序求解或證明課后習題這一基本階段．學生對課堂講授的知識理解得不夠深，難以將其自覺運用到實際中．由于過多地強調數學理論，缺乏對控制理論實際工程等背景的介紹，學生感到這門課抽象難懂、枯燥無味、難以掌握，學習的興趣不高．

2 現代控制理論課程教學改革中應該堅持的原則

2.1 以需求為牽引，保持課程可持續發展

數學學院的現代控制理論課程最早開設于2006年，至今已走過8年的歷程，取得了一些成果，要想保證課程的可持續發展，必須堅持以應用型人才培養需求為牽引的原則．

隨著社會的飛速發展，高校人才培養模式不斷變化，高等教育改革在如火如荼地進行．學校的人才培養目標從傳統培養“專才”轉變為培養發展型、應用型的具有較強實踐動手能力的“通才”．這對人才培養提出了新的挑戰，傳統的教學理念、課程體系、教學內容等已經不能完全適應今后的人才培養目標，這對現代控制理論課程提出了新的更高的要求．我們要跟緊全國高等教育改革的步伐，繼續為社會各行各業培養合格的新型人才．因此，必須加強培養應用型人才的現代控制理論課程建設，同時，也要建立系統、完善、多層次、多角度的現代控制理論教學體系．這樣，才能保持這門課程的可持續發展，避免被淘汰的尷尬，為社會培養急需的高素質人才．

2.2 以質量為核心，保證課程改革協調發展

課程改革的協調發展應該從課程的規模、質量和效益的協調發展及滿足社會發展對人才的需求上體現出來．而從規模、質量、結構和效益及發展的整體效應來看，課程改革的核心是質量，如果課程改革不講究質量，那么，課程建設的規模再大、結構再完善，也形同虛設，無法培養出真正的應用型實踐性人才，更無法為社會服務．因此，在現代控制理論課程改革中，要堅持以質量為核心的原則，保證課程改革的協調發展．

3 現代控制理論課程教學改革采取的措施

3.1 改革教學內容

以培養應用型人才的實踐能力為核心，建立適合專業特色的教學改革模式．對課程結構整體優化的基本改革方向是：打破純基礎理論為中心的課程結構，實行課程知識和能力綜合的課程結構．在縱向結構上，根據學生已有的知識水平和能力范圍，調整原有的現代控制理論課程內容體系，減少重復內容，加強必要的應用數學軟件技巧訓練(如：Matlab仿真和實驗等)，訓練和提高學生的邏輯思維能力、創新能力．在橫向結構上，為適應現代高技術條件下不同學科、不同專業領域的交叉、滲透發展趨勢，在不損害課程結構的縱向關聯性，不削弱課程自身的邏輯性和完整性的前提下，依據學科特征，打破其自我封閉的狀態，汲取多種控制論教材的優點，在淘汰陳舊內容的基礎上，更新教材內容，擴大知識面．

現代控制理論課程內容多，學時少．因此在選擇教學內容時，要以實際編制的教學大綱為依據，在兼顧各種實際要素的前提下，精選重點教學內容，講授最基本的概念和原理、方法，將其弄懂講透，其他部分內容指導學生自學，課上和課后有機結合，基礎理論+實際運用(實例分析和計算機編程)能夠更好地展現現代控制理論課程的特點．

3.2 改革教學方法

教學方法的改革要突出現代化特征，體現現代教育理論、思想和觀點，貫徹教師的主導作用與學生的主體作用相統一的教學原則，把學生當成知識的主動加工者，大力提倡啟發式、討論式、精講多練和自學的教學方法．教師應潛移默化地使學生掌握思想和方法，在學習和發現中提高學生的應用創新能力，讓學生在探索活動中不斷提高解決問題的科學思維方法．改革傳統的以傳授知識為主的“邏輯-演繹”式的教學線索，引入體現知識實際發生、發展的“歷史-活動”式的教學線索和展現創造性思維心理過程的“心理-認知” 式的教學線索，并將三者整合為一．這樣使學生在獲取知識和邏輯思維能力的同時，充分體現邏輯和非邏輯整合的創造過程，培養以創造性思維為核心的實踐創新學習能力．

現代控制理論內容多、應用性強．教師要利用經典控制理論物理概念明確、工程意義強的特點，突出現代控制理論的物理概念和工程背景，引導學生走出現代控制理論是純粹數學推導，不易建立工程概念的誤區，讓學生覺得教學內容思路清晰，概念清楚，分析、處理問題方法簡潔．在教學中還要注重理論聯系實際，引入工程實例，通過對實際系統的講解，引出抽象的概念和理論，從而使學生更容易理解和掌控．例如利用倒立擺平臺進行直觀演示，指導學生完成倒立擺的系統建模、分析及控制器設計等，提高學生的工程應用能力．

隨著計算機技術的發展，計算機的應用已涉及到當今社會的各個領域．現代控制理論教學改革中，可以利用計算機、應用數學軟件開展實驗教學，讓學生在學習控制理論相關教學內容的過程中，將遇到的抽象問題通過Matlab等在計算機上逼真地演示出來，使數學問題由抽象到形象、具體，降低了數學學習的難度，同時也提供給學生一個形象展示抽象問題的有效方法，提高了學生的學習興趣，進而提高教學效率和學習效率．

3.3 優化教學手段

教學手段其本身就是現代科學技術發展的產物．現代教學技術為數學這一思維提供了一個嶄新的課堂教學模式，將現代教學技術和科技成果充分用于現代控制理論課程教學，開發和推廣相關的計算機模擬、計算機仿真、CAI等各種教學軟件和系列電視教學片．

現代控制理論中有很多非常有用的系統分析方法，如狀態空間表達式的求解，傳遞函數與狀態空間模型之間的互化，系統能控性、能觀性和穩定性的分析，控制器的設計等，使用這些方法時主要是算術運算，運算量極大，手工難以完成．每講一個具體方法分析實例，要寫很多板書，加上中間的算術運算，需要耗費很長時間，這勢必影響教學效率，通過數學軟件則可以方便快捷實現．在教學課件中插入利用數學軟件編寫的程序，邊講邊演示，可以實現實際系統的數學模型表示．學生利用數學軟件進行二維和三維圖形的制作和演示，更容易理解和掌握關于現代控制理論的系統分析方法．可見，在借助多媒體課件講授時，教師可以省去板書的時間和精力，把重點放在講解和推導上，使教師可以更多地注意課堂教學內容的組織和講授，增大課堂信息量，提高教學效果和教學質量．當然，在教學過程中還要處理好現代化教學手段和傳統的黑板媒體之間的協調使用，尤其是某些概念的引入、基本原理、方法和技巧，必要時還需要借助板書進行演示，這有利于學生的理解和掌握．

3.4 改革考試方式

傳統的現代控制理論考試方式以閉卷考試為主，平時考勤為輔．這種考試方式有其優點，考試組織方便，對學生學習評價標準統一，當然也存在不足，學生一般等到考前根據教師講解的重點用功學習，死記硬背，不能真正學到知識．而且筆試反映的是學生對理論知識的掌握程度，不能反映學生的應用能力和創造能力．要與應用型人才培養模式相適應，就要對現代控制理論考試方式進行改革．可以采取以下兩種方式：第一種是平時測評與期末考試相結合，平時測評占20%，期末考試占80%；第二種是開卷考試和閉卷考試相結合，由于數學公式和定理多，可以要求學生將比較重要不好記憶的公式和定理寫在紙上帶進考場，減輕學生負擔，將更多的精力投入到對知識的重點、難點進行理解、歸納和總結上．

總之，應用型人才培養模式框架下的現代控制理論課程教學改革轉變了教師的教育思想，不僅突出了課程本身的基礎地位，而且突出了對學生創造性思維的培養．現階段，現代控制理論課程對于當代科學乃至整個社會的影響和推動作用日益顯著，在現代控制理論課程的教學實踐中，要積極推進教學各方面的改革，真正把素質教育落實到教學當中去．

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