現代控制理論課程教學改革研究*

◆李俊紅 顧菊平 馬衛國 王娟

作者：李俊紅、馬衛國、王娟，南通大學電氣工程學院副教授，研究方向為系統建模與控制；顧菊平，南通大學電氣工程學院教授，研究方向為控制理論（226019）。

1 前言

現代控制理論是南通大學自動化專業學生“自動控制原理”的后續課程，是自動化類專業本科生的一門專業必修課，學時為48 學時，其中實驗學時為6 學時。本課程不僅是自動化專業的一門重要的專業課，而且是一門考研專業課，占有舉足輕重的地位。目前，不僅許多大學的自動化專業將本課程作為本科生的必修課，而且許多其他學科，比如運籌學、經濟類等學科，也把該課程作為選修課。

為了適應新形勢下控制理論發展的需要以及新時期人才培養的新要求，研究型教學模式日益受到重視。研究型教學模式是以知識教育為依托，以培養學生的能力為主要目的，把學習、研究、實踐有機結合并引導學生科研主動性的充分發揮[1-2]，并且能夠創造性地運用知識和技能，養成能夠自主解決問題的科學探索精神，以培養高層次、復合型的高素質人才的一種教學模式。

目前，南通大學正加快推進從教學型大學向教學研究型大學的轉變。在這個背景下提出現代控制理論課程的研究型教學改革，期望通過實行教學與研究的結合，讓學生接觸本學科前沿知識，通過優化課程內容和教學方法建立基于研究的學習模式，推進人才培養質量的提高。

2 優化教學內容

現代控制理論課程的主要特點是理論性強、概念抽象、數學基礎要求高、公式多、計算繁雜，學生往往感到枯燥無味、難懂，而有些數學基礎好的學生，盡管能看懂理論和方法，但不知道如何使用[3-4]。目前南通大學本課程所用的教材是國家級精品課程主干教材《自動控制原理》（第五版），授課學時是48 學時，包括6 學時實驗，因此理論授課時間是非常有限的。如何在有限的學時內讓學生把握住重點？這就需要精簡教學內容，強化關鍵內容。因此，教師在講授過程中，結合學生的水平及學時安排情況，精簡了部分教學內容。比如：在可控性方面，重點掌握狀態可控性，尤其是線性連續系統的狀態可控性；在可觀測性方面，重點講線性連續系統的內容，對于離散系統部分，可以根據對照關系讓學生掌握。

此外，作為一門不斷發展和前進的學科，新的控制理論研究熱點和內容不斷涌現，現有教材的更新往往遠落后于理論的飛速發展。因此，在保證書本上重點內容、基本原理和方法的介紹之外，適時增加控制理論的新的內容。

3 理論知識和實際例子有機結合

現代控制理論課程包含大量的理論概念和矩陣運算，概念抽象，學生在學習過程中感覺較為枯燥，有些學生甚至認為該門課的主要任務就是數學計算，而忽略了現代控制理論的工程應用背景[5]。為了讓學生將理論與實際結合起來，在教學過程中引入實驗室的旋轉式倒立擺系統作為工程案例，并貫穿于整個教學過程。比如，在講狀態空間建模時，除了介紹課本上的RLC 電路和機械系統的建模例子之外，將實驗室的倒立擺系統作為一個實際對象，讓學生通過懸臂、擺桿的受力分析，并通過線性化處理，化簡并列出它的狀態空間模型；在講能控性、能觀測性這一部分時，同樣結合倒立擺系統，根據化簡得到的狀態空間模型，通過MATLAB 仿真分析它的能控性和能觀測性。通過直觀的控制系統實例，引導學生進行自主和研究型的學習，激發學習興趣。

4 翻轉課堂與傳統授課方式相結合

現代控制理論課程包含大量的復雜公式和數學證明，如果僅僅通過每節課40 分鐘的課堂講授，有些學生可能對某些知識點掌握不牢。MOOC（Massive Open Online Course）近兩年來受到國際及國內教育界的高度關注，它的主要思想是借助現代信息技術和互聯網平臺，將傳統高校的課堂教學轉移到網絡平臺，讓更多的學習者在虛擬的教室里自由學習[6-7]。MOOC 的開放性可使學生通過網絡搜索找到全球各學科最高水平的課程，并可針對不同大學的課程進行比較，分析其異同，找到更適合自己學習的課程，有助于更加深入、全面地理解課程內容。對于不明白的地方，可以通過反復觀看講課視頻掌握，而這是傳統高等教育很難達到的。

目前，在線學習、隨時學習、翻轉學習、互動學習等一系列新理念吸引了全球眾多名校加入到新的教育改革浪潮[6]。目前，國內除了像國家精品課程資源網這樣的精品課程展示網站外，也已經出現了慕課中文網站。在課程講授過程中，把精品課程、MOOC 網站上的課程網址告知學生，在講課之前讓他們事先通過課程網站學習相關知識點，讓學生帶著問題聽課，從而提高課堂教學效率。對于課程學習中的問題，也可以課后通過繼續查看相關視頻深入掌握。通過將MOOC 在線課堂與傳統課堂教學相結合，可以提高學生學習的主動性和積極性，從而培養學生自主學習、處理問題的能力。

5 科研與教學緊密結合

研究型教學是要培養學生的科研能力，養成良好的科研素養，這就需要學生接觸和學習新的理論和方法。隨著控制理論和技術的不斷發展，新的控制方法不斷涌現，現有的教材中往往不能緊跟控制理 論最新的研究方向和熱點。這就需要教師結合自己的科研方向和研究進展，將接觸到的最新的控制領域發展介紹給學生[3]。

首先，教師要能夠走出去，參加比如中國控制會議、中國控制與決策會議等國內重要的控制會議，聽取國際國內著名控制專家的大會報告，并與同行交流，自己首先能夠消化吸收。

其次，在教學過程中，結合課堂教學內容，適時地把中國控制會議或中國控制與決策會議等部分大會報告進行介紹[8]，并介紹一些非線性控制、系統辨識及建模、預測控制、魯棒控制及分布參數系統控制等最新的控制理論進展，使學生及時了解和掌握現代控制理論的發展方向。

最后，將自己科研中下載的某些比較好的英文綜述文獻發送給學生，既可以開闊他們的視野，還可以鍛煉他們閱讀英文文獻的能力，提高他們的綜合素質。

6 結語

針對現代控制理論課程公式多、理論性強的特點，在教學過程中，通過調整教學內容、改進教學方法、科研與教學相結合等舉措，培養創新型人才，增加了學生學習該課程的興趣，提高他們利用控制理論解決實際問題的能力和科研創新精神，收到良好的教學效果。

[1]籍建東.研究型教學模式與傳統教學模式的比較[J].職教論壇，2011(5):43-45.

[2]李彥.研究型教學在英語語言學課程中的實踐[J].湖北廣播電視大學學報，2013(9):130-131.

[3]李鈞濤，馬天水，李文林.基于創新人才培養的現代控制理論課程教學改革[J].南陽師范學院學報，2011(3):98-100.

[4]孟月波，嵇啟春.“線性系統理論”本科教學改革與實踐電氣[J].電子教學學報，2009(z2):196-198.

[5]陳峰.CDIO 模式下《現代控制理論》課程教學改革的探討[J].實驗科學與技術，2012(3):69-70，132.

[6]徐明，龍軍.基于MOOC 理念的網絡信息安全系列課程教學改革[J].高等教育研究學報，2013，36(3):16-19.

[7]李斐，黃明東.“慕課”帶給高校的機遇與挑戰[J].中國高等教育，2014(7):22-26.

[8]張正強，王艷.“現代控制理論”課程的教學探討[J].電氣電子教學學報，2009(5):31-32.