《現代控制理論》研討式綜合教學方案設計

韓立強

摘要：本文在以“能力導向、學生主體、教師主導”的教學改革指導思想下，以現代控制理論為例，進行教學方法的改革，讓學生積極思考問題，讓學生從被動的接受者變成主動的參與者，為此引入研討式教學方法，設計了現代控制理論研討式教學方案。

關鍵詞：研討式；方案設計；現代控制理論

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）31-0154-02

一、引言

現代控制理論為測控專業基礎課，課程主要包括狀態空間的基礎理論，使學生掌握必要的現代控制理論的基礎知識，為后續專業課打下理論基礎。因為本課程理論性較強，以課堂講授為主，如果教學方法不當，僅僅根據課本照本宣科地向學生傳授課本專業知識，很容易讓學生覺得枯燥無味，挫傷學生的學習激情與主動性，嚴重影響學習效果。因此需要對教學方法改革，讓學生積極思考問題，讓學生從被動的接受者變成主動的參與者，為此針對課程設計了研討式教學方案。

二、研討式教學方案的整體設計

課程主要是關于狀態空間的基礎理論，本課程以課堂教學為主，要求在理解有關狀態、狀態空間的基本概念基礎上，理解和掌握系統矩陣與穩定性的關系，線性系統狀態轉移的過程，能控性、能觀測性，與系統設計的關系，掌握并靈活運用極點配置，觀測器設計方法對系統進行設計。通過課程實驗，掌握模型轉換，李亞普諾夫矩陣方程的解法，掌握運用狀態反饋對系統進行極點配置的設計方法。學會應用Matlab進行控制系統輔助分析設計的基本技能，為日后解決實際工程問題奠定基礎。

通過本課程學習，使學生做到對各章概念融會貫通，解題方法靈活運用，分析解決實際問題。為此，現代控制理論的研討式教學方案設計從內容結構、教學方法、訓練載體、考核方式等幾個方面，設計了以知識點問題為主線，將課程理論教學內容、研討式教學、綜合知識應用大作業、實驗教學、考核方式相結合的教學模式。

（一）現代控制理論研討式教學知識點

現代控制理論課程體系主要圍繞建立控制系統的數學模型基礎之上，學習對控制系統的分析方法和系統綜合方法。即建立控制系統狀態空間表達式模型，特別狀態模型的三種實現能控標準型、能觀標準型、約當標準型，以及各種模型之間的相互轉化；在模型建立后分析控制系統的時域響應，分析控制系統的能控性和能觀性，利用李亞普諾夫第二方法分析系統的穩定性；為了改善系統性能，然后對系統進行綜合設計，即利用狀態反饋實現極點配置，為了解決狀態不能直接檢測的問題，利用帶狀態觀測器進行狀態反饋系統設計。

（二）現代控制理論研討式教學模式

1.通過理論教學應掌握的知識與方法。了解自動控制與系統的基本概念、基本要求；建立控制問題的系統觀，學會用控制系統的思想理解問題；掌握控制系統狀態空間模型的建立方法。重點掌握由傳遞函數（矩陣）到狀態模型的三種實現：能控標準型實現、能觀標準型實現、約當標準型實現；掌握如何求線性定常系統齊次狀態方程和非齊次狀態方程的解；掌握線性連續定常系統的能控性和能觀性概念及判別準則；掌握控制系統穩定性的基本概念，重點掌握李亞普諾夫第一、李亞普諾夫第二分析法；掌握通過反饋設計控制系統。重點掌握狀態反饋能任意極點配置的條件和利用極點配置實現狀態反饋，重點掌握全維狀態觀測器的實現；掌握狀態觀測器的狀態反饋系統設計。

2.通過實驗教學進行動手實踐能力培養。通過數字仿真軟件解算實際控制問題，學會掌握控制系統的計算機仿真分析，通過對MATLAB軟件的學習，掌握基本的模型變換、典型系統的響應分析等語言，提高解決控制問題的計算與分析能力。通過模擬仿真電路實驗，提高學生控制電路調試與實現的能力。通過控制理論實驗裝置，學生根據自行設計的控制理論教學實驗電路進行模擬仿真電路實驗，提高學生的動手實踐和理論聯系實際的能力。

3.通過整個課程教學設計進行綜合素質培養。根據教學內容，在課堂開展研討式教學，本課程共設計了五個研討性教學環節，培養學生與人合作的能力和探索知識的精神。針對重點內容分別設計了綜合知識測驗和綜合知識應用大作業，來培養學生綜合應用知識的能力。通過本課程的理論、實踐和研究性教學，學生基本具備運用自動控制理論解決實際問題的能力，并能夠初步完成今后生產和科研中遇到的基本控制任務。

三、研討式教學訓練載體的設計

研討式教學模式主要通過引例進行基本概念和理論的講解，在課堂上開展討論式教學，按照知識點進行研討式教學設計，讓學生自主學習，查閱文獻和學習新知識，培養學生歸納總結、在有限的時間內學習的能力；配合課后練習對基本概念進行有針對性的訓練，對重要知識內容進行學習效果檢驗。每部分配合教學內容進行綜合知識運用的訓練，配有大作業。根據教學內容設計實驗訓練項目。針對每個知識點設計研討式教學模式。

1.習題。根據各章知識點，每章布置一定數量的作業，鞏固所學內容。

2.課堂研討式教學。第一章課堂研討式教學一：如何從各個角度建立控制系統狀態空間表達式，討論狀態空間表達式實現的非唯一性。第二章課堂研討式教學二：討論求解系統方程響應的不同方法。第三章課堂研討式教學三：討論能控性能觀性的含義。第四章課堂研討式教學四：討論穩定性的含義以及判別穩定性的各種方法。第五章課堂研討式教學五：討論如何實現系統綜合，以及實現極點配置的各個反饋結構的優缺點。

3.隨堂測試及綜合測驗。第一章隨堂測試一次，第二章隨堂測試一次，第三章隨堂測試一次，第四章隨堂測試一次，第五章綜合測驗一次。

4.綜合知識應用大作業。課后綜合知識應用大作業共三次。第一次根據課堂討論，查閱資料，建立一個實際控制系統不同形式的模型（如傳遞函數、微分方程、狀態空間表達式等）。第二次根據課堂討論，查閱資料，用不同方法求解控制系統的方程，總結不同方法的優缺點。第三次根據課堂討論，查閱資料，用不同方法判別控制系統的穩定性，總結不同方法的優缺點。

5.實驗教學。實驗內容：（1）控制系統的不同實現。（2）狀態反饋極點配置。

基本要求：觀察實驗結果，有一感觀印象，鞏固學生所學的知識，驗證所得的理論結論，使學生初步掌握實驗方法和操作技能，鍛煉他們的動手能力，訓練他們整理資料、編寫實驗報告的能力，培養嚴格的科學作風。

四、研討式教學的訓練組織形式和安排

1.練習題的教學組織形式和安排。根據教學日歷，布置課后習題；閱后，下一次課，根據習題中出現的共性問題，集中講評。

2.課堂研討式教學組織形式和安排。根據講授內容，布置討論題目，10人一組，討論后演講，回答問題，老師總結點評。在研討時，教師需要及時進行提醒和引導，控制研討的進度，避免研討過程散漫。

3.隨堂測試及綜合測驗的教學組織形式和安排。根據教學日歷，講完本節內容后，隨堂進行，可以參考資料，但必須在規定時間內獨立完成。收卷后，課后閱卷，給出成績，課上根據測驗中出現的共性問題，集中講評。

4.綜合知識應用大作業教學組織形式和安排。課堂上布置綜合知識應用大作業，學生課后完成，可以查閱資料文獻，獨立完成，根據要求對所用知識點進行歸納和分析，需給出參考文獻。

5.實驗教學組織形式和安排。根據教學日歷，講授完實驗內容所涉及的各個知識點后，聯系實驗中心，安排實驗任務，最后撰寫實驗報告。

五、學生課程成績評價體系與標準

1.學生成績考核形式與比例。課程總成績=期末考試成績×60%+隨堂測試及綜合測驗×20%+課堂討論及大作業×10%+實驗成績×10%

2.課堂研討式教學成績評價。主要從以下幾個方面對課堂研討式教學成績進行評價：闡述問題的邏輯性及流利程度，能否恰當運用控制理論相關知識點，能否正確回答問題，能否提出自己的見解。

3.綜合知識應用大作業成績評價。主要從大作業的問題的分析過程質量和撰寫質量兩方面評價。包括對問題的提煉能力、能否提供清晰的解決方案、能否綜合運用知識解決實際問題、能否正確進行分析、能否正確提煉出結論。

4.實驗報告評分。實驗教師主要根據學生理論計算、實驗電路的設計及分析、預期結果和實驗結果、報告的撰寫及結論進行評價。

六、效果及結論

利用多種教學手段的研討式教學方法教授現代控制理論這門專業課，能充分調動同學們的學習積極性、主動性，充分發揮他們的主觀能動性與創造力，在引導同學們自己“創造”出很多專業知識的同時，培養了同學們綜合應用相關知識的能力，并對這些知識點有了深刻認識與本質把握，培養了其動手動腦分析問題、解決問題的能力，培養了其創造性和創新能力，并讓他們學會、掌握了相應的學習方法。自實踐上述教學方法以來，整個班級的學習氛圍得到增強，取得了良好的教學效果。

但也存在一些問題，比如在實施過程中，因為學時的限制，學生數量較多，所以研討進度較慢，不能大規模進行課堂式研討。另外將來如何聯系當前一些實際熱點問題和前沿知識，應用所學知識點，引導學生進行討論，更好地激發學生興趣，將是進一步改進的方向。

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