《現代控制理論》課堂教學卓越計劃的改革探索

劉麗娜++李素玲++胡健

摘要：為了實施《現代控制理論》課程課堂教學卓越計劃，改革教學模式，提高教學效果，提出了從授課內容的選擇與組織，教學組織形式、方法與手段，實踐環節的教學等方面進行課堂教學的改革。通過側重知識體系，突顯學生主體地位，恰當運用現代教育技術，充分發揮傳統教學特色，引入Matlab和OrCAD Pspice軟件改革實踐環節教學方式，使教學、仿真、設計與實驗并重。實踐證明，有利于提高教學效果和教學質量，有利于學生實踐與創新能力的培養，能較大程度地提升學生的現代工程的意識。

關鍵詞：現代控制理論；課堂教學；卓越計劃；OrCAD Pspice

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）52-0115-02

《現代控制理論》（Modern Control Theory）是自動化專業重要的專業基礎課程之一，我校的《現代控制理論》課程建設有著悠久的歷史和豐厚的底蘊。自2008年以來在國內較早進行了雙語教學實踐，編著了英文版講義和英文版教材，并設計了較完善的雙語教學材料。該課程是理論性較強的專業課之一，內容比較抽象，涉及到線性代數，矩陣論，復變函數等數學課程，理解起來難度較大。如果在教學過程中安排不當，很容易使學生感到枯燥，產生厭學情緒。在教學過程中，以能力培養為核心，不斷優化設計教學內容是我們的教學改革重點。如何在理論教學過程中引入實際控制系統的分析與設計實例，比如雷達定向控制系統設計與仿真；讓學生充分感覺到學習《現代控制理論》這門課是有用的；如何在實踐環節訓練中，引導學生利用學過的理論知識進行控制系統的分析與優化，讓學生在實踐中會用《現代控制理論》，培養學生的可持續發展能力，是我們課堂教學卓越計劃的工作重點。本項目從課程授課內容的選擇與組織、教學組織形式、方法與手段及實踐環節的教學等方面等進行了探索與實踐，為課程的建設與發展提供了新方法、新途徑。實踐證明，通過這些教學改革措施，使學生在課堂上聽得清晰明了，學得輕松透徹；在實踐環節訓練中做的有目的、有體會、有深度；有利于提高教學效果和教學質量，有利于學生實踐與創新能力的培養，能較大程度地提升學生的現代工程的意識。

一、側重知識體系，注重實際運用

根據“知識模塊順序”設計授課內容，包括：STATE SPACE DESCRIPTION（狀態空間描述），TIME RESPONSE OF THE LTI SYSTEM（LTI系統的時域響應），STABILITY OF THE CONTROL SYSYEM（控制系統的穩定性分析），CONTROLLABILITY AND OBSERVABILITY（能控性和能觀測性分析）和SYNTHESIS OF THE LTI SYSTEM（LTI系統的綜合設計）五大模塊。在每一個模塊的講解過程中，注重背景和內涵的講解，將學生引入模塊，而不是直接灌輸。比如，在穩定性的講述中，首先要從能量的觀點講清穩定性理論在控制系統中的意義；給出李亞普諾夫第一方法和第二方法在內容、對象、范圍上的差異。這樣學生就能夠比較清楚的了解到為什么要引入穩定性概念，對什么樣的系統、什么樣的問題應采取什么樣的方法，以及哪些問題可以轉化為穩定性問題來處理。

二、恰當運用現代教育技術，充分發揮傳統教學特色

隨著現代教育技術的發展，全新的教學模式和教學手段涌進了課堂。但在實際教學過程中發現，全面“現代化”不是改善教學效果、增強信息量及提高學生聽課效果的最佳手段。比如過度使用Powerpoint課件，學生會認為這僅是簡單的“教案平移，黑板搬家”，學生聽著聽著就累了，課堂教學方式過于單一。因此，在使用Powerpoint課件和板書相結合的同時，我們采取啟發互動式教學方法，通過課前預習討論、讓同學回顧上節課內容，寫出本節課最想知道的知識點，這樣既可以承上啟下，還可以使同學帶著問題去聽，去學，效果很好。

三、改革教學組織形式、方法與手段，凸現學生主體地位

為了突顯學生的主體地位、教師的主導作用，任課教師要在授課過程中發揮出正確的、良好的引導作用，將從以下幾方面提高學生的學習主動性和主體地位。

1.學生認知性學習。學生的認知性學習也就是理論教學環節，教師首先以主講形式講解各章節的基礎知識，可以采取傳統的教學方法與教學手段進行，然后以學生主講的形式進行，針對章節性的或者是階段性的、或者是專題性的問題提出問題，讓學生對學習過的內容進行描述，交流心得體會。如在學習完現代控制理論之后可以設置這么一次課，讓學生針對如下問題思考并回答：學習現代控制理論之前為何要學習自動控制原理？現代控制理論的分析主線是什么？現代控制理論為什么既可以分析SISO又可以分析MIMO系統，為何引入反饋？有哪幾種形式的反饋？狀態反饋和輸出反饋有什么區別？如何解決極點配置問題？為什么要用觀測器構建狀態反饋？等等。學生在講解、交流的同時可以加深理解與掌握的程度，教師可以在此過程中給予正確的指導，糾正學生出現的錯誤。

2.學生個人作業。依據《現代控制理論》的授課內容，針對現代控制和經典控制的不同內容，按照所學知識的先后順序設置了5次學生個人作業，例如：線性定常系統的MATLAB建模、仿真與運動分析；線性系統的極點配置問題和狀態觀測器實現問題；帶狀態觀測器的反饋控制系統實現與分析問題。個人作業可以選擇使用Matlab/Simulink/multisim，每位同學都要寫出文字報告。在這里，對于現代控制理論來說，上一次的作業基本上都是下一次作業的基礎，從而可以使學生清醒地認識到產品開發的連續性，進而可以建立工程理念。同時還可以大大提高他們的主觀能動性和創造性，同學可以依托個人作業進行課外研究。

3.學生組隊項目。學生組隊項目強調學生團隊協作的意識、綜合創新的能力。按照教學內容，我們給出一些綜合性比較強的設計性題目，要求學生以4～8人左右的小組為單位，讓他們自由組隊，自由分解任務，自己安排進度，注意發揮集體的力量，各盡所能地完成資料的收集、方案的提出與設計、電路圖的繪制、仿真或調試等任務，同時要和同一項目組內的其他成員相互交流，對問題的討論務必注意敘述的清晰性、嚴謹性，最后各小組進行整合，相互答辯，最后的討論結果必須以word文檔和Powerpoint提交，文稿的排版、圖表的美觀性將作為評價的一部分。其中，設計的電路圖要求采用Microsoft Visio軟件繪制；每組在課內可以作5～10分鐘交流，還可以進行自由選題或自擬命題，問題可超出教師擬定的問題之外。這樣以來，學生的創新設計層出不窮，的確有好多好想法、好主意。通過這種學生的組隊項目，學生的團隊價值觀不斷得到了強化，提高學生的綜合設計能力。endprint

四、改革實踐環節教學方式，仿真與實驗并重

為提高實踐教學效果，充分利用現有的技術條件和實驗設備，在不同的層次上給學生提供理論與實踐相結合的機會，開設了多層次的實踐教學環節，通過計算機仿真實驗系統、基礎實驗、開放性實驗、課程設計和參觀實踐，進一步提高學生的思維能力、動手能力和創新能力，全面提高學生的綜合素質。其中，開放性綜合實驗：以對學生進行工程化的綜合訓練為目的，利用控制理論實驗設備THKKL-6，運用工程項目的管理思路，提出控制要求和驗收的性能指標，讓學生在確定控制任務和指標的同時，獨立或分組思考，制定實驗計劃和實驗手段，最后以項目驗收的方式進行總結和陳述。這些實驗不僅使得控制理論的結果得到驗證，更為重要的是實驗本身就是分析與設計控制系統的重要方法，通過這些典型控制實驗能夠加深學生對于控制理論課程內容的理解，激發學生的興趣，提高學生學習的主動性、自覺性。

在實驗過程中要求學生首先應用Matlab，Multisim，OrCAD PSpice仿真設計軟件對實驗內容進行仿真設計，通過仿真對參數進行調整，可以使同學們了解并掌握參數的變化會對系統產生什么樣的影響，在硬件實驗之前就會對控制系統的實際電路有一定的了解，同時還可以避免設備損壞、人身傷害等不必要的損失。實踐證明，在開放的綜合設計型實驗中采用OrCAD Pspice軟件可以提高學生的綜合設計能力，搭建虛擬實驗平臺的能力；在綜合課程設計中可以提高自我設計，自我校驗和檢測的能力；著重提高該門課程的教學質量與教學效果，大力培養、提高學生綜合分析問題、解決問題的能力，挖掘學生綜合實踐與創新的能力。

五、建立教學網站，增加師生互動

建立《現代控制理論》（雙語）課程學習網站，提供較完整的雙語教學材料，包括：（1）教學大綱與考核大綱；（2）授課計劃；（3）電子教案；（4）電子課件；（5）實踐教學；（6）課后習題與解答；（7）歷年試題與參考答案；（8）參考資料；（9）師生互動。通過教學網站，學生可以下載相應的資源，可以提交所做的個人作業，做相關的練習，老師可以通過網站清楚地掌握學生的學習動態、遇到的問題，批改作業，每周固定兩次時間進行不少于2小時的師生在線互動，該網絡平臺不受時間和空間的限制，也能使學生以較少的課外學習時間獲得較好的學習效果，從而提高了學生的學習效率。

新形勢下《現代控制理論》課堂教學改革勢在必行，課堂教學卓越計劃正是順應改革的趨勢，采用多樣化的教學組織形式，重基礎，強實踐，分層次的實踐教學體系，能夠培養學生綜合應用知識的能力。恰當、合理地運用現代教育技術，將Powerpoint、網絡資源、Matlab/OrCAD Pspice/Multisim等專業軟件與現有教材有機結合，形成立體化教學體系，提高教學效果，實現課堂卓越計劃。本項目尚需完善之處在于電子教案和課件內容需要緊跟學科的前沿，必須進一步充實和完善；建立完整的雙語試題庫體系；進一步完善課程資源上網和在線測試計劃。

參考文獻：

[1]賈鶴鳴，宋文龍.“現代控制理論”課程教學中實施創新教育的探討[J].中國電力教育，2014，（9）.

[2]姜丕杰，程海軍，冮明穎.現代控制理論課程教學改革的探討[J].課程教育研究，2014，（6）.

[3]王斌，李斌.“現代控制理論”教學改革與實踐[J].中國電力教育，2013，（10）.endprint