線性系統(tǒng)理論實驗教材建設(shè)的幾點考慮

董海瑞　齊曉慧　毛瓊

摘 要 針對線性系統(tǒng)理論課程特點，從全面性和系統(tǒng)性、應(yīng)用性和針對性、拓展性和研究性等方面分析實驗教材編寫應(yīng)注意的幾個問題。

關(guān)鍵詞 線性系統(tǒng)理論；實驗教學(xué)；實驗教材建設(shè)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）06-0151-02

Abstract Based on linear system theory course features， in this text， some proceedings which should be attracted attention are analyzed in the compiling and writing on the experimental teaching-material.

Key words linear system theory； experimental teaching； expe-rimental teaching materials construction

1 引言

課程學(xué)習(xí)作為研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，一是可以奠定研究生的學(xué)科知識基礎(chǔ)和專業(yè)知識基礎(chǔ)，二是可以促進(jìn)研究生的科研能力、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[1]。因此，要加強(qiáng)研究生課程建設(shè)，充分發(fā)揮課程教學(xué)的作用，強(qiáng)化研究生的創(chuàng)新思維、科學(xué)方法和學(xué)術(shù)素質(zhì)的培養(yǎng)。

線性系統(tǒng)理論課程是軍械工程學(xué)院控制理論與控制工程、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、檢測技術(shù)與自動化裝置等學(xué)科碩士研究生的一門重要學(xué)位課程。該課程內(nèi)容多、公式多、方法多，應(yīng)用背景涉及面寬，理論與實踐聯(lián)系緊密。針對工科碩士研究生，不但要求具有堅實的學(xué)科理論知識基礎(chǔ)，還應(yīng)具備學(xué)科實驗的實踐動手能力。正如在《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》中提到的：“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神，普遍提高大學(xué)生的人文素養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì)。”[2]

因此，在新一輪線性系統(tǒng)理論課程改革中，課程內(nèi)容體系包括理論部分、實驗部分和方法論部分。與以往相比，本輪課程改革更注重研究生實踐動手能力和科學(xué)方法的培養(yǎng)，可從兩方面進(jìn)行：一方面強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的理論性與應(yīng)用性的有機(jī)結(jié)合；另一方面注重實驗教學(xué)與理論教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)理論與實踐互動，進(jìn)一步增強(qiáng)教學(xué)效果，加強(qiáng)運用所學(xué)知識分析解決問題能力的培養(yǎng)。

針對課程實驗教學(xué)，課程組主要圍繞實驗教學(xué)體系構(gòu)建、教學(xué)條件建設(shè)、教學(xué)方法研究等方面開展了一些工作。實驗教材作為實驗教學(xué)的依據(jù)，有助于研究生學(xué)習(xí)控制類課程相關(guān)實驗的基本方法與知識，進(jìn)一步學(xué)習(xí)和應(yīng)用控制理論知識解決工程實際問題。因此，課程組在線性系統(tǒng)理論實驗教材編寫中，在緊密結(jié)合理論教學(xué)，針對研究生自主實驗、研究探索等實驗特點，圍繞課程實驗知識框架的構(gòu)建、科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面考慮的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步注意教材的全面性和系統(tǒng)性、應(yīng)用性和針對性、拓展性和研究性，把控制類課程實驗的基本規(guī)律、實驗方法與手段、思維方式融于教材內(nèi)容之中，反映教學(xué)改革的基本要求，以及控制類課程教學(xué)的發(fā)展趨勢。通過教材內(nèi)容編排、實驗形式創(chuàng)新，為開展多種模式教學(xué)打下良好基礎(chǔ)。

2 實驗教材的全面性和系統(tǒng)性

實驗教材作為開展課程實驗教學(xué)的依據(jù)，首先應(yīng)注意內(nèi)容的系統(tǒng)性和全面性，通過內(nèi)容選取、實驗類型規(guī)劃、章節(jié)安排等，使研究生能夠根據(jù)理論授課進(jìn)度，有條理地自主開展實驗。一方面，知識學(xué)習(xí)是循序漸進(jìn)的，實驗教材編寫從理論知識驗證到知識工程應(yīng)用，從調(diào)動學(xué)習(xí)積極性到實踐能力培養(yǎng)等方面考慮，注意實驗的層次性，為研究生創(chuàng)設(shè)自主實驗、拓展實驗的條件。如在實驗形式上安排有驗證性實驗、綜合性實驗和拓展性實驗[3]：驗證性實驗是通過實驗現(xiàn)象觀察、實驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié)驗證所學(xué)的理論知識，一類是基于ACCC-Ⅲ型實驗裝置的物理系統(tǒng)模擬仿真實驗，另一類是基于MATLAB軟件的數(shù)字仿真實驗，同時將兩類實驗結(jié)果比較，有助于分析相關(guān)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響；綜合性實驗基于典型被控對象，綜合運用所學(xué)理論知識、實驗方法與技能解決問題，一般包括控制算法軟件仿真驗證和物理模擬仿真實驗兩個階段；拓展性實驗在于開拓研究生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)研究生自主學(xué)習(xí)能力，以研究專題形式規(guī)劃實驗項目，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真研究。

另一方面，實驗教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成，實驗教材內(nèi)容體系與課程知識體系緊密銜接，依據(jù)課程理論知識規(guī)劃實驗教材內(nèi)容。針對線性系統(tǒng)理論專題化教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃[4]，

結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件，科學(xué)設(shè)置實驗項目[5]，其中驗證性實驗安排見表1。物理模擬仿真實驗針對給定數(shù)學(xué)模型，利用RC電路模擬控制系統(tǒng)，觀察響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)性能。MATLAB仿真實驗針對各型控制對象，結(jié)合相應(yīng)控制算法，利用函數(shù)命令編寫程序或繪制SIMULINK模型框圖，對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析與設(shè)計。

3 實驗教材的應(yīng)用性和針對性

實驗教學(xué)在于理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)員運用理論知識解決工程實際問題的能力，所以實驗教材的編寫應(yīng)注意應(yīng)用性和針對性，使研究生“知其然”，更要“知其所以然”。一方面通過實驗教學(xué)，研究生不但要具有實驗基本操作技能，更應(yīng)具備實驗的基本方法和知識，為后續(xù)課題研究、科研等實驗奠定基礎(chǔ)。在實驗教材中應(yīng)規(guī)劃實驗的基本原理、實驗注意事項和實驗裝置使用等內(nèi)容。如：一是實驗教材中規(guī)劃有“實驗基本理論與方法”章節(jié)，主要介紹了實驗的典型測試信號、控制系統(tǒng)的RC電路模擬、控制系統(tǒng)性能測試方法、測試數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容；二是實驗裝置的介紹，即操作使用方法、使用注意事項等；三是針對具體實驗項目要明確實驗要求，便于研究生結(jié)合理論教學(xué)開展預(yù)習(xí)；要介紹正確完整的實驗步驟和規(guī)劃詳細(xì)的實驗記錄，有利于實驗開展，提高實驗結(jié)果的科學(xué)性；要布置思考題，便于研究生針對實驗數(shù)據(jù)、結(jié)果進(jìn)行分析，強(qiáng)化與課程理論知識之間的聯(lián)系。

另一方面，在驗證性實驗的基礎(chǔ)上規(guī)劃了綜合性實驗。實驗教材中針對不同典型控制對象，如直線式倒立擺控制系統(tǒng)、旋臂式倒立擺控制系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、小功率隨動控制系統(tǒng)、四旋翼飛行器姿態(tài)模擬系統(tǒng)等，以附錄形式介紹了控制系統(tǒng)的工作原理，以及系統(tǒng)調(diào)試、控制軟件操作方法，便于不同學(xué)科研究生有針對性地從MATLAB仿真驗證到計算機(jī)控制物理系統(tǒng)開展模擬實驗。

4 實驗教材的拓展性和研究性

實驗教學(xué)不但要培養(yǎng)研究生的動手實踐能力，還應(yīng)注意研究生開拓精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，所以實驗教材的編寫應(yīng)注意拓展性和研究性，具有創(chuàng)新思維的引導(dǎo)，提高研究生的實驗積極性，靈活運用知識解決問題。一方面要注意實驗教材內(nèi)容的先進(jìn)性[6]，體現(xiàn)國內(nèi)外控制類課程教學(xué)的發(fā)展趨勢，及時引入新的科研成果、新的實驗知識等，使研究生在動手實驗中能夠掌握先進(jìn)的實驗方法，又促進(jìn)創(chuàng)新研究能力的培養(yǎng)。如結(jié)合“2110工程”建設(shè)，針對四旋翼無人機(jī)構(gòu)建的系列實驗裝置，按照單旋翼參數(shù)測量、四旋翼受力平衡分析、飛行控制系統(tǒng)建模、飛行控制器設(shè)計的仿真驗證、飛行控制姿態(tài)物理模擬仿真的流程編寫了實驗內(nèi)容。

另一方面要注意拓展性實驗的規(guī)劃，促進(jìn)研究生對理論知識的理解掌握，同時為下一步課題研究工作奠定良好基礎(chǔ)。一是結(jié)合MATLAB仿真實驗，針對理論授課內(nèi)容設(shè)計相應(yīng)的實驗研究項目，作為驗證性實驗的拓展研究[5]。如針對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，在完成李亞普諾夫第一法和第二法MATLAB編程仿真驗證的基礎(chǔ)上，規(guī)劃時變系統(tǒng)的“系數(shù)凍結(jié)法”穩(wěn)定性研究內(nèi)容等。二是結(jié)合綜合性實驗，注意引導(dǎo)學(xué)員開展不同算法的仿真比較，如結(jié)合直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行PID控制、二次型最優(yōu)控制等算法的設(shè)計與研究。三是規(guī)劃了研究課題，注重理論知識實踐工程運用能力的培養(yǎng)，如從系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計、性能分析等方面，結(jié)合MATLAB仿真，研究倒立擺系統(tǒng)、某導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)等。

5 結(jié)束語

實驗教材建設(shè)是課程實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到課程教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。高質(zhì)量的實驗教材應(yīng)該通過合理選取編排內(nèi)容、科學(xué)安排實驗形式等，體現(xiàn)實驗教學(xué)的系統(tǒng)性、應(yīng)用性、拓展性，滿足研究生自主實驗、研究探索的需求，促進(jìn)實驗效果的增強(qiáng)，有助于培養(yǎng)研究生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1]包迪鴻，等.完善我國研究生課程教學(xué)的思考與研究[J].黑龍江高教研究，2005（6）：122-124.

[2]李蘭等.我國研究生教育科研素質(zhì)培養(yǎng)探究[J].中國冶金教育，2006（4）：79-81.

[3]董海瑞，等.線性系統(tǒng)理論課程實驗教學(xué)探索[J].中國冶金教育，2013（12）：37-38.

[4]段廣仁.線性系統(tǒng)理論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[5]齊曉慧，等.仿真技術(shù)在線性系統(tǒng)理論課程中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2009（5）：99-101.

[6]楚隨英，等.高校實驗教材改革的研究[J].鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報，2005（2）：99-101.