理論與實踐相結(jié)合的“現(xiàn)代控制理論”課程研究性教學方法初探

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院 上海 200093）

0 引言

“現(xiàn)代控制理論”是為自動化的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程在自動控制理論的基礎(chǔ)上，學習狀態(tài)空間方程、系統(tǒng)的能控能觀和穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)的極點配置、解耦、最優(yōu)控制等問題，培養(yǎng)學生在面對工業(yè)系統(tǒng)時，建立系統(tǒng)分析模型、分析設(shè)計控制器的能力，為后續(xù)的課程學習打下良好的基礎(chǔ)。該門課程涉及較多的矩陣論、高等數(shù)學、最優(yōu)化等知識，理論性較強，而且課程內(nèi)容較多，又多是公式的推導(dǎo)，非常的抽象，這些原因共同作用，對于學生課堂學習效率的提升，從理解能力、應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力等方面都存在一定的難度。在建設(shè)應(yīng)用型本科和社會對創(chuàng)新人才客觀要求的雙重需求下，如何有效提高學生對“現(xiàn)代控制理論”課程學習的興趣，形成良好的教學效果，是一個具有重要理論與實現(xiàn)意義的課題。

為了調(diào)動學生的學習積極性，本論文將具體案例引入課堂教學，通過理論與實踐相結(jié)合的策略，實現(xiàn)“現(xiàn)代控制理論”課程的研究性教學策略。研究性教學策略與傳統(tǒng)教學策略的最大區(qū)別在于，其更多的關(guān)注在學習過程、知識應(yīng)用以及學生的參與程度上，能夠更為有效的培養(yǎng)學生的興趣，將學生牢牢的吸引在課堂之中，激發(fā)學生的研究能力和創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學生將理論知識用于實際應(yīng)用中，使學生能夠?qū)⒄n本所學與工程實踐相結(jié)合，實現(xiàn)應(yīng)用型大學教育的目標，滿足社會發(fā)展對高校培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才的客觀要求和大學生全面發(fā)展的現(xiàn)實需要。

1 存在的問題

1.1 課程內(nèi)容涉及理論知識多且難

教學內(nèi)容上，課程內(nèi)容的理論性強，以“線性代數(shù)”、“自動控制原理”、“高等數(shù)學”等課程為基礎(chǔ)知識，而這些先修課程本身就比較有難度，很多學生掌握的并不扎實，即使掌握扎實的同學也可能是僅僅會做題目，并不能很好的應(yīng)用在其他相關(guān)課程上，甚至出現(xiàn)很多知識已經(jīng)忘記的情況。換句話說，現(xiàn)代控制理論課程要求學生具有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和較強的數(shù)學推導(dǎo)能力，并能夠?qū)⒁延械闹R熟練的進行運用，對于很多學生來說學習的難度較大。

1.2 教學形式單一

教學方式上，由于這門課程涉及的很多知識和定理是通過嚴密的數(shù)學推導(dǎo)得到的，因此理論和結(jié)論并不直觀，要求學生通過思考得到相應(yīng)的定理是有難度的。因此，常用的教學方式是以講授為主，通過一系列的數(shù)學推導(dǎo)將定理傳授給學生。但是“填鴨”式的灌輸過程由于將現(xiàn)成的結(jié)論告訴學生，造成學生不主動地進行思考和分析，同時在講授定理的過程中，由于相對枯燥，而且內(nèi)容難度較高，造成同學因為看不懂而走神甚至不愿意學習；教學效果上，學生只是通過死記硬背記住了若干公式定理，并不理解這些公式定理的內(nèi)涵，不明白這些公式有什么用處。面對工業(yè)實際時，難以運用相關(guān)的理論去解決實際的工業(yè)控制問題，甚至搞不清楚哪一個才是控制器。

1.3 課程實踐內(nèi)容較少

現(xiàn)代控制理論課程中由于課時等原因，將主要精力用于傳授理論知識，缺少實踐應(yīng)用，這就造成了兩方面的現(xiàn)象：一是學生只知道點不知道面，不知道一個具體的理論如何在現(xiàn)實中進行應(yīng)用。比如，在講授構(gòu)建系統(tǒng)反饋時，很多同學會困惑，我得到的新系統(tǒng)還是原來的系統(tǒng)么以及在真實情況下的系統(tǒng)反饋是什么樣子的。二是由于缺少應(yīng)用，如果這門課程不落實在具體的應(yīng)用上，學生沒有直觀的認識，那么就造成學生對這門課程的不了解，進而導(dǎo)致不感興趣，對課程的學習具有抵觸情緒。

1.4 手機等電子產(chǎn)品易分散精力

隨著智能手機的普及，手機除了通話、短信等傳統(tǒng)功能外，更有娛樂視頻、游戲應(yīng)用等各種功能，這些都比枯燥的課程學習內(nèi)容要更為有趣。經(jīng)常會出現(xiàn)的一種情況就是，手機的微信聲音一響，學生就趕緊看一下手機，但是我們的課程公式的推導(dǎo)都是一步挨著一步的，而且內(nèi)容較難，涉及的理論知識較多，學生走神兩分鐘，后續(xù)的知識就聽不懂。也就是說，相對較難的內(nèi)容和智能手機的普及，導(dǎo)致學生聽課的專注度不高,部分學生難以掌握課程內(nèi)容。而且，學生們課下玩手機的時間也普遍比較多，一個人的精力總是有限，這導(dǎo)致仔細琢磨課程內(nèi)容的時間變少，以至于即使部分學習努力的同學雖然能記住了各個章節(jié)的理論知識,但并沒有去深入的思考和琢磨課程內(nèi)容，缺乏對內(nèi)容的深刻理解,也很難將其與工程實踐有效結(jié)合，與應(yīng)用型本科的培養(yǎng)目標相違背。

2 改進的方法

在現(xiàn)代控制理論教學過程中運用研究性教學方法，通過案例教學、理論與實踐相結(jié)合策略，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，提高學生自主分析問題、設(shè)計解決方案的能力。

2.1 案例教學方法

由于現(xiàn)代控制理論課程包含了眾多抽象晦澀的定理和公示，直接填鴨式的灌輸這些知識給學生，往往造成教學效果差等情況。因此，在研究性教學過程中，我們設(shè)立倒立擺、球板系統(tǒng)、汽車懸架系統(tǒng)等案例，通過對這些案例系統(tǒng)的建模、分析和控制，將我們課程中所學的知識，比如反饋、觀測器、最優(yōu)控制等概念都用在這些實際的系統(tǒng)上，學生可以感受到我們所學的現(xiàn)代控制理論就是從我們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣枰衼淼模⒉皇浅橄蟮摹⑻摕o縹緲的。

2.2 復(fù)雜理論形象化

現(xiàn)代控制理論課程學習中，很多同學只關(guān)注在記住理論的公式本身，而不注意為什么是這樣子的公式，這個理論背后表征的物理意義是什么，因此對本門課程的意義缺乏深入的和形象的認識。因此，在講授某些難以理解的知識點時，通過引入生活中的例子，方便學生的來掌握。例如，筆者講到什么是可控時，會用“可控就是可以控制”這種語言向?qū)W生進行解釋，而不僅僅是介紹課本上嚴謹?shù)逎母拍睿辉诮淌诶顏喥罩Z夫穩(wěn)定性時，筆者會從能量的角度出發(fā)介紹李亞普諾夫第二法背后蘊含的物理意義。通過復(fù)雜理論形象化，學生會有直觀認識，對理論學習有促進作用。同時，在理論講解時，由于課時的原因，既然增加了案例教學和復(fù)雜理論形象化的內(nèi)容，那么我們將弱化一些理論的推導(dǎo)過程，取而代之的是給以自學材料，讓學有余力和興趣濃厚的同學自已學習公式和理論的推導(dǎo)。這樣做的好處是：一方面避免因為枯燥而過難得理論推導(dǎo)影響部分同學的學習興趣；二是留出足夠的課時給案例教學和形象教學。

2.3 考核機制多樣化

研究性教學策略具有關(guān)注在學習過程、知識應(yīng)用以及學生的參與程度上的特點，而傳統(tǒng)的考核機制更為側(cè)重學生的應(yīng)試能力，不關(guān)注學生的學習過程和創(chuàng)新能力，存在著評價方法單一化的問題，難以適應(yīng)研究性的教學策略，因此需要設(shè)計相應(yīng)的考核機制。同時，合理的考核機制也會進一步推動學生的學習熱情。

在現(xiàn)代控制理論研究性教學策略的探索中，采用多種評價手段評價學生的綜合素質(zhì)，如通過平時作業(yè)、項目研究、實踐分析、撰寫論文、答辯討論等，考核學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維。同時，考試中減少細枝末節(jié)、死記硬背的命題形式，而轉(zhuǎn)向開放的創(chuàng)造性的問題。

3 結(jié)論

針對傳統(tǒng)“現(xiàn)代控制理論”課程脫離實踐、過于抽象的弊端，通過設(shè)計案例教學方法、復(fù)雜理論形象化、考核機制多樣化等教學改革策略，形成“現(xiàn)代控制理論”課程理論與實踐相結(jié)合的研究性課程教學氛圍，將學生牢牢吸引在課程上，使學生能夠?qū)⒄n本所學與工程實踐相結(jié)合，實現(xiàn)應(yīng)用型大學教育的目標，滿足社會發(fā)展對高校培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才的客觀要求和大學生全面發(fā)展的現(xiàn)實需要。