新工科背景下《現代控制理論》教學改革與教材建設

【摘要】 ? ?為了適應新工科對人才提出的新要求，加強學生工程應用能力的培養，本文依托陜西省精品在線開放課程建設項目，從教學方法、教學內容、課程過程化考核和教材建設等方面對《現代控制理論》課程做了一些改革和實踐，取得了良好的建設成效。

【關鍵詞】 ? ?新工科 ? ?現代控制理論 ? ?教學改革 ? ?過程化考核 ? ?教材建設

引言：

為了適應新工科對人才提出的新要求，必須加強工科課程的教學改革和創新，同時加強適應新工科要求的教材建設[1-3]。

《現代控制理論》是我校自動化、電氣工程及其自動化等專業的一門重要專業基礎課程，又往往是控制科學與工程及相關學科的碩士生入學考試的課程。本課程講授了現代控制理論的基本知識及方法，以及相關理論在工程中的應用。該課程以狀態空間描述為基礎，對系統進行分析和綜合。《現代控制理論》中有大量的定理、定義以及對定理的證明，理論性強，學生在學習中容易陷入到對理論的理解和對定理的證明中，而忽略了這些理論在工程中的應用[4]。

目前我校的現代控制理論的課程尚缺乏一本適合我校學生的新工科理念的《現代控制理論》教材;教學方法單一;課程中沒有教授用Matlab分析和設計控制系統;學生的成績評價方法單一，缺少過程性評價，教師不能及時掌握學生對知識的掌握情況[5]。

鑒于以上原因，迫切需要對《現代控制理論》課程進行教學改革，建設適應新工科要求的教材，以便更好地培養學生的工程應用能力。本文依托陜西省精品在線開放課程建設項目，優化和建設教學資源，改革現有的教學方法，開發適合新工科需求的、有利于提高學生工程應用能力的《現代控制理論》教材。

一、新工科背景下《現代控制理論》的教材建設

為了使學生更好地掌握《現代控制理論》的知識點，強化學生理論聯系實踐的工程應用能力，課程教學團隊總結了二十多年的教學經驗，并參考了現有的《現代控制理論》教材，編寫完成了《現代控制理論》校內講義手稿，經過在本校自動化、電氣工程及其自動化等相關專業試用，不斷總結和改進，多次聘請專家修改和審閱，完成了該教材的編寫，目前該教材初稿已經交送給出版社，計劃于2021年9月出版。該教材結合自動化類及相關專業本科生的知識結構和今后工程應用的需要，以現代控制理論的狀態空間法為主線，主要介紹控制系統的分析和綜合，包括動力學系統的狀態空間模型、動態系統的定量分析（狀態方程的解）和定性分析（能控性、能觀測性及李雅普諾夫穩定性方法），以及動態系統的綜合（狀態反饋與狀態觀測器設計）等主要內容。鑒于Matlab已成為國際控制領域應用廣泛的工具軟件，該教材在保證理論知識體系完整的前提下，每章加入了Matlab應用和相應的工程應用案例。

同時教材每章都以一階倒立擺作為工程實例，使學生在學習理論知識的同時，將理論應用于解決工程實際問題，培養其工程應用能力。

同時借鑒參考國內外優秀教材，引入了較多的工程應用實例，這些工程實例有，磁盤驅動器讀取系統、潛艇的深度控制、自動檢測系統等，以便培養學生學以致用的能力。教材中每章的課后習題都有基礎題和提高題目，使學生既能夯實基礎又可以鞏固提升。教材的附錄中給出了現代控制理論相關術語的中英文對照以及現代控制理論關鍵定理的英文定義。

二、SPOC模式下的《現代控制理論》教學改革

2.1 教學理念與教學方法改革

對于本課程中的一些關鍵知識點，比如狀態空間表達式、控制系統的時域分析、線性系統的能控性與能觀測性、狀態反饋與狀態觀測器等引入“MOOC（SPOC）+翻轉課堂”模式，其余教學內容采用傳統教學模式，將傳統教學模式和“MOOC（SPOC）+翻轉課堂”模式有機結合，既充分調動學生自主學習、樂于展示自我的意識和能力，又防止可能會有部分學生不適應或在短時間內不適應翻轉課堂這種新的教學模式，從而導致跟不上課程的節奏和進度，學習壓力大，反而對學習熱情和學習效果起到了負面作用。

突出以“學生為中心”。學生首先要轉變思想，將原來“滿堂灌”式教學中被動學習變為主動學習，學生成為課堂的主體，積極參與課堂教學活動[6-8]。

學生在上課前通過學習通或中國大學MOOC等平臺查看并完成網絡自學任務，接著完成作業，并上傳或提交給老師。課中，首先教師對課程的重點和難點內容進行講解，然后讓同學們對課前的大作業進行充分討論，在討論中教師引導學生解決作業中的問題;對于像矩陣A的特征值和特征向量這樣簡單或在其他課程中接觸過的內容，讓學生分組分任務講解該部分內容，教師作為輔助角色，在學生沒有講解清楚或有誤的知識點，引導學生解決問題。課后，學生針對在課堂中未掌握的知識點，可以通過觀看中國大學MOOC中本校的《現代控制理論》在線開放課程進行查漏補缺，也可以通過課程平臺提問或討論。

2.2充分利用MOOC資源優化課程教學內容

本課程的在線學習資源結合本校自動化專業的人才培養方案，采用課題組在中國大學MOOC平臺建立的現代控制理論課程。

1.對教學大綱中規定的重點、難點內容，如基本概念、基本原理和基本方法，利用MOOC資源，設計問題，讓學生帶著問題在網絡上先自學，上課時教師在講深講透這些內容的同時，引導、啟發學生討論提前布置的問題，課堂上實現翻轉課堂，讓學生自己講授，或者和同學們討論這部分教學內容，以便使學生更好地掌握這些重點難點內容。

2.對于教學大綱中只做了解和一般性了解的內容，采用設疑+線上自學+提問+總結的模式，即提前將問題留給學生，讓學生利用MOOC資源自學，上課時教師引導學生回答問題再總結，這樣可以充分利用課堂時間，達到在削減學時的同時，保質保量完成教學大綱要求的內容。

3.將Matlab引入到課程中，使學生能直觀理解控制系統的分析和設計。

2.3淡化數學推導和證明

對于該課程中的有些理論推導較繁瑣的內容，比如能控性和能觀測性的Gram矩陣判據等，授課中改變現有板書教學方式，采用多媒體教學，充分利用MOOC資源，補充網絡資料，讓學生在線上自學，教師在線下引導學生對這些內容進行學習，淡化數學推導和證明，突出工程應用。

2.4推行課程的過程化考核方式

教學過程中采用過程性評價方式，教師可以隨時了解學生對知識的掌握情況，根據課程的過程性評價數據，及時調整授課方式和進度，從多環節多維度考察學生的學習成效。

本學期現代控制理論課程考核方式采取線上成績和線下成績相結合的方式，包括平時成績占30% ，作業成績占20%，期末考試為線下成績占50%。其中平時成績包括線上成績和線下成績兩部分，包括簽到、課堂測驗、中國大學MOOC線上視頻學習、課堂討論、搶答等，每次上課通過學習通平臺進行學生線下課程的簽到，并通過學習通平臺發布隨堂測驗，學生的作業分為線上作業和線下作業，線上作業學生通過學習通平臺提交，由老師進行批改得分。

四、結論

根據新工科建設的要求，結合《現代控制理論》課程教學實踐，闡述了教學方法、教學內容、課程過程化考核、教材建設等方面的一些改革和實踐，通過課程建設和改革，增強了學生的學習興趣和自主性，促進了學生綜合素質的提升，培養了學生的工程應用能力。

參考文獻

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[8] 梅燁，羅敏，田艷芳，等.《電路分析》課程教學的改革與建設實踐[J].教育教學論壇，2016，（37）：122-123.

基金項目：陜西科技大學2019年教學改革研究項目（19Y074）;陜西科技大學2020年一流本科線上線下混合式課程建設項目

亢潔（1973-），女，陜西省潼關縣人，副教授，博士，主要研究方向為機器視覺和智能控制方面的教學和研究工作。