基于應用型大學工程項目為導向的“現代控制理論”教學改革

文/韓娜妮 徐秀妮

“現代控制理論”課程是自動化專業的核心課程，根據目前的教學效果及學生的反饋，此課程的課堂教學和實驗課程教學中依然存在很多問題：第一，教學模式陳舊，學生依然是被動地接受知識灌輸，不利于學生知識的理解及創新意識和創造思維的培養；第二，“現代控制理論”課程理論性較強，對于數學等知識要求較高，導致老師平時講課大部分時間用在公式推導上，忽視對學生工程實踐能力的引導與培養；第三，由于“現代控制理論”課程理論性強，加上學院實驗設備有限，目前開設的實驗大部分是驗證性的實驗，缺乏和實際系統相關的設計實例。因此，如何在現有的實驗硬件設備條件下，按照工程教育專業認證標準提高學生實踐能力、培養學生創新能力，成為目前課程教學亟需解決的問題。

當前，關于“現代控制理論”教學改革的研究成果較多。潘俊濤[1]等提出一種基于便攜式倒立擺的“現代控制理論”課程教學改革方案，改革方案將便攜式倒立擺平臺的控制系統設計流程與課程核心知識點進行緊密結合。周穎[2]等探討了控制理論課程體系改革。韓娜妮[3]等研究了面向工程教育專業認證的“現代控制理論”教學改革，從理論課堂教學,實踐教學及考核制度等方面提出了課程改革方案。祁玉梅[4]提出新的教學理念，翻轉式課堂為主的教學策略以及多元化的考核方式，幫助提升學生的自主學習能力，工程實踐能力以及科研創新能力。李鳳霞[5]等結合中國石油大學勝利學院具體情況從教材選擇，教學方法和模式，雙語師資隊伍建設等方面，對應用技術型高校自動化專業“現代控制理論”雙語教學改革進行了探索研究。雷旭升[6]將無人機這類具有典型航空特色產品引入到““現代控制理論”與方法”的教學工作中，將抽象的理論與具體的工程項目緊密結合，促進學生對概念和方法的理解。高瑜[7]等探討在專業認證的背景下，如何將實際工程問題融入控制理論課程教學過程中，加強工程教育與工業界的聯系，達到提高畢業學生國際競爭力的目的，等等。

文章依照工程專業認證標準，以提高學生實踐能力、培養學生創新能力為目的，對“現代控制理論”課程的理論課程和實驗課程進行改革研究。從目前的教學效果表明，以工程項目為導向的教學方式，可以激發學生的學習興趣，使學生能夠更好地掌握所學習的理論知識，同時能夠培養學生的動手實踐能力，提高教學和學習效率。

一、研究內容

以提高學生實踐能力、培養學生創新能力為目的，參考自動化專業人才培養方案，從以下幾方面進行研究。

第一，教學理念及教學目標的正確定位。在工程教育專業認證背景下，基于應用型本科院校，對自動化專業的合理定位“現代控制理論”課程教學目標，是教學改革卓有成效的前提和保障。

按照應用型本科院校要求，課程教學應以培養應用型、技術技能型人才為基本職責使命?！艾F代控制理論”課程理論性強，以往教學中側重理論概念的理解及公式的推導，忽略對學生應用能力及創新能力的培養。因此，如何對本課程的教學理念及教學目標進行正確的定位是本課題研究的前提。

第二，以工程項目為導向設計教學內容。首先，針對“現代控制理論”課程具體特點，從學生實際情況出發，分析學生學習特征。然后在學生學習特征的基礎上，對目前所用的教材內容進行優化。目前，“現代控制理論”課程所用教材側重基礎理論，數學推導較多，缺乏實際工程項目案例，因此，對理論教學內容進行合理優化，是課堂教學改革的首要任務。

在理論課堂授課中，根據授課內容、學生實際情況，選擇典型的實際控制系統，如常見的水箱液位控制系統、無人飛行器系統等，引導學生抽象出其具體的數學模型，并且利用所學理論知識分析研究其運動規律。通過讓學生參與具體的實踐訓練項目，加深對所學理論知識的理解，真正實現“做中學”。

第三，構建創新性教學實驗體系。實驗環節是工科教學的一個重要環節，利用網絡環境、計算機技術等技術，指導學生來完成實驗系統的設計及執行。

由于課程特點及實驗硬件條件的限制，目前的課程實驗安排為8個實驗，其中大部分是理論驗證性實驗，缺乏創新性實驗。按照應用型本科院校要求，為提高學生的創新能力，培養學生的動手能力，利用相應軟件及網絡，增加實際案例的仿真實驗。

另外，實驗部分增加課程設計環節。按照目前的課程大綱安排，學生在“現代控制理論”課程之前，在軟件應用及基本控制理論方面已經有了一定的積累。通過課程設計，學生不僅可以對學習的相關課程體系的知識進行綜合性應用，同時，在課程設計過程中，通過對具體實際系統相關資料的查找、學習，而且可以增加學生對實際工程項目的了解，鍛煉學生的應用能力，培養學生的創新能力。

第四，優化課程考核體系。按照課程特點，考核方式多樣化，并且適當增大平時成績在課程綜合成績中所占比例，如作業、實驗和課程設計等。建立合理的考核體系，評價學生對所學理論知識的應用能力及解決復雜工程問題的能力，這也是準確診斷教學、發展教學、促進改革的重要保障。

二、研究思路和方法

為培養學生的實踐、創新能力，本課程研究以MATLAB軟件為基礎，以實際案例為驅動設計教學內容，以工程項目為導向設計實驗教學，具體如圖1、圖2所示。

圖1 “現代控制理論”課程理論教學體系

圖2 “現代控制理論”課程實踐教學體系

圖1是“現代控制理論”課堂授課體系。在“現代控制理論”課程教學活動中，以相關的基礎理論知識為基礎，以實際案例為驅動設計教學內容。學生在教師的組織和引導下，自主學習相關知識。理論教學負責從實踐案例中建立系統的數學模型，利用相關理論知識分析系統的運動特性及控制特性。然后將學生分成小組，以小組為單位，按照要求完成實際案例的構思、設計和實施，進行討論、協作學習，以達到對所學知識的融會貫通，從而培養學生的團隊協作能力、提高學生對未知知識的探索能力。在整體學習過程中，教師隨時根據學生的反饋調整教學計劃。

圖2是以工程項目為導向的實驗教學體系結構。在圖2所示的實驗環節中，針對不同的工程項目，利用MATLAB軟件，引導學生自主學習，進行系統建模與分析。在基礎理論實驗中，通過軟件仿真，進一步理解、掌握理論知識。在綜合仿真設計及綜合實驗中，通過具體的工程項目，如水箱液位系統、四旋翼飛行器系統等，指導學生進行系統建模、分析和設計。以4至6人小組進行工程項目實驗，設計團隊的工作理念。通過互相協作，共同完成實驗項目的設計和實施。在這個過程中，既鍛煉了學生的實踐能力，又培養了學生的團隊合作精神。

三、結語

為培養學生的實踐、創新能力，文章以實際案例為驅動設計教學內容；在實驗環節中，以工程項目為導向，利用MATLAB等軟件，進行實驗課程的改革。通過教學改革，學生不僅充分理解、掌握理論知識，并且通過實際案例和工程項目，鍛煉了學生的實踐能力，培養了學生的創新意識。