現代控制理論線上教學實踐探索

唐超穎 冒澤慧 丁勇 楊姍姍

摘要：“現代控制理論”是很多工科院校的重要專業基礎課，理論性強、信息量大，具有一定深度和難度。由于新冠疫情影響，南航自動化學院課程組在2019—2020第二學期針對該校自動化專業、探測制導與控制技術和電氣工程及其自動化專業共300余名學生全面開展了線上課程。進行了合理的教學內容分配，利用線上平臺建立完整的教學體系、開展線上教學，同時開發軟件資源開展線上實驗教學，最后制定周密計劃進行線上考試。該次線上教學嘗試取得了良好的教學效果。

關鍵詞：現代控制理論線上教學線上實驗教學方法

中圖分類號： G642.0文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2021）03（a）-0000-00

Online Teaching Practice of Modern Control Theory

TANG Chaoying? MAO Zehui? DING Yong? YANG Shanshan

（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province ，211106 China）

Abstract： "Modern control theory" is an important professional basic course in many engineering colleges， which is theoretical， informative and difficult to master. Due to the covid-19 pandemic， the course group of the College of Automation Engineering of NUAA launched a comprehensive online course in the second semester of 2019-2020 academic year， aiming at 300 students in the disciplines of Automation， Detection， Guidance and Control Technology， and Electrical Engineering and Automation. An online platform was used to establish a complete teaching system， and online teaching was carried out. Software resources were developed to carry out online experimental teaching， and finally a sound plan was made for online examination. This online teaching attempt has achieved good teaching results.

Key Words：Moderncontrol theory; Online teaching; Online experiment; Instruction method

《現代控制理論》是南京航空航天大學自動化學院自動化專業的專業核心課程，也是自動化學院探測制導與控制技術、電氣工程及其自動化專業和航天學院探測制導與控制技術專業的一門重要專業基礎課[1]。它的特點是理論性強、內容豐富、涉及知識面廣、信息量大、比較抽象、更新發展快，具有一定深度和難度。該課程的主要任務是通過對現代控制理論基本知識的學習，培養學生對控制系統的分析設計能力、工程實踐能力和創新能力，為后續如“飛行控制系統” “控制系統仿真”等專業課程奠定基礎。

由于疫情影響，課程組在2019—2020第二學期針對該 校自動化專業、探測制導與控制技術和電氣工程及其自動化專業共300余名學生全面開展了線上課程，包括線上簽到、課程視頻錄播和在線直播、習題課直播、課堂互動、線上作業、隨堂測試、線上答疑、線上實驗及最終的線上考試，取得了很好的效果。該文對該教學模式進行總結，希望對其他課程有推廣和借鑒價值[2]。

1提前進行合理的教學內容分配

依據《現代控制理論》教學計劃和教學安排，充分考慮本課程的教學特點，按照控制問題中的建模、分析和設計這3個方面內容逐層深入進行教學內容的劃分：以狀態空間模型為基礎的系統數學模型的建立，培養學生從實際問題到數學模型抽象過程的基本原理和基本方法;系統的可控性、可觀性和穩定性的分析，使學生掌握正確的科學思維和科學研究方法，以及系統分析能力;根據性能指標進行狀態反饋、狀態觀測器和最優控制設計，初步具備解決自動化領域復雜工程問題的能力。在教學內容的講授分配上，發揮各個老師教學優勢，從根本上保證了線上教學內容的高質量。目前該 課程組已完成包括線性系統理論和最優控制理論共42個學時的教學視頻錄制并上傳，為線上教學活動的正常開展奠定了基礎。

2利用線上平臺建立完整的教學體系

該課程線下開設超過40年，線下已形成了非常完整的成熟教學體系，一直和該專業已獲批的首屆國家精品課程、首批國家級精品資源共享課“自動控制原理”作為同等重要的一門必修主干專業基礎課。目前， 課程已采用超星教學平臺建設了《現代控制理論》線上授課平臺，具體見圖1。按照線下教學系統，建立了較為完整的線上教學體系[3]，具體見圖2，包括團隊分工、課程大綱、電子教材、課程講義、教學視頻、任務發布、難點精講、測試練習、互動答疑、課后作業、線上實驗以及在線考試等。各項工作均由專職老師負責管理與維護，開課前、課程進行中以及課程結束后，課題組都會定期對體系內容相關內容進行調整和完善，充分保證了各項教學資源的實用性和新穎性。

3采用騰訊會議等多種平臺進行線上直播授課

線上課程中，對教學內容采用循序漸進的方法，逐層深入。首先， 使學生掌握控制系統不同數學模型與狀態空間模型的關系; 其次，引導學生對建模系統進行動態行為、可控性、可觀性和穩定性的分析。 在此基礎上，根據性能指標進行狀態反饋和狀態觀測器的設計，使學生具有系統建模、分析和設計的能力。線上教學體系的內容與功能模塊定期不斷更新，充分考慮學生和教師的問題反饋與建議，定期引入一些控制理論和應用的最新研究成果，拓寬學生的視野，從理論知識、分析能力、應用能力和解決問題的能力方面不斷豐富教學內容[4]。線上主要教學流程具體見圖2。除了超星教學平臺的線上授課平臺，還輔以騰訊會議、QQ群屏幕分享開展直播課程，包括復習課講解、習題課練習，以及課程答疑。直播形式提供了教師與學生更直接的互動，加深了學生對課程重點和難點知識點的理解[5]，也在一定程度上彌補了無法見面傳遞知識的問題，從而讓學生更加感受到老師的關心。

4利用豐富的軟件資源開展線上實驗教學

現代控制理論實驗內容為狀態反饋實驗和全狀態觀測器實驗，共4個學時，該學期也全部采用了線上實驗教學。為了適應線上教學的需求，將MATLAB仿真軟件提供的對控制系統建模、分析與設計的強大功能和Multisim軟件提供的電路仿真平臺有機結合，再加上“視頻演示+線上直播”的形式，開展了有效的線上實驗教學。根據實驗要求，借助MATLAB/Simulink軟件對系統進行仿真設計與驗證，然后針對模擬電路仿真實現的環節，運用Multisim電路仿真軟件搭建電路進行仿真設計驗證，同時要求學生根據線下教學中的自動控制原理實驗箱設計電路，以便于在線下實驗得到驗證。通過上述實驗，提高了學生動手實踐能力和分析問題、解決問題能力的培養。為了解決學生無法進實驗室看到控制實物的遺憾，提供了可視化的控制系統仿真實驗軟件，具體見圖3。加入控制對象的演示仿真使線上實驗教學變得更為生動有趣，讓學生感受到控制的過程和應用，也加深學生對控制理論的理解，提升學習的興趣。

在線上實驗教學過程中，錄制了Multisim軟件使用的教學視頻，具體見圖4，圖5，可供學生自主學習。 同時，嚴格遵循課前預習、線上直播、直播現場提交實驗曲線、課后按時提交實驗報告的順序來完成線上實驗課程的教學。為了便于和學生交流，建立了學習QQ群，及時上傳各種學習資料給學生預習，布置作業和課上提交實驗截圖。不僅在直播期間，課前課后也能用QQ和學生聯系，及時掌握學生的學習情況，幫助答疑解惑，為線上實驗教學提供了很大幫助[6]。

5制訂 周密的線上考試方案并順利實施

為保證不影響下學期大三學生的保研等教學活動，課程組完成了自動控制系的首次線上課程考試。課程組制定了周密的線上考試方案，采用一臺電腦用于前方監控和發放考試題目、一部手機用于側后方監控和拍照上傳答題圖片。課程組老師組織了研究生監考人員，提前發布了考生考前注意事項和監考人員注意事項，組織了研究生考前培訓和考前線上測試，并順利完成了該課程的考試?？荚嚪桨负涂荚囘^程具體見圖6。

6結 語

2020年初的新冠疫情對高校很多課程的教學提出了嚴峻的挑戰。南航自動化學院“現代控制理論”課程組根據課程特點和學生情況，開展了系統的線上教學。課程組首先進行了合理的教學內容分配，建立了完整的教學體系，開展了線上教學。同時開發軟件資源開展線上實驗教學，最后制訂周密計劃進行線上考試。教學驗證表明，該次線上教學取得了良好的教學效果。學生反映，學習成效不亞于傳統課堂教學，其中資源回放、線上互動等功能更是提供了傳統課堂教學沒有的便利。今后的教學發展方向將是繼續挖掘線上教學的優勢，并于線下課堂相結合，進一步提升“現代控制理論”課程的教學效果。

參考文獻

[1] 唐超穎，姜斌，齊瑞云.“現代控制理論”課程研究性教學方法初探[J].電氣電子教學學報，2018，40 （6）： 83-85.

[2] 閆晶晶，王燕平，王艷芳.線上線下混合教學模式在《自動控制理論》的試驗改革[J].科技創新導報， 2020（13）： 226-227.

[3] 陳麗佳，淺談高校線上教學的優勢[J].文化創新比較研究，2021（12）： 100-103.

[4] 孫曉輝，曾榮，黃玉，等 .面向混合式教學的《晶體光學》在線開放課程建設[J]高教學刊，2020（25）： 75-80.

[5] 唐德玉.疫情之后生物信息學專業混合教學模式的創新性研究[J].電腦與信息技術，2020， 28 （4）： 67-69.

[6] 夏云彥，周美蘭，徐永明，等 .基于MOOC 的PLC 課程混合教學模式研究[J].高師理科學刊，2020，40 （7）： 82-85.