現(xiàn)代控制理論榮譽(yù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

黃蘇丹，曹廣忠，邱 洪，吳 超

（1.深圳大學(xué) 廣東省電磁控制與智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

榮譽(yù)教育19 世紀(jì)初起源于英國(guó)，20 世紀(jì)20 年代在美國(guó)興起并得到大力推廣和成熟發(fā)展。近年來，我國(guó)山東大學(xué)、深圳大學(xué)和對(duì)外經(jīng)貿(mào)大學(xué)等少數(shù)高校試行了榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位制度。為進(jìn)一步推動(dòng)本科教學(xué)改革，使學(xué)生更大限度地利用學(xué)校各類學(xué)術(shù)資源，開展卓有成效的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生挑戰(zhàn)自我，在知識(shí)、能力和綜合素質(zhì)方面得到全面提升，2019 年9 月深圳大學(xué)印發(fā)了《深圳大學(xué)榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位管理辦法（試行）》（深大校發(fā)〔2019〕244 號(hào)），并于2021 年上半年對(duì)21 個(gè)學(xué)院相關(guān)專業(yè)本科生授予了榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位，并計(jì)劃進(jìn)一步推廣。高質(zhì)量榮譽(yù)課程是榮譽(yù)教育的基礎(chǔ)，如何建設(shè)符合要求的高水平、高質(zhì)量榮譽(yù)課程是榮譽(yù)教育亟需解決的首要任務(wù)。深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院遵循高等教育發(fā)展規(guī)律，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的教育理念，以培養(yǎng)學(xué)生寬厚的基礎(chǔ)知識(shí)、高度的創(chuàng)新思維能力、深厚的學(xué)術(shù)研究素養(yǎng)和廣泛的實(shí)踐應(yīng)用技能為目標(biāo)，以學(xué)生個(gè)性化和多樣化的學(xué)術(shù)興趣和發(fā)展需要為導(dǎo)向，以高難度、高挑戰(zhàn)性為要求，以小班化教學(xué)為基礎(chǔ)，以名師優(yōu)教為手段，開展了包含10 門核心課程的自動(dòng)化專業(yè)榮譽(yù)課程體系，學(xué)生獲取本專業(yè)榮譽(yù)課程學(xué)分不低于24 學(xué)分且成績(jī)均為B+以上才可申請(qǐng)自動(dòng)化專業(yè)榮譽(yù)學(xué)位。

現(xiàn)代控制理論是深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的一門榮譽(yù)課程，在常規(guī)現(xiàn)代控制理論課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)探索?，F(xiàn)代控制理論是自動(dòng)化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，具有理論性強(qiáng)、概念抽象、邏輯性強(qiáng)、矩陣公式繁多和與實(shí)際系統(tǒng)結(jié)合度低等特點(diǎn)，進(jìn)而容易使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生畏懼心理、難以產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程的積極參與度低且難以深入掌握課程知識(shí)。針對(duì)上述問題并基于榮譽(yù)課程特點(diǎn)，以論文研讀形式開展“實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)+自主設(shè)計(jì)+互動(dòng)研討”的教學(xué)方法。

一、教學(xué)目標(biāo)

課程目標(biāo)1：能夠記憶控制理論性質(zhì)、發(fā)展與應(yīng)用，使用系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立及求解方法，識(shí)別自動(dòng)化控制系統(tǒng)的輸入、輸出和狀態(tài)，應(yīng)用狀態(tài)空間方法解決輸入、輸出和狀態(tài)的內(nèi)部描述問題。

課程目標(biāo)2：能夠使用基于狀態(tài)空間模型的系統(tǒng)能控性、能觀性、穩(wěn)定性與系統(tǒng)綜合方法，列舉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和實(shí)際控制問題，檢驗(yàn)系統(tǒng)能控性、能觀性和穩(wěn)定性，實(shí)施控制系統(tǒng)綜合，識(shí)別系統(tǒng)輸入、輸出和狀態(tài)，檢驗(yàn)系統(tǒng)性能。

課程目標(biāo)3：能夠針對(duì)復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程問題選擇現(xiàn)代控制系統(tǒng)研究路線、設(shè)計(jì)現(xiàn)代控制系統(tǒng)方案，能夠選擇和采用現(xiàn)代控制理論和方法，進(jìn)行現(xiàn)代控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、分析與解釋。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

《深圳大學(xué)榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位管理辦法（試行）》（深大校發(fā)〔2019〕244 號(hào)）第二條規(guī)定“榮譽(yù)課程由基礎(chǔ)部分和提升部分組成，兩個(gè)部分作為兩門課程分別單獨(dú)考核，記入學(xué)生成績(jī)單，成績(jī)單中對(duì)提升部分進(jìn)行榮譽(yù)標(biāo)注。榮譽(yù)課程體系原則上由不低于36 學(xué)分的榮譽(yù)課程組成，榮譽(yù)課程教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度須高于普通課程，注重知識(shí)的跨學(xué)科性、前沿性。榮譽(yù)課程提升部分主講教師原則上應(yīng)具有高級(jí)職稱?！钡谌龡l規(guī)定“榮譽(yù)課程在主修專業(yè)中設(shè)置，雙學(xué)位不設(shè)置榮譽(yù)課程?！钡诹鶙l規(guī)定“榮譽(yù)課程學(xué)分為基礎(chǔ)部分和提升部分之和，基礎(chǔ)和提升有任何部分的成績(jī)低于B+，則兩部分的學(xué)分均不得計(jì)入榮譽(yù)課程學(xué)分。榮譽(yù)課程不接收學(xué)生重修?！被谏鲜龉芾磙k法，對(duì)現(xiàn)代控制理論榮譽(yù)課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

（一）榮譽(yù)課程學(xué)分

現(xiàn)代控制理論榮譽(yù)課程學(xué)分是基礎(chǔ)課程2 學(xué)分和榮譽(yù)課程1 學(xué)分的總和，基礎(chǔ)課程和榮譽(yù)課程有任何部分的成績(jī)低于B+，則兩部分的學(xué)分均不得計(jì)入榮譽(yù)課程學(xué)分。

（二）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在基礎(chǔ)課程總學(xué)時(shí)進(jìn)行到2/3 時(shí)，開展3 學(xué)時(shí)/周共18 學(xué)時(shí)的榮譽(yù)課程教學(xué)，以專題形式設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，共設(shè)計(jì)了4 個(gè)專題，所設(shè)計(jì)的專題教學(xué)內(nèi)容見表1。

表1 教學(xué)內(nèi)容安排

針對(duì)現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容抽象難懂、與實(shí)踐聯(lián)系不緊密的問題，緊密聯(lián)系控制領(lǐng)域工程實(shí)際，以實(shí)際復(fù)雜控制系統(tǒng)為例開展控制系統(tǒng)的建模、求解、分析與綜合的理論教學(xué)，并借助專業(yè)軟件MATLAB 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制系統(tǒng)的建模、求解、分析和綜合設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)。此外，榮譽(yù)課程是在基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)上開展的拔尖創(chuàng)新能力的提升教學(xué)，因此，相對(duì)于基礎(chǔ)課程的教學(xué)，提高了教學(xué)內(nèi)容難度，使其更適用于培養(yǎng)解決復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程問題的能力。具體教學(xué)內(nèi)容描述如下。

（1）復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式建模與求解的教學(xué)內(nèi)容。以實(shí)際工程應(yīng)用中涉及到的多輸入多輸出復(fù)雜非線性控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，講解如何理解與識(shí)別自動(dòng)化控制系統(tǒng)的輸入、輸出和狀態(tài)變量，深入解析線性化的狀態(tài)空間模型、線性時(shí)變狀態(tài)空間模型和非線性狀態(tài)空間模型的建模方法，并講授如何聯(lián)合理論方法和MATLAB軟件求解所建立的狀態(tài)空間模型。

（2）復(fù)雜系統(tǒng)能控性與能觀性分析的教學(xué)內(nèi)容。以實(shí)際工程應(yīng)用中涉及到的復(fù)雜控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)第一個(gè)專題教學(xué)內(nèi)容所講授的狀態(tài)空間模型知識(shí)，講授如何結(jié)合理論方法和MATLAB 軟件分析與檢驗(yàn)復(fù)雜控制系統(tǒng)能控性與能觀性，并講解如何構(gòu)建數(shù)學(xué)模型明確系統(tǒng)能控性、能觀性與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（3）復(fù)雜系統(tǒng)李雅普諾夫穩(wěn)定性分析的教學(xué)內(nèi)容。以實(shí)際工程應(yīng)用中涉及到的復(fù)雜控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)第一個(gè)和第二個(gè)專題教學(xué)內(nèi)容所講授的狀態(tài)空間模型和系統(tǒng)能控性與能觀性分析知識(shí)，講解如何聯(lián)合理論方法和MATLAB 軟件識(shí)別和檢驗(yàn)復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，講授如何利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制器，解析復(fù)雜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)與穩(wěn)定性之間的內(nèi)在聯(lián)系。

（4）復(fù)雜系統(tǒng)綜合的教學(xué)內(nèi)容。以實(shí)際工程應(yīng)用中涉及到的復(fù)雜控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)前三個(gè)專題教學(xué)內(nèi)容所講授的狀態(tài)空間模型、系統(tǒng)能控性與能觀性分析以及李雅普諾夫穩(wěn)定性分析知識(shí)，介紹復(fù)雜閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，講授如何利用狀態(tài)反饋、極點(diǎn)配置、狀態(tài)觀測(cè)器和最優(yōu)控制方法及MALTAB 軟件進(jìn)行復(fù)雜控制系統(tǒng)的綜合，解析復(fù)雜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)與控制性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并講解如何利用理論方法和MATLAB 軟件對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與解釋。

（三）教學(xué)方法設(shè)計(jì)

（1）授課方式。在現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)課程講授主要理論和方法的基礎(chǔ)上，榮譽(yù)課程采用圖1 的“實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)+自主設(shè)計(jì)+互動(dòng)研討”教學(xué)方法，課堂上通過論文研讀方式引入實(shí)際控制系統(tǒng)需解決的工程問題，進(jìn)而給定某一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)，將抽象的現(xiàn)代控制理論與具體的實(shí)際控制系統(tǒng)相融合，采用現(xiàn)代控制理論與MATLAB軟件對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析與綜合，通過小組形式對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)的建模、分析與綜合結(jié)果進(jìn)行互動(dòng)討論，根據(jù)小組討論結(jié)論再與老師進(jìn)行互動(dòng)探討。通過教師提問、學(xué)生自主設(shè)計(jì)、學(xué)生互動(dòng)討論和師生互動(dòng)探討等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)和互動(dòng)討論為主、教師引導(dǎo)為輔的課堂授課。該授課方法可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、課堂參與積極性、自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作及解決復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程問題的能力。

圖1 “實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)+自主設(shè)計(jì)+互動(dòng)研討”的教學(xué)方法

（2）作業(yè)方式。針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式建模與求解、復(fù)雜系統(tǒng)能控性與能觀性分析、復(fù)雜系統(tǒng)李雅普諾夫穩(wěn)定性分析、復(fù)雜系統(tǒng)綜合四個(gè)專題，分別布置四次作業(yè)。每一個(gè)專題教學(xué)內(nèi)容均會(huì)解決某一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)的某一個(gè)或幾個(gè)工程問題，基于課堂上經(jīng)過推導(dǎo)、仿真和討論的相關(guān)工作，課后繼續(xù)深入研究完成相應(yīng)專題的學(xué)習(xí)工作，并通過課程報(bào)告的方式總結(jié)和探討相應(yīng)專題的研究工作，從而提升學(xué)生選擇和采用現(xiàn)代控制理論和方法進(jìn)行復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、分析與解釋的能力，提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程問題的表達(dá)、分析與歸納能力。

（3）考核方式。期末閉卷考試的考核方式單一，難以全面評(píng)價(jià)學(xué)生解決復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程問題的能力，因此，建立多元化的考核方式，以突出學(xué)生的綜合能力。采用的考核方式見表2，包括期末報(bào)告、論文研討、理論推導(dǎo)、軟件仿真、課程作業(yè)及課堂考勤六種考核方式。六種考核方式都是以小組為單位合作完成，2～3 人一組，教師根據(jù)每位學(xué)生的具體情況評(píng)定相應(yīng)的考核成績(jī)。

表2 考核方式

三、結(jié)束語(yǔ)

基于榮譽(yù)教育理念開展了自動(dòng)化專業(yè)核心基礎(chǔ)課程現(xiàn)代控制理論榮譽(yù)課程的建設(shè)，提出了“實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)+自主設(shè)計(jì)+互動(dòng)研討”的教學(xué)方法。在基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了難度提高的復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式建模與求解、復(fù)雜系統(tǒng)能控性與能觀性分析、復(fù)雜系統(tǒng)李雅普諾夫穩(wěn)定性分析以及復(fù)雜系統(tǒng)綜合四大專題教學(xué)內(nèi)容，授課方式以學(xué)生自主學(xué)習(xí)和互動(dòng)討論為主、教師引導(dǎo)為輔，啟用全面評(píng)價(jià)學(xué)生綜合能力的多元化考核方式，以期提升現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、課堂參與積極性、自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作及分析、研究與解決復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程問題的能力，為培養(yǎng)符合現(xiàn)代社會(huì)需求的自動(dòng)化行業(yè)高素質(zhì)卓越創(chuàng)新拔尖技術(shù)人才提供參考。