“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的實(shí)踐與思考

邱德潤　陳日新　曾喆昭　黃輝先

摘要:根據(jù)電子電氣(EE)類各專業(yè)的教學(xué)實(shí)際,針對“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等課程中許多知識相互重復(fù)的弊端,提出了將其科學(xué)地綜合成“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的具體方案,提出了依照“先信號、后系統(tǒng),先連續(xù)、后離散”的順序,按分析方法展開的知識結(jié)構(gòu),并在開設(shè)試驗(yàn)班與出版新教材的實(shí)踐基礎(chǔ)上,從符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、節(jié)省總課時(shí)和加快中國新世紀(jì)人才培養(yǎng)步伐等方面,進(jìn)行了“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程意義的思考。

關(guān)鍵詞:信號;系統(tǒng);控制理論;新課程;實(shí)踐與思考

中圖分類號:G644文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1673-291X(2009)30-0231-03

由于歷史的原因,“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等關(guān)系十分密切的基礎(chǔ)理論課,一直以來基本上是各自獨(dú)立發(fā)展;這使得“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”既有各自的側(cè)重面,更有許多的共通之處[1～6](見圖1),多年的教學(xué)實(shí)踐使我們對此深有感受。

“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等課程同屬電子電氣(EE)類各專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課,在國內(nèi)兄弟院校的教學(xué)計(jì)劃中,許多都是同期開設(shè)的[7],這樣就必然造成 “單科學(xué)時(shí)不夠、整體學(xué)時(shí)浪費(fèi)、知識重復(fù)、教學(xué)效果不理想”的現(xiàn)狀,與當(dāng)前中國高等教育教學(xué)改革的環(huán)境不符,與中國高校課程開發(fā)與優(yōu)化組合的總趨勢不符。

在上述專業(yè)基礎(chǔ)理論課程的學(xué)習(xí)中,很多學(xué)生反映:由于“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等課程的知識重復(fù)現(xiàn)象,也由于基礎(chǔ)理論課程本身的抽象與難度,往往使學(xué)生產(chǎn)生多種困惑,不知道為什么要重復(fù)、不知道這些理論之間是什么關(guān)系、甚至不知道究竟學(xué)了些什么……。

在中國高等教育教學(xué)改革深化的今天,我們要著力凸現(xiàn)對學(xué)生“問題意識”、“自主意識”和“創(chuàng)新精神”的培養(yǎng),做到互動(dòng)式教學(xué)、在教學(xué)中以學(xué)生為本(人本主義),使學(xué)生處于“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”的狀態(tài)(美國教育心理學(xué)家布魯諾的基本觀點(diǎn))、處于建構(gòu)主義狀態(tài)(18世紀(jì)哲學(xué)家Giambattisita Vico提出),使大學(xué)生清楚認(rèn)識到自己在學(xué)習(xí)什么、建構(gòu)什么……,要做到這些,條理清晰、邏輯嚴(yán)密的嶄新課程與教材是必不可少的。

(一)新課程的知識結(jié)構(gòu)

針對目前“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等教材存在的“知識重復(fù)”問題,結(jié)合電子電氣(EE)類各專業(yè)教學(xué)計(jì)劃與教學(xué)實(shí)踐,我們經(jīng)過認(rèn)真總結(jié)、思考和研究,慎重提出綜合后新課程的知識結(jié)構(gòu)如圖2所示,并將新課程命名為“信號、系統(tǒng)與控制理論”。

(二)構(gòu)建新課程知識體系的原則與依據(jù)

1.一定要確保基礎(chǔ)理論知識的完整性、科學(xué)性和連續(xù)性。“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等課程作為電子電氣(EE)類各專業(yè)的基礎(chǔ)理論,需要很強(qiáng)的完整性、科學(xué)性和連續(xù)性,對于“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程,更應(yīng)如此。

考察圖1不難發(fā)現(xiàn),現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”課程在信號的分析方面比較透徹,而現(xiàn)行“自動(dòng)控制理論”課程則在系統(tǒng)的分析方面比較透徹;也就是說,現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”課程在系統(tǒng)的分析方面稍嫌不足,而現(xiàn)行“自動(dòng)控制理論”課程則在信號的分析方面比較薄弱;二者在“分析方法”的介紹方面,則基本是重復(fù)的。“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程將“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等課程有機(jī)地結(jié)合以后,不僅能充分發(fā)揮現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等課程各自的優(yōu)點(diǎn),而且能互相彌補(bǔ)各自的不足,使基礎(chǔ)理論課程的完整性、科學(xué)性和連續(xù)性更加鮮明突出。

2.一定要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程內(nèi)容的確定應(yīng)該科學(xué)、完整和清晰,不再存在冗重復(fù)的現(xiàn)象,要理順“信號、系統(tǒng)與控制”三者之間的復(fù)雜關(guān)系,要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,使學(xué)生知道正在學(xué)什么、將要學(xué)什么、學(xué)了有什么用。

基于以上考慮,我們將“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的內(nèi)容分為上、中、下三篇。其中,上篇是基礎(chǔ)、中篇是重點(diǎn)、下篇?jiǎng)t是課程的現(xiàn)代內(nèi)容與發(fā)展。

3.新課程的教學(xué)實(shí)現(xiàn)一定要有符合不同專業(yè)實(shí)際需求的詳略取舍方案。在“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程實(shí)施教學(xué)之前,一定要根據(jù)不同專業(yè)的實(shí)際需求,確定上、中、下各篇內(nèi)容在教學(xué)使用中的詳略取舍方案,為新課程的教學(xué)實(shí)施提供合理的選擇與安排。

(三)新課程的知識結(jié)構(gòu)

“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的知識結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2的知識結(jié)構(gòu)又具體劃分為上、中、下三篇。上篇基礎(chǔ)部分的基本知識結(jié)構(gòu)前面已經(jīng)表述,故不重復(fù)。

中篇部分的重點(diǎn)內(nèi)容則主要包括時(shí)域分析法的特點(diǎn)、連續(xù)與離散信號的時(shí)域分析、連續(xù)與離散系統(tǒng)的時(shí)域分析;頻域分析法的特點(diǎn)、連續(xù)與離散信號的頻域分析、連續(xù)與離散系統(tǒng)的頻域分析;復(fù)域分析法的特點(diǎn)、連續(xù)與離散信號的復(fù)域分析、連續(xù)與離散系統(tǒng)的復(fù)域分析;控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)、非線性控制系統(tǒng)的分析等。

對于時(shí)域分析法的介紹,既要強(qiáng)調(diào)時(shí)域分析的基礎(chǔ)性,又要指出微分方程經(jīng)典解法的煩瑣問題,并強(qiáng)調(diào)在LTI系統(tǒng)范圍,有更加簡便、實(shí)用的頻域分析方法和復(fù)頻域分析方法;因此,對于微分方程“經(jīng)典解法”內(nèi)容的介紹,完全可以少花點(diǎn)時(shí)間;而對于簡便、實(shí)用的頻域分析方法和復(fù)頻域分析方法的介紹,則可以充實(shí)、加強(qiáng)。

考慮后續(xù)課程“計(jì)算機(jī)仿真”將詳細(xì)研究MATLAB方法,因此,本課程只在控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)中,對MATLAB方法及其應(yīng)用,給予適當(dāng)?shù)某醪浇榻B。

下篇對課程的現(xiàn)代內(nèi)容與發(fā)展的介紹,主要突出狀態(tài)空間分析法重點(diǎn),同時(shí)包括系統(tǒng)的綜合問題;需要增強(qiáng)基本例題的力度,注入趣味性,引發(fā)學(xué)生對理論課的學(xué)習(xí)熱情。對于最優(yōu)控制問題,則可以隨專業(yè)發(fā)展的不同要求而定。

1.新課程的知識結(jié)構(gòu)更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,能提高理論課程的教學(xué)質(zhì)量。通過圖1與圖2的對照可知“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程不僅能夠壓縮“信號與系統(tǒng)”、“自動(dòng)控制原理”和“現(xiàn)代控制理論”等現(xiàn)有教材的累計(jì)冗余空間,而且能使學(xué)生的理論知識更加系統(tǒng)、牢固與清晰,使教學(xué)效果明顯改善。

“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程將內(nèi)容劃分為上、中、下三篇后,按照先信號、后系統(tǒng),先連續(xù)、后離散的順序,依分析方法展開的知識結(jié)構(gòu)克服了原來相近課程之間知識重復(fù)的弊端,符合由淺入深、循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律,具有邏輯嚴(yán)密、條理清晰、完整連續(xù)的特點(diǎn),因而確保了理論知識的完整性、科學(xué)性和連續(xù)性;容易被學(xué)生接受,能培養(yǎng)大學(xué)生對理論課程的學(xué)習(xí)興趣,提高理論課程的教學(xué)質(zhì)量。

2.新課程的知識結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省總課時(shí)、加快中國新世紀(jì)人才培養(yǎng)的步伐。由圖1可知:現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制理論”等課程在時(shí)域、頻域、復(fù)域和狀態(tài)空間分析方法的介紹方面,存在著嚴(yán)重的重復(fù)現(xiàn)象,必然造成了理論課時(shí)的浪費(fèi);也就是說,“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程克服了這種重復(fù),能夠節(jié)省一定的理論課時(shí)。考慮國內(nèi)不同院校、不同專業(yè)教學(xué)計(jì)劃存在差異的現(xiàn)狀,一般而言“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的最終總課時(shí)可以比現(xiàn)在“信號與系統(tǒng)”、“自動(dòng)控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”三門課程的累計(jì)總課時(shí)壓縮20 % 左右。

在湖南文理學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院59名自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生中的試驗(yàn)班教學(xué)實(shí)踐,確實(shí)證明了這一點(diǎn)。湖南文理學(xué)院電氣工程系2004級自動(dòng)化專業(yè)試驗(yàn)班與普通班的教學(xué)實(shí)踐對照如表1。

需要指出,表1中普通班的理論課時(shí)是經(jīng)過厚基礎(chǔ)、薄專業(yè)的教學(xué)改革后,已經(jīng)壓縮過的(教學(xué)改革前,理論課時(shí)為54+70+34、實(shí)驗(yàn)課時(shí)為10+10+6)。盡管如此,試驗(yàn)班仍然提供了足夠大的節(jié)省空間;而且,在考卷相同、集體流水判卷的情況下,試驗(yàn)班與普通班的期考平均成績差別不大,甚至略有增加;更何況試驗(yàn)班在節(jié)省了20課時(shí)后,擴(kuò)展了學(xué)生的自主空間,體現(xiàn)了以學(xué)生為本的教育思想,有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì),這正是我們所期待與需要的“加快中國新世紀(jì)人才培養(yǎng)步伐”的長遠(yuǎn)效益啊。

3.新課程開設(shè)的基本條件。新課程開設(shè)的基本條件主要包括教材與師資兩個(gè)方面。

在新課程開設(shè)所需要的教材方面,目前國內(nèi)還只有沈陽工業(yè)大學(xué)羅摶翼教授等編著的《控制工程與信號處理》(北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004)、《控制工程及信號處理基礎(chǔ)》(北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008)以及筆者編著的《信號、系統(tǒng)與控制理論》(北京:北京大學(xué)出版社,2009),前者很注重與工程實(shí)際問題的聯(lián)系,后者除注意理論與工程實(shí)際的聯(lián)系外,更注意突出了基礎(chǔ)理論課程教材內(nèi)容的完整性、科學(xué)性和連續(xù)性。《信號、系統(tǒng)與控制理論》的基本知識結(jié)構(gòu)如圖3所示。

全書內(nèi)容的編著為師生準(zhǔn)備了選擇學(xué)習(xí)的足夠空間:不僅能滿足“以夠用為度”的起碼要求,而且能滿足不同專業(yè)的發(fā)展要求、能夠有效彌補(bǔ)現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制原理”課程在這些方面的不足。

考慮不同專業(yè)對“信號分析”和“系統(tǒng)分析”兩個(gè)方面的要求存在差異,也由于教學(xué)計(jì)劃學(xué)時(shí)的限制,對于不同的專業(yè),新教材不僅能滿足“以夠用為度”的起碼要求,而且能滿足不同專業(yè)的發(fā)展要求、能有效地彌補(bǔ)現(xiàn)行相關(guān)課程在這些方面的不足;因此,在教學(xué)實(shí)施時(shí)允許主講教師根據(jù)不同專業(yè)的實(shí)際需求與課時(shí)限制,少講或不講本書某些章節(jié)的知識內(nèi)容。

為了保證教學(xué)效果,主講教師可以由兩位或兩位以上的老師擔(dān)任。新課程的師資必需同時(shí)具備“信號與系統(tǒng)”和“控制理論”兩方面的理論基礎(chǔ),并具備一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然,也可由“信號與系統(tǒng)”和“控制理論”的單方面師資合作完成。

我們對“節(jié)省課時(shí)”的有效利用,要給以相應(yīng)的積極引導(dǎo),使新課程在擴(kuò)展學(xué)生自主空間方面,在加快中國新世紀(jì)人才培養(yǎng)步伐方面,充分發(fā)揮出明顯的優(yōu)越性。

新時(shí)代大學(xué)生要求改革的呼聲日益高漲,他(她)們的參與熱情和要求改革的呼聲是我們進(jìn)行改革的動(dòng)力源泉,能夠使我們在改革中時(shí)刻體會到“歷史使命感”和“時(shí)代緊迫感”。

本文對“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的實(shí)踐與思考表明:新課程能夠壓縮“信號與系統(tǒng)”、“自動(dòng)控制原理”和“現(xiàn)代控制理論”等現(xiàn)有教材的累計(jì)冗余空間,有效克服相近課程“知識重復(fù)”的弊端,有效緩解課程內(nèi)容與教學(xué)時(shí)數(shù)的矛盾;既符合“壓縮總課時(shí),減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)”的原則,又確保理論知識的完整性、科學(xué)性與連續(xù)性;能夠充分體現(xiàn)1+1>2[8]的明顯優(yōu)點(diǎn),能夠進(jìn)一步完善學(xué)生知識體系,使學(xué)生的理論知識更加系統(tǒng)、牢固與清晰,從而改善理論課的教學(xué)效果,尤其能加快中國新世紀(jì)人才培養(yǎng)步伐,意義重大。