面向工程應用化的研究生現代控制理論課程改革與探索

【摘 要】本文針對工科類研究生課程現代控制理論的特點，通過對機械工程專業研究生的教學思路及方法的探索和實踐，提出以理論教學、實際實驗演示、項目應用等環節有機結合，加強學生知識工程應用化能力培養的思路，使其在掌握課程基礎理論之上，能緊密結合自身專業方向進行應用，培養學生發現、凝練和解決問題的能力。

【關鍵詞】研究生教育 知識應用化 現代控制理論

【中圖分類號】G423 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）20-0059-02

錢學森指出：“技術科學是人類知識的新部門。”機械工程學科是聯結自然學科與工程行為的橋梁。機械工程學科發展戰略報告（2011～2020）中指出：要高度重視技術科學的發展和工程實踐能力的培養，提高把科技成果轉化為工程應用的能力。在我國研究生教育體制中，有學術型和專業型兩種研究生學位，學術型研究生在校期間以理論研究為導向，而專業型研究生則以工程應用能力為主要教學目標。但隨著實際工業生產設備及系統不斷地向集成化、綜合化、精密化、智能化發展，以及測試控制技術的日新月異，研究生在校學習期間很難接觸到先進的工業設備，了解其實際運行特征及測試控制技術，使學術型研究生造成理論上的“空談”，專業型研究生不能有效將技術理論應用于工程實踐，因此我們認為目前研究生課程培養的關鍵問題是如何搭建好理論和實踐應用橋梁，從而真正提高研究生的實際科研能力。

筆者所在教學團隊從2009年起承擔了機械工程一級學科下機械設計及理論、機械電子工程、機械制造及其自動化、車輛工程等二級學科專業現代控制理論課程的教學工作，在教學過程中發現，全日制學術型及專業型研究生針對自身研究方向的學習缺乏明確目的，而非全日制的專業型研究生確難以掌握理論性的課程，使所學內容無明確的應用價值。

機械工程研究生在校學習過程中，除數學、外語等基礎課程外，剩余課程被定義為專業課程，但現實中，一些課程會成為連接其他課程的橋梁，我們將其定義為研究生培養過程中的專業基礎課程。

因此，我們在研究生教學方法探索過程中，利用專業基礎課程的通用性，將學術型研究生及專業型研究生的專長相結合，將教學資源進行整合，通過理論學習、工程引入、項目分解以及專項討論的一系列教學方法，使研究生在學習過程中根據自身專業方向有針對性地進行學習，又可對相關知識進行了解，最終達到培養其知識應用化的能力。

一 課程培養方法的探索與改革

碩士研究生相對于本科生應該具有更強的研究問題和解決問題的能力，但目前的課程安排，一般均以理論授課和計算機模擬為主，使學生對生產生活中的實際問題缺乏概念，并且在理論學習的過程中具有盲從性。機械工程類研究生是機械工程領域的高層次人才，在工程應用過程中，不僅需要從實際問題出發，解決工程中出現的問題，更要有創新意識，能夠設計出新型的機械產品，推動機械行業的發展。因此，改革內容包括以下幾個方面，以實現知識應用化的目標。

1.明確教學內容，基礎理論實用化

以知識工程應用化為培養目標，同時兼顧現代控制理論課程數學知識要求較高、理論難度大的特點，在安排教學大綱時，以理論、實踐相結合的方法進行授課。

目前現代控制理論課程共40學時，理論授課環節占到總學時的二分之一，教學內容從理論體系中基礎理論狀態空間方程出發，再對系統性能分析、判定方法、最優控制理論、智能控制方法等進行學習。為配合理論環節的教學，從前期的基礎理論學習開始，我們就將課堂直接帶入可模擬機械工程實際工況的實驗環境，通過綜合教學實驗平臺，以及針對課程基礎理論所設計的典型實驗環節，將所講解的建模及控制理論直接通過實際系統進行演示，再通過實際演示效果對理論的應用和延伸進行詳細說明，使學生對控制方法與實現過程及系統控制性能的基本理論進行學習和掌握，將重點放在基礎理論的實際應用上，在揭示理論教學內容聯系的同時，調動學生對自身專業需求的理解，使課程知識能夠支撐并應用到自身專業研究中。

2.引入實際工程，挖掘科學問題

在后期的學習中，將實際項目引入課堂，將學術型研究生及專業型研究生按照自身專業進行分工，如學術型研究生以實際工況系統的狀態空間建模及控制算法設計為主，專業型研究生以系統設計、性能分析、控制策略的應用為主，同時兼顧學生自身興趣。在該教學環節下，學生在規定的時間內，完成實際項目工作，算法設計的學生必須有相應的程序，且能與所設計的硬件進行配套使用，并給出相應的說明書。若沒有完成，必須給出相應的技術難點以及所使用過的解決方法，并在課堂上進行討論，并使其最終完成項目。通過此教學方法培養學生發現問題和解決問題的能力，并使其通過工程學習掌握理論的應用方法及價值。

在講解實際應用的同時，將一部分工程與控制交叉學科的新思路和新方法引入課堂，使學生對新工業的控制需求進行掌握，開闊視野和思路，培養學生的創新意識，調動其學習積極性。

3.增強教師素質

教師是教育平臺里的中心人物，是聯系實踐、理論、學生的中心。為了將學生的實踐與理論緊密相連，必須使教師一方面具備專業的理論知識，又要有實際的工程應用經驗，這樣才能在授課的同時潛移默化地引導學生將理論滲透到實踐當中。在我們教學團隊中，教師必須經過實際項目的鍛煉，并對控制理論在實際中的應用有實際經驗，通過這樣的要求，我們發現課堂的氣氛更為活躍，使學生更有興趣進行積極的思考和實踐。

二 教學改革的效果與存在的問題

我們于2013年開始進行現代控制理論課程的改革，到今年為止已經培養了兩屆學生，并在課程結束后對學生進行了問卷式調查。通過學生的反饋，我們看到學生對于知識工程應用化的教學思路是認可的，通過課程的學習擺脫了理論的抽象思維難度從單調的理論教學方法中，過度到了工程的多元化應用中；演示和討論式的教學課堂，也使學生感到輕松且充實；實際項目的引入，讓學生感到學以致用，并更加明確了自身專業領域內課程的應用方法。但也存在著一些問題：

1.拓展課堂空間

在基本理論教學階段，教師通過綜合實驗平臺對理論進行講解，在此過程中，很多應用的程序并沒有對學生公開，且設備由于平時實驗需求，難以長時間對學生開放，學生無法在課后進行實際操作，使學生難以針對課堂學習內容進行有效的課后實踐。

為此，教學團隊已經開始制作虛擬實驗平臺，在此平臺上學生可學習課程中所應用到的程序，可按照自己意圖進行更改，并在虛擬平臺上進行實驗，在得到好的結果下，可提交申請在真實實驗臺進行實驗。

2.加強學生實際應用的能力

在現代控制理論課程中，會應用到一些軟件，如C++、LABVIEW、MATLAB等編程軟件，但對于部分研一的學生短時間內難以掌握軟件使用方法，使學生依舊感到課程以理論為主，難以付諸實踐。這就會使學生喪失學習興趣，不但跟不上教學，同時也無法完成后期項目，給學生在學習上造成壓力。通過調查，我們發現，學生對軟件的熟練掌握是在研究生第二年，如何使學生較早地對常用軟件進行掌握，也是我們教學方法中的一個重要環節。

3.產學研結合，探索新的教學方法

教學過程中的實踐與實際尚有一定的差距，所以在校期間的學習是實踐能力的培養，到工程單位的鍛煉才是對實踐能力的掌握。因此，深入企業的培養與鍛煉也是研究生教學中的一項重要措施，在今后的培養中，我們將聯系部分企業，使學生能夠深入企業對現代控制理論在實際中應用有更深的了解。

參考文獻

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〔責任編輯：林勁〕