工程教育認證背景下現代控制理論課程教學分析與改革*

◆劉成林

工程教育認證背景下現代控制理論課程教學分析與改革*

◆劉成林

工程教育認證是針對高等教育機構開設的工程類專業教育實施的專門性認證，其要求本科教育落實于復雜工程問題的分析與解決。闡述現代控制理論課程的特點和目標，指出本科教學存在的普遍問題，提出一些具體的教學改革措施與途徑，采用多方面綜合手段來激發學生學習興趣，改善教學效果，提高學生對復雜自動化工程問題的分析與解決能力。

工程教育認證；現代控制理論；復雜工程問題；教學改革

1 引言

近年來，由于我國設立工科專業的本科高校、開設的工科本科專業、工程教育本科在校生等規模比較大，工程教育認證得到越來越多工科院校的廣泛關注與積極申請［1］。2015年3月，中國工程教育認證協會修訂了《工程教育認證標準》，包括通用標準和各專業補充標準，并在“畢業要求”上做了重大改變，增加為12條要求，而且重點突出本科教育要落實在“復雜工程問題”的分析與解決［2］。雖然沒有明確定義“復雜工程問題”，但認證標準對“復雜工程問題”特征屬性進行了詳細說明［2］。

作為控制理論的基礎知識，現代控制理論是眾多高校自動化相關專業的高年級本科生的必修課程，其課程教學也引起越來越多的重視［4-7］。江南大學自動化專業和電氣工程及其自動化專業每年有近250名學生必修現代控制理論課程，所以探討工程教育認證背景下現代控制理論課程的教學改革迫在眉睫。筆者根據多年從事現代控制理論課程教學的實踐經驗，深入分析該課程的特點、目的以及教學中存在的難點，針對如何提高學生對復雜工程問題的分析與解決能力，介紹一些具體的解決辦法與途徑。

2 課程特點及教學目的

現代控制理論是工科自動化相關專業的必選專業課程，其目的是使學生在學習自動控制原理基礎上，對控制理論的有更深入、更廣泛的學習與掌握。作為專業必修課程，現代控制理論的課程特點是：理論性偏強，過于抽象；內容豐富，綜合性強。對于大學本科生而言，通過本課程的學習應該能夠掌握狀態空間分析方法的基本概念，在時域中建立控制系統的狀態空間表達式數學模型的方法，求解控制系統的狀態空間表達式的解，線性控制系統的能控性和能控性分析，線性控制系統的李雅普諾夫穩定性分析方法，線性定常系統的綜合法，線性離散系統的分析和綜合方法，并為畢業后從事自動化及其相關專業的學習和研究奠定堅實的理論基礎。目前，工程教育認證要求現代控制理論課程要切實解決自動化復雜工程問題，提高學生對自動化復雜工程問題的分析與解決能力。

3 現代控制理論教學的特點與存在的問題

作為自動化、電氣工程等專業的必修課程，現代控制理論是在完成自動控制原理、線性代數等基礎課程之后開設的，使學生更深入了解本專業的基礎理論知識、應用前景與發展方向。因此，教學過程中要注重教學內容的復雜工程應用性、實踐性、針對性和專業性。參照工程教育認證標準，本科現代控制理論課程教學普遍存在如下問題，亟待改革。

作者：劉成林，江南大學物聯網工程學院副教授，博士，研究方向為控制理論與控制工程（214122）。

理論性強，課堂教學沉悶 由于現代控制理論具有理論性強和內容抽象的特點，講課重點通常落實在理論知識、概念和公式推導上，忽視對學生工程實踐能力的引導與培養，從而學生很難將現代控制理論應用于實際工程系統的設計中，很難提高復雜工程問題的分析與解決能力。此外，很多教師采用多媒體課件進行教學，課堂上一味地播放演示文稿，缺乏與學生的交流和互動，致使課堂氣氛沉悶，教學效果差。

教材內容單一，脫離工程實踐 現有教材的特點主要有：內容重點關于理論概念和公式演算，通過簡單示例來演示，包括RLC電路、電機系統、牛頓運動定律等［3］，其他專業相關的復雜工程示例偏少；概念抽象，公式復雜，從而缺失了工程形象感官，脫離了工程實踐，教學效果往往達不到預期；與經典控制相比，現代控制理論對解決多變量復雜控制系統具有優越性，而這一特點在教學過程中往往被忽視，同時這一點也是解決復雜自動化工程問題的有力手段；此外，與經典控制理論之間的聯系不夠緊密。

課程時間安排滯后 以江南大學為例，在教學中，學生對該課程內容的學習效果還取決于基礎數學線性代數的掌握情況，但是現代控制理論課程安排滯后于線性代數至少4個學期，大部分學生對線性代數的內容已經陌生，所以教學效果沒有達到最好。

學生對仿真設計軟件陌生 隨著計算機技術的快速發展，虛擬仿真技術在自動化類專業課程教學中起到越來越重要的作用，且自動化相關專業所涉及的仿真軟件非常多，如MATLAB［8］、LabVIEW［9］、Multisim［10］等。現代控制理論課程中的數學模型所針對的實際對象可以通過仿真軟件來模擬，如電路、水箱等，尤其針對復雜自動化工程問題，仿真實驗可以加強學生對控制理論的掌握，加深對控制理論的理解，同時增強學生的學習興趣，如四旋翼無人直升機、倒立擺控制系統、球桿控制系統等［7］。然而，大多數本科生對這些仿真軟件比較陌生，很難對控制理論問題進行仿真研究，尤其無法對復雜工程問題進行仿真研究。

4 教學改革措施與途徑

由于現代控制理論課程存在對數學基礎要求高，理論性偏強，課程安排滯后數學基礎課程，缺乏工程實踐驗證等問題，教與學的過程中都存在問題，尤其在學生學習過程中存在數學推導枯燥無味、缺乏工程背景、所學知識難以理解等問題。由于是自動化相關專業的本科培養計劃的必修課程，現代控制理論的教學改革研究引起眾多高校教師的關注［4-7］。結合多年從事現代控制理論教學工作的經驗，筆者從自身實踐出發，參考工程教育認證中的畢業要求，提出相應的課程教學改革研究的思路與想法。

注重理論思維，簡化理論推導，選取典型示例 教材是學生學習的主要參考，現代控制理論課程的教材和教學內容的適當選擇對教學效果有至關重要的影響。在教學內容的選取方面應該做到：強調控制思想的邏輯貫通，弱化數學公式的推演，演示豐富有趣的實際示例，從而激發學生的學習興趣。針對數學模型，選擇示例演示也要根據具體內容進行安排、難易適中，實際教學中可以采用學生易接觸和易掌握的示例，如RLC電路、質點運動等。

呼應經典控制，切合工程實踐，解決復雜工程問題現代控制理論是基于線性代數與矩陣論的專業基礎課程，旨在增強學生的控制理論基礎，加強和提升學生的控制思想和控制方法。教師在教學過程中應該將現代控制理論聯系經典控制理論，不時將兩者進行對比、對照（如數學模型、運動軌跡、穩定性、控制器設計等），從而使學生對現代控制理論基本概念的理解得以加強。此外，任課教師須從工程應用角度來提出現代控制的重要概念，如能控性、能觀性、穩定性等，增強學生對理論概念的理解和激發學生的學習熱情。針對現代控制理論教學內容，再結合教師自身的科研與學術經驗，應安排一定的課時來著重闡述如何利用現代控制理論來解決復雜工程問題，如四旋翼飛機的控制器設計問題、復雜過程控制系統的分析與控制器設計等。

課內課外綜合教學 借助于多媒體技術的快速發展，教學方法和手段也得到不斷改進，但如何采用適當的教學方法與手段來活躍課堂氣氛，進而達到比較好的教學效果，仍然需要進一步探討。獲得良好教學效果的首要前提：授課者必須明確教學大綱，深刻理解與掌握教學內容，備課充分。同時，課堂教學中除了演示文稿或抄寫板書，必須注重教學方法的改進，結合多種教學方法來活躍課堂氣氛，從而激發學生的學習興趣：針對教學內容，設計構造性問題來激發學生思考、討論和回答，通過互動交流來活躍課堂氣氛；隨著計算機與通信等技術的發展，多媒體教學多姿多彩，不再是單一的播放幻燈片，動畫、音響和錄像等其他多媒體形式也得到廣泛應用，尤其在復雜工程問題的引入與講解過程中更具有生動性和真實性，多樣的教學內容來吸引學生的關注和學習興趣；為加強現代控制理論課程的掌握，教師需要學生在課后進行習題演練，利用現有的一些課后作業輔導APP，及時與學生進行輔導交流，學生能夠實時與教師交流，增強學習興趣和學習效果。

虛擬實驗教學改進 現代控制理論的教學目標除了要求學生學習與掌握理論知識，還要求學生能夠應用控制系統的設計方法解決實際問題，為本科畢業設計（論文）和研究生階段學習打下堅實基礎，因此，現代控制理論教學需配備相應的實驗（或虛擬實驗）教學。現代控制理論主要考察多變量系統，為了增強學習效果，可以通過仿真軟件對多變量系統進行仿真實驗，應用相對比較廣泛的軟件有MATLAB、LabVIEW、Multisim等仿真軟件。運用MATLAB和LabVIEW軟件所包含的控制工具箱和庫函數，可以簡單快捷地設計控制器，并應用到系統數學模型或實際模型的控制中，更能直接體會與感受控制器的性能特點與控制效果。使用LabVIEW軟件可以設計前面板，模擬實際對象，更具有可觀賞性；使用Multisim軟件可以設計復雜電路，模擬真實電路，觀察電流、電壓變化情況，對系統的分析與綜合更具有直觀性，加強學生對所學內容的理解。同時，MATLAB軟件的M語言和LabVIEW軟件的G語言的程序編寫控制算法程序可以加深學生對工程實踐中控制算法的實質與具體實現的理解。由于課時的局限性，大部分院校都沒有開設實驗課程，但可以通過教師展示實驗流程和提供實驗方案，安排學生課后完成相應實驗內容。

5 結語

針對《工程教育認證標準》中畢業要求強調的復雜工程問題的分析與解決，筆者結合現代控制理論課程的教學特點和目標，根據自身教學經驗分析教學過程中的關鍵問題，給出相應的教學改革策略。根據本文的教學改革方案，對現代控制理論課程進行教學實踐，并從教學過程中不斷總結與分析，使得學生掌握現代控制理論的理論知識與設計應用，增強復雜工程問題的解決能力。

［1］林健.工程教育認證與工程教育改革和發展［J］.高等工程教育研究，2015（2）：15-19.

［2］工程教育認證工作指南［S］.中國工程教育專業認證協會秘書處，2015.

［3］劉豹，唐萬生.現代控制理論［M］.3版.北京：機械工業出版社，2006.

［4］鄭志強，翁智.“現代控制理論”課程教學改革探索［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：381-383.

［5］徐辰華.CDIO模式下《現代控制理論》課程輻射教學方法探索［J］.教育教學論壇，2016（3）：109-110.

［6］陳峰.CDIO模式下《現代控制理論》課程教學改革的探討［J］.實驗科學與技術，2012，10（3）：69-70.

［7］樓旭陽.基于球桿系統的現代控制理論課堂教學實例設計［J］.高教學刊，2016（8）：78-80.

［8］李暉，林志陽.Matlab/Simulink應用基礎與提高［M］.北京：科學出版社，2016.

［9］胡乾苗.LabVIEW虛擬儀器設計與應用［M］.北京：清華大學出版社，2016.

［10］趙全利，李會萍.Multisim電路設計與仿真［M］.北京：機械工業出版社，2016.

Analysis and Reform on Teaching Modern Control Theory under Engineering Education Accreditation

LIU Chenglin

Engineering education certifi cation is the professional certifi cation for the higher education institutions to set up specialized education， and it requires the undergraduate education to be aimed at the analysis and solution of complex engineering problems. In this paper， the characteristics and purse of modern control theory course are pointed out， the problems existing in teaching this course for undergraduates are stated， and some detailed methods of teaching reform on modern control theory are proposed. Using a multi-disciplinary method stimulates the students’ interest in learning， improves the teaching eff ect， and enhances the students’ analysis and solving ability for the complex automation engineering problem.

engineering education certifi cation； modern control theory；complex engineering problems； teaching reform

G642.0

B

1671-489X（2016）18-0106-03

江南大學本科教學改革研究項目（編號：JG2015112）。

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.18.106