線性系統理論實驗教材建設的幾點考慮

董海瑞　齊曉慧　毛瓊

摘 要 針對線性系統理論課程特點，從全面性和系統性、應用性和針對性、拓展性和研究性等方面分析實驗教材編寫應注意的幾個問題。

關鍵詞 線性系統理論；實驗教學；實驗教材建設

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）06-0151-02

Abstract Based on linear system theory course features， in this text， some proceedings which should be attracted attention are analyzed in the compiling and writing on the experimental teaching-material.

Key words linear system theory； experimental teaching； expe-rimental teaching materials construction

1 引言

課程學習作為研究生培養的重要環節之一，一是可以奠定研究生的學科知識基礎和專業知識基礎，二是可以促進研究生的科研能力、創新思維的培養[1]。因此，要加強研究生課程建設，充分發揮課程教學的作用，強化研究生的創新思維、科學方法和學術素質的培養。

線性系統理論課程是軍械工程學院控制理論與控制工程、導航制導與控制、檢測技術與自動化裝置等學科碩士研究生的一門重要學位課程。該課程內容多、公式多、方法多，應用背景涉及面寬，理論與實踐聯系緊密。針對工科碩士研究生，不但要求具有堅實的學科理論知識基礎，還應具備學科實驗的實踐動手能力。正如在《中共中央國務院關于深化教育改革全面推進素質教育的決定》中提到的：“高等教育要重視培養大學生的創新能力、實踐能力和創業精神，普遍提高大學生的人文素養和科學素質?！盵2]

因此，在新一輪線性系統理論課程改革中，課程內容體系包括理論部分、實驗部分和方法論部分。與以往相比，本輪課程改革更注重研究生實踐動手能力和科學方法的培養，可從兩方面進行：一方面強調教學內容的理論性與應用性的有機結合；另一方面注重實驗教學與理論教學的有機結合，促進理論與實踐互動，進一步增強教學效果，加強運用所學知識分析解決問題能力的培養。

針對課程實驗教學，課程組主要圍繞實驗教學體系構建、教學條件建設、教學方法研究等方面開展了一些工作。實驗教材作為實驗教學的依據，有助于研究生學習控制類課程相關實驗的基本方法與知識，進一步學習和應用控制理論知識解決工程實際問題。因此，課程組在線性系統理論實驗教材編寫中，在緊密結合理論教學，針對研究生自主實驗、研究探索等實驗特點，圍繞課程實驗知識框架的構建、科研素質和創新能力培養等方面考慮的基礎上，進一步注意教材的全面性和系統性、應用性和針對性、拓展性和研究性，把控制類課程實驗的基本規律、實驗方法與手段、思維方式融于教材內容之中，反映教學改革的基本要求，以及控制類課程教學的發展趨勢。通過教材內容編排、實驗形式創新，為開展多種模式教學打下良好基礎。

2 實驗教材的全面性和系統性

實驗教材作為開展課程實驗教學的依據，首先應注意內容的系統性和全面性，通過內容選取、實驗類型規劃、章節安排等，使研究生能夠根據理論授課進度，有條理地自主開展實驗。一方面，知識學習是循序漸進的，實驗教材編寫從理論知識驗證到知識工程應用，從調動學習積極性到實踐能力培養等方面考慮，注意實驗的層次性，為研究生創設自主實驗、拓展實驗的條件。如在實驗形式上安排有驗證性實驗、綜合性實驗和拓展性實驗[3]：驗證性實驗是通過實驗現象觀察、實驗數據分析，總結驗證所學的理論知識，一類是基于ACCC-Ⅲ型實驗裝置的物理系統模擬仿真實驗，另一類是基于MATLAB軟件的數字仿真實驗，同時將兩類實驗結果比較，有助于分析相關參數變化對系統性能的影響；綜合性實驗基于典型被控對象，綜合運用所學理論知識、實驗方法與技能解決問題，一般包括控制算法軟件仿真驗證和物理模擬仿真實驗兩個階段；拓展性實驗在于開拓研究生創新思維，培養研究生自主學習能力，以研究專題形式規劃實驗項目，利用MATLAB軟件進行仿真研究。

另一方面，實驗教學與理論教學相輔相成，實驗教材內容體系與課程知識體系緊密銜接，依據課程理論知識規劃實驗教材內容。針對線性系統理論專題化教學內容規劃[4]，

結合實驗室現有條件，科學設置實驗項目[5]，其中驗證性實驗安排見表1。物理模擬仿真實驗針對給定數學模型，利用RC電路模擬控制系統，觀察響應曲線，分析系統性能。MATLAB仿真實驗針對各型控制對象，結合相應控制算法，利用函數命令編寫程序或繪制SIMULINK模型框圖，對控制系統進行仿真分析與設計。

3 實驗教材的應用性和針對性

實驗教學在于理論聯系實際，培養學員運用理論知識解決工程實際問題的能力，所以實驗教材的編寫應注意應用性和針對性，使研究生“知其然”，更要“知其所以然”。一方面通過實驗教學，研究生不但要具有實驗基本操作技能，更應具備實驗的基本方法和知識，為后續課題研究、科研等實驗奠定基礎。在實驗教材中應規劃實驗的基本原理、實驗注意事項和實驗裝置使用等內容。如：一是實驗教材中規劃有“實驗基本理論與方法”章節，主要介紹了實驗的典型測試信號、控制系統的RC電路模擬、控制系統性能測試方法、測試數據處理等內容；二是實驗裝置的介紹，即操作使用方法、使用注意事項等；三是針對具體實驗項目要明確實驗要求，便于研究生結合理論教學開展預習；要介紹正確完整的實驗步驟和規劃詳細的實驗記錄，有利于實驗開展，提高實驗結果的科學性；要布置思考題，便于研究生針對實驗數據、結果進行分析，強化與課程理論知識之間的聯系。

另一方面，在驗證性實驗的基礎上規劃了綜合性實驗。實驗教材中針對不同典型控制對象，如直線式倒立擺控制系統、旋臂式倒立擺控制系統、直流電機調速系統、小功率隨動控制系統、四旋翼飛行器姿態模擬系統等，以附錄形式介紹了控制系統的工作原理，以及系統調試、控制軟件操作方法，便于不同學科研究生有針對性地從MATLAB仿真驗證到計算機控制物理系統開展模擬實驗。

4 實驗教材的拓展性和研究性

實驗教學不但要培養研究生的動手實踐能力，還應注意研究生開拓精神和創新能力的培養，所以實驗教材的編寫應注意拓展性和研究性，具有創新思維的引導，提高研究生的實驗積極性，靈活運用知識解決問題。一方面要注意實驗教材內容的先進性[6]，體現國內外控制類課程教學的發展趨勢，及時引入新的科研成果、新的實驗知識等，使研究生在動手實驗中能夠掌握先進的實驗方法，又促進創新研究能力的培養。如結合“2110工程”建設，針對四旋翼無人機構建的系列實驗裝置，按照單旋翼參數測量、四旋翼受力平衡分析、飛行控制系統建模、飛行控制器設計的仿真驗證、飛行控制姿態物理模擬仿真的流程編寫了實驗內容。

另一方面要注意拓展性實驗的規劃，促進研究生對理論知識的理解掌握，同時為下一步課題研究工作奠定良好基礎。一是結合MATLAB仿真實驗，針對理論授課內容設計相應的實驗研究項目，作為驗證性實驗的拓展研究[5]。如針對控制系統穩定性問題，在完成李亞普諾夫第一法和第二法MATLAB編程仿真驗證的基礎上，規劃時變系統的“系數凍結法”穩定性研究內容等。二是結合綜合性實驗，注意引導學員開展不同算法的仿真比較，如結合直流電機調速系統引導學員進行PID控制、二次型最優控制等算法的設計與研究。三是規劃了研究課題，注重理論知識實踐工程運用能力的培養，如從系統建模、控制器設計、性能分析等方面，結合MATLAB仿真，研究倒立擺系統、某導彈制導控制系統等。

5 結束語

實驗教材建設是課程實驗教學的重要環節，直接關系到課程教學目標的實現。高質量的實驗教材應該通過合理選取編排內容、科學安排實驗形式等，體現實驗教學的系統性、應用性、拓展性，滿足研究生自主實驗、研究探索的需求，促進實驗效果的增強，有助于培養研究生的動手實踐能力和創新能力。

參考文獻

[1]包迪鴻，等.完善我國研究生課程教學的思考與研究[J].黑龍江高教研究，2005（6）：122-124.

[2]李蘭等.我國研究生教育科研素質培養探究[J].中國冶金教育，2006（4）：79-81.

[3]董海瑞，等.線性系統理論課程實驗教學探索[J].中國冶金教育，2013（12）：37-38.

[4]段廣仁.線性系統理論[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998.

[5]齊曉慧，等.仿真技術在線性系統理論課程中的應用[J].實驗科學與技術，2009（5）：99-101.

[6]楚隨英，等.高校實驗教材改革的研究[J].鄭州航空工業管理學院學報，2005（2）：99-101.