電氣專業“現代控制理論”課程的雙語教學探索

李生權+李娟

摘要：本文根據“現代控制理論”課程和電氣專業學生知識結構的特點，對雙語教學要求下該課程的教學問題展開探索。通過教學改革和課程實驗建設，提煉了幾點有效的措施，靈活的雙語教學方法的采用，英文教材的選取和調整，雙語教學環境下的多媒體課件和仿真實驗平臺的開發等。

關鍵詞：雙語教學；現代控制理論；英文教材；教學改革

中圖分類號：G642.0；TP273+.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）07-0131-03

一、引言

現代控制理論課程作為電氣工程專業本科三年級學生的專業必修課程在我校已開展多年。這門課程是矩陣論和自動控制原理等課程的延續，因而內容豐富、理論性和工程性都很強；再者，由于控制學科的飛速發展，使得該課程具有信息量大，更新發展快等特點[1]。近年來，隨著國家科學技術的飛速發展，中國大學生與世界其他高校學生的交流越來越頻繁，為了適應國際大融合發展的需要，雙語教學在高等學府中受到了高度重視。2001年教育部提出，在有條件的高校，應該為本科教育中的公共課和專業課開展雙語教學，并不斷開展教學改革和研究性教學實踐，探索有效的教學方法和模式，以提高雙語教學的質量[2]。近年來，雙語教學尤其是對專業課開展雙語教學已經成為了各大高校教學研究的熱點[3]。多項教學改革的實踐證明，在電氣工程的專業課程中開展雙語教學的探索，有利于課堂教學形式的國際化以及講授內容的快速更新，顯著地提高大學本科生的專業英語的執行能力，同時也會讓學生感受到專業英語的重要性，將會提高我國高等院校尤其是揚州大學的電氣相關專業課程教學的水平。因此，如何開展現代控制理論課程的雙語教學，尤其是在雙語教學要求下，提高學生的學習積極主動性和靈活應用教學成果的能力，就顯得尤為重要。“揚州大學電氣專業現代控制理論課程”教學團隊，根據近年來在該課程的雙語教學探索和實踐中遇到的一些問題，探索新的教學方法，特別注重培養電氣專業學生學習該課程的積極性，對該門課程雙語教學的可行性、要求和課程特點等進行了詳細的闡述，特別是根據電氣工程專業本科生的基礎知識結構和“現代控制理論”課程的理論性和工程性都很強等特點，在教學改革實踐中探討了一些行之有效的解決方法和措施。

二、課程特點及教學目標

現代控制技術是在經典控制理論中發展出來的一門學科。“現代控制理論”課程作為“自動控制原理”的后續課程，其作用是使學生在學習過自動控制原理和矩陣論等基礎課程之后，了解當今控制理論和應用領域的一個新階段，現代先進的控制方法原理及其應用。考慮到學科的特點和學時的限制，本課程在講授過程中只涉及到線性控制理論中狀態空間模型的建立和解的分析、能控性/能觀性分析、系統穩定性分析、狀態觀測器和狀態反饋的實現等內容。

課程的目的是使學生通過本課程了解時域形式狀態空間模型的形式、狀態變量、狀態方程的求解以及解得特點，開展系統的定性分析——能控性/能觀性和系統穩定性分析，尤其是掌握運用李雅普諾夫穩定性分析方法進行線性、非線性系統的穩定系判斷。進而，能夠對目標性能要求下，開展系統控制器和觀測器的設計。

三、課程雙語教學的具體內容

在電氣工程專業本科生中開展“現代控制理論”課程雙語教學面臨諸多不利條件：（1）內容的多樣性和課時的有限性；（2）在有限的課時數的條件下，如何讓學生盡快地熟悉英文教材所闡述的內容；（3）如何讓學生準確地掌握控制領域相關專業術語的英文表達；（4）如何提高詞匯量和英語的表達能力，尤其是一些常用的專業詞匯的靈活運用，以提高學生專業英語的聽說讀，尤其是寫文獻等的綜合應用能力。

作者及其“揚州大學電氣專業現代控制理論課程”教學團隊圍繞“現代控制理論”課程教學的實踐情況，對該課程的雙語教學的施教做了如下幾方面的研究性教學探討。

1.外文原版教材的合理選擇。在采用雙語教學之前，“現代控制理論”課程采用的一直都是中文教材。考慮到該課程雙語教學的需要，高質量的英文原著教材是必需的。為了保證英文教材的內容與教學大綱保持一致，教學團隊對國外的不同的現代控制理論教材進行了大量的對比和調整。要盡可能使用與電氣專業相似用詞習慣的原版教材，這樣可以保證在有限的教學課時情況下，電氣工程專業的學生可以很熟練地掌握專業詞匯的用法。同時，這本教材需要在中國有一定的知名度，這樣團隊教師可以很快了解和熟悉英文教材的內容。最終作者團隊選擇了英文教材[4]為“現代控制理論”課程雙語教學的教材。

2.講授內容的合理調整。由于國外大學在專業設置、培養方案和模式、人才培養要求和教學方式放上，與我國大學存在較大差異，盡管作者團隊已經較合理選擇了教材，但是外文教材內容與我國電氣工程專業教學內容上存在一定的差異，這就導致教材相關知識點也存在一些遺漏和重疊。比如，中文教材對現代控制理論的發展進行闡述時，多是從控制起源，結合一些歷史人物和相關的事件，如北宋蘇頌等利用反饋原理制作的水運儀象臺，瓦特利用離心調速器發明的蒸汽機，勞斯-赫爾維茨提出的頻域形式的穩定性判據，以及李雅普諾夫提出的李雅普諾夫穩定性理論等概述性的知識進行介紹的。這樣可以讓學生充分了解現代控制技術發展的歷史脈絡，同時，結合一些有趣的歷史事件，對狀態變量、狀態空間和反饋等一些重要的概念有一個基本的認識。而該英文教材盡管也介紹了一些現代控制方法和控制系統的一些主要的定義或者定理，但是并不是按照這種歷史脈絡的角度，而是從數學的角度。作者團隊認為，為了讓電氣專業的學生更好地掌握這些相對枯燥的概念，則有必要弱化它的數學的含義，而凸顯它的控制部分。但是后續的關于系統能控性/能觀性和李雅普諾夫穩定性分析的主要內容介紹等基本上與作者團隊之前采用的教材一致。

另外，所選英文教材內容比較豐富，篇幅比較長，教材中有些內容需要應用的矩陣論知識比較多，難度比較高，如教材中介紹關于高階微分方程轉換成狀態方程部分，針對輸入部分有微分的情況，以及針對復雜非線性系統，如何通過李雅普諾夫穩定性原理判定系統的穩定性等問題，對于電氣專業學生而言，一般不容易完全掌握。為此，筆者教學團隊，參照課時情況，對該英文教材內容進行了適當的簡化，如簡化了線性系統的結構分解和零極點相消等部分內容。凸顯現代控制理論方法的核心思想——狀態空間法，以滿足課程大綱的要求。

3.課件制作和現代控制實驗開發。由于該本英文教材沒有相應的諸如PPT、程序和實驗平臺等教學用的輔助資源，作者的教學團隊在消化吸收英文教材后，并基于前期的研究性教學的成果[5]，開發了雙語教學多媒體課件。同時，在該雙語教學的課件，作者團隊還將團隊早期收集的一些參考資料中的精髓內容也以最合適的方式得到了呈現。

作者團隊在近五年的現代控制理論課程講授過程中發現，非常有必要開發現代控制實驗平臺，尤其是基于雙語教學要求下，這樣有助于學生掌握現代控制理論課程的內容。但是，在此這前揚州大學水利與能源工程學院電氣工程系，在該課程上，一直沒有相應配套的仿真和實驗驗證平臺。為此，作者團隊教師設計提供了倒立擺實驗平臺，為雙語教學的現代控制仿真提供了驗證平臺。學生在進行仿真和實驗驗證時，可以用上該課程多個核心內容和知識點：系統能控性/能觀性、穩定性分析和系統狀態反饋控制設計等。同時，倒立擺系統與雜技中的頂桿平衡等有異曲同工之處，極具趣味性，提高了學生學習的積極性。

同時，在撰寫實驗報告時，要求學生對照實驗中的實驗現象。采用多種途徑，比如圖書館查找資料、網上搜集材料等，進行相應的理論分析，并鼓勵學生將一些與教材的不同之處反映在報告中，以提高學生善于思考和勇于提出不同見解的能力。比如，在“李雅普諾夫穩定性分析實驗”中要求學生采用第一法和第二法分別對倒立擺系統進行穩定性驗證，尤其是穩定裕度的闡述，仔細對比兩種方法驗證的結果，總結二者之間的區別和聯系。在“狀態反饋控制器設計實驗”中要求學生結合仿真結果分析零極點對系統性能的影響，同時要求學生結合“自動控制原理”課程所學的PID方法進行對比實驗，總結現代控制理論方法的優勢所在。通過自主開發的實驗和仿真驗證平臺，不僅完成了雙語教學的課程內容，同時讓學生熟悉了如何利用計算機進行現代控制技術仿真實驗驗證和結果分析，熟悉了Matlab/Simulink這一科研工程中應用最廣泛的計算軟件，包括與現代控制課程密切相關的LMI，系統辨識等工具箱。

4.靈活多變的雙語教學方式的應用。針對雙語教學的特點，較之之前的“現代控制理論”課程，作者團隊采用更為靈活的教學方式。選擇一些經典的控制系統例子，課堂中采用邊教學邊實踐的形式。另外，還采取課堂教學與討論同時進行，尤其注重課外閱讀和小組討論相結合的方式，采用平時考核和集中考試同等重要等手段，逐步提高學生主動學習的積極性。例如，布置一項課外作業，也傳統的課外作業不一樣，采用開放的形式。翻譯一段作者團隊精心設計的內容，該部分內容涉及一個倒立擺系統如何保持平衡的問題，并模擬雜技表演的模式進行介紹，學生不僅完成了作業，了解倒立擺系統的穩定性問題，同時學生也增加了對現代控制理論的具體應用的興趣。

四、結束語

在雙語教學要求下，在學習中如何采用該理論的內容解決電氣工程相關課程的實際問題，一直是作者團隊在課程教學中討論的問題。盡管團隊至今已經為四屆學生開展了現代控制理論課程講授。結合電氣專業的特點，對于現代控制理論的教學安排，學生和各級督導都普遍反映較好。尤其是經過雙語教學的探索，學生逐漸達到了聽說讀寫等幾個方面的要求，比較好地掌握了現代控制理論中的線性系統理論的核心內容。大部分學生能夠很好地完成英文教材和老師布置的任務，通過仿真實驗以及撰寫報告和大作業等各種考核形式，達到了該雙語教學課程的教學目標。

本文提出的雙語教學的一系列舉措，通過選擇合適的教材，對相關教材的內容進行合理的調整，并把原本抽象且枯燥的知識點和定理通過形象生動地實驗講授給學生，調動了學生的學習積極性。如何在教學中不斷積累，逐步完善教學手段，更好地提升雙語教學教學改革的效果，將是作者團隊一個值得繼續努力的工作。

參考文獻：

[1]張嗣瀛，高立群.現代控制理論[M].北京：清華大學出版社，2006：1-22.

[2]劉艷君.“現代控制理論”雙語教學的幾點思考[J].教育教學論壇，2015，7（2）：195-196.

[3]李世華.“智能控制概論”課程雙語教學改革探索[J].電氣電子教學學報，2009，31（4）：8-9.

[4]Richard C. Dorf，Robert H. Bishop. Modern Control System[M].美國：Prentice Hall出版社，2012.

[5]李生權，李娟，莫岳平.電氣專業現代控制理論課程教學的探索與實踐[J].安徽工業大學學報：社會科學版，2013，30（5）：116-117.

Abstract：Considering the characteristics of the knowledge structures of the electrical engineering students and modern control theory course，the course teaching problems under bilingual education demand are discussed in this paper. Through the teaching innovation and the experimental set-up building，several effective teaching ways are summarized in this paper，which are analyzed and introduced in detail. These strategies include the flexible employing of the teaching methods for bilingual teaching，the reasonable choosing and adjusting of the contents of English teaching materials，developing bilingual-teaching based multimedia software and simulation/experiment systems.

Key words：bilingual education；"Modern Control Theory"；English teaching material；teaching innovation