《現代控制理論》課程教學的改革與建設實踐

閆茂德　柯偉　楊盼盼

摘要：《現代控制理論》是自動化專業的主干核心課程，傳統的教學方法注重理論講解和分析計算，難度較大，學生不易掌握。為了提高課程的教學水平和教學質量，課程組以陜西省精品資源共享課程建設為契機，根據課程的學習目的和特點，從課程教材、教學內容和教學方法等方面做了一些改革和實踐，提出了教學模式革新、理論與實踐并重、綜合能力考核的教學理念，取得了良好的建設成效。

關鍵詞：《現代控制理論》；自動化專業；精品資源共享課程；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0109-03

一、引言

為了適應科學技術發展和創新型國家對高等院校人才培養質量的要求，各高校都在探索培養高素質的優秀人才的教學管理方法，達到培養質量提升、學生健康成長和創新國家服務的目的?！冬F代控制理論》是高等學校自動化、電氣工程及其自動化和測控技術與儀器等電氣信息專業高年級本科生開設的一門核心主干課程，也是機械電子工程、經濟管理、裝備制造與控制工程等專業選修課程。該課程主要講授現代控制理論最基本的知識和方法，并注重知識內容與物理概念的融合，以及關注理論的工程應用。

《現代控制理論》的顯著特點是其以狀態空間法為基礎，通過對系統狀態變量的描述來實現一個控制系統的分析、設計與綜合。《現代控制理論》利用矩陣運算進行了大量的理論講解、分析計算和定理證明，容易引導學生誤認為《現代控制理論》課程就是理論講解、分析計算和定理證明的數學推導問題，掩蓋了狀態空間法的優越性和工程應用前景。有些教師在《現代控制理論》的課程教學中只注重理論講解和習題解答，沒有將理論與實踐相結合，工程應用和實踐能力差。例如，沒有將Matlab引入實驗教學方法或者沒有開設實驗課程，這不利于學生對所學理論的理解和應用。為了強化對學生創新能力和綜合素質的培養，以適應當今社會對人才素質的要求，本課程以陜西省精品資源共享課程建設為契機，為了提高課程的教學水平和教學質量，根據課程的學習目的和特點，從課程教材、教學內容和教學方法等方面做了一些改革和實踐，給出了教學模式革新、理論與實踐并重、綜合能力考核的教學理念，取得了良好的建設成效。

二、課程教學改革

1.教材革新。對于教學內容的改革首先應該從教材的選擇開始，教材在一門課程的教學中具有至關重要的地位。一本好的教材應能夠引導學生掌握課程內容的內在邏輯體系，體現了課程知識點和實踐教學內容的本質特征。2015年以前，長安大學自動化專業、電氣工程及其自動化專業的《現代控制理論》課程一直選用機械工業出版社劉豹主編的《現代控制理論》教材。

為了提高《現代控制理論》課程知識點的掌握，突出理論與實際的聯系程度，強化學生的工程實踐能力，課程教學組在總結十余年教學經驗的基礎上，并參考已出版的同類優秀教材，編寫了《現代控制理論》講義，經過在自動化專業3屆學生中的教學試用，結合授課反饋意見，教學組將該講義編寫成《現代控制理論》一書，經過多次專家審閱與和修改，該書于2016年2月在機械工業出版社出版（如圖1所示）。

2.教學內容革新。不同于其他應用類課程，《現代控制理論》課程內容較為抽象，公式推導和結論也較為嚴謹。因此，教授內容和知識點的選擇需要進行相應的革陳推新，在保證課程體系結構清晰完整的前提下，著力將本門課程的基本概念、基本原理、基本方法及結論等內容進行清晰明確的講授，防止定義、理論和結論的堆砌，并自始至終注意用啟發式的論述方法，注重培養學生的思考能力和創新能力。在實際授課過程中，不僅要保證《現代控制理論》課程體系結構的嚴謹完善，還應重點就理論提出、證明過程和思路等內容進行詳細詮釋，并適當增加工程應用舉例和前景的講解，避免學生死記硬背和生搬硬套，使學生準確地理解基本概念、原理和結論。

在內容的選擇上要抓住狀態空間綜合法的優越性，說明狀態空間法不僅描述了系統輸入—輸出之間的外部關系，還揭示了系統內部的結構特征，是一種完全的描述。在講授過程中，要注重對結構體系和重點內容的講解，例如，對于狀態空間模型的建立、線性定常系統的分析與設計以及控制系統穩定性分析等內容要詳細給予講解，而對于線性時變系統以及非線性系統的相關內容則簡略介紹或讓學生自學即可。因此該課程內容包括：掌握現代控制理論的時域建模方法（狀態空間表達式）以及模型的規范描述形式；掌握系統性能的基本分析方法以及求解狀態空間表達式、系統的穩定性分析以及能控性和能觀性分析；掌握在時域進行反饋控制系統設計，包括系統的極點配置以及觀測器的設計等，以及工程實踐技能的提高。期望，通過本課程的學習，一方面使學生理解《現代控制理論》的基本原理與方法，掌握線性系統分析、控制器設計和實現的基本能力，為后續計算機控制系統、運動控制系統、過程控制工程等課程學習奠定基礎；另一方面培養學生利用現代控制理論和計算機技術解決控制系統的分析和綜合問題，以突出系統的思維方法，培養學生分析問題和解決問題的能力，為工業控制系統開發與設計奠定理論基礎為原則。

3.教學方法革新。（1）先進的教學模式?，F代控制理論課程的內容包含大量復雜的公式和證明，傳統的板書教學方法是教師邊講邊用粉筆在黑板上書寫講稿上的內容，這種方式的教學過程不連貫、不緊湊，導致授課信息量太小，學生學習起來沒有什么興趣，導致教學效果不是很好。多媒體教學融合當代信息技術的發展成果，通過使用文字、圖片、音頻等資料來進行教學活動，不僅節省了教師授課時的板書寫作時間，增加了教學的信息量，而且將虛擬的教學模式變成易于實現的形式，更加促進了學生對所學內容的認知與掌握，有助于提高他們學習的積極性。（2）把Matlab融入到課程教學。Matlab作為一種專業級的商用數學軟件，在控制算法設計、仿真結果可視化以及高性能數值計算等方面具有獨特優勢，被廣泛應用于控制理論的分析與設計之中。利用Matlab語言進行現代控制理論的計算與仿真，方便直觀，這種有機結合能夠提高學生的學習興趣和積極性，可以達到滿意的教學效果。例如，現代控制理論中用矩陣表示狀態空間表達式，而Matlab的基本運算單元也是矩陣，用戶在求解不同類型的控制問題時可調用許多預先定義的函數，而且Matlab還具有交互分析的能力，所以使用Matlab語言工具進行現代控制理論的計算與仿真是較為可行的一種手段。（3）強化課程實驗環節。為了使學生加深對理論知識的理解，《現代控制理論》教學在第1—5章都安排了Matlab分析、綜合和應用，并從工程應用角度出發，設置了三個具有代表性的課內綜合實驗，分別是“用Matlab完成車載倒立擺的分析與綜合（必開）、線性系統的狀態反饋控制及極點配置和直線電機倒立擺的調試運行與狀態反饋控制”。另外，還為學生增加了第二課堂，包括控制系統課程設計與綜合實驗、控制工程實驗室開放項目、大學生創新創業訓練計劃項目、產學研合作科技開發項目和全國大學生學科競賽等，實現了課內理論學習與課外應用實踐、課本知識學習與創新能力培養的有機結合，從而促進了學生專業知識和綜合素質的全面發展。（4）優化考核方式。在考核時應加強對學生綜合能力的考核，平時成績評定時應將平時作業、課堂提問、小測驗、出勤率有機結合起來作為平時成績，在各個方面和環節上嚴格要求學生，并將平時成績按照額定的比例算入總評成績，注重對學生平時學習習慣和各方面的綜合能力的培養，這樣的考核，比僅僅依靠期末考試的方式更公平、合理，有助于良好學風的形成。

三、教學改革的特色與成效

長安大學自動化專業源于西安公路學院1978年設立的交通自動控制本科專業，已形成面向交通信息與控制、工業自動化、軌道交通信號與控制和智能儀器儀表等領域，培養從事產品設計、項目開發、應用研究、運行管理和經營銷售等方面工作的高素質、寬口徑、復合型的自動化科學與技術專門人才，至今已有40年的辦學歷史。自動化專業2006年獲批陜西省名牌專業，2010年獲批國家級第一類特色專業建設點，2011年獲批國家級“卓越工程師教育培養計劃”專業，并且是長安大學第1個首批試點專業，2012年被評為國家級綜合改革試點專業。2016年獲批陜西省高等學校創新創業教育改革試點學院。近年來，自動化專業教學成果顯著，榮獲國家級教學成果二等獎1項、陜西省教學成果特等獎2項、一等獎1項和二等獎2項。針對我校自動化專業的特點，我們組建了一支理工融合、專業互補的自動化專業教學團隊，2014年被評為陜西省教學團隊。在課程的開設上，秉承特色辦學的理念，注重依托學院優勢與強項，對教學內容、教學方法等進行深入改革。與此同時，充分利用施教專業學生邏輯思維和推導能力強的特點，在組織教學內容時，合理刪減重復性的、學生掌握較好的證明部分，適當強化控制工程專業背景方面的內容，并以理學思維的方式進行闡述。經過3年的教學實踐，學生普遍反映教學效果良好，并在以下方面形成了自己的特色。

1.學院內跨系部組建教學團隊，有利于打破專業方向的壁壘，鄙棄門戶之見，將理論與實踐有機結合起來，使學生多方受益。

2.注重后續課程和已開設課程的銜接，強調開設課程之間的滲透及融合是其最大的特色，并有利于課程內容的優化整合。

3.加強以工程化思想為引導學習概念和方法。從緒論、導入概念、選取案例、設計實驗以及適當穿插Simulink等多方面對控制背景進行滲透，有利于激發學生的學習興趣，逐步培養學生的“問題驅動”下的研究型思維模式。

4.結合教師的科研背景和項目，將本學科熱點領域的新方法、新成果和新應用介紹給學生，使學生在掌握本課程知識的基礎上，逐步向研究型過渡，符合我校辦學培養的宗旨。

5.以倒立擺實驗為平臺，加深學生對能控性、能觀性、極點配置、狀態觀測器等基本概念的理解與應用，使理論授課與實驗設計有機結合起來，在教授各階段理論知識之后，對倒立擺系統進行建模、分析及控制器設計等，以提升學生的工程實踐能力，增強他們對用所學理論知識解決實際問題的信心。

6.《現代控制理論》課程2014年被評為陜西省精品資源共享課程，2015年完成精品資源共享課程的全程視頻錄像，課程網站的鏈接地址為Http：//xdkzll.chd.edu.cn，課程網站首頁如圖2所示。

四、結束語

隨著科學技術的迅速發展，高等院校應不斷地更新專業課的教學內容、教學理念和實驗平臺，只有把新的知識體系和先進的教學手段有機結合起來，才能夠適應時代的發展。另外，對于工科教學一定要突出實際應用背景，將理論與實際聯系起來，并注重科學理念的培養。只有這樣，高校的教育成果才能最大地發揮出來，達到培養符合我國現代化建設合格人才的目的。

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