翻轉課堂模式下的現代控制理論課程研究

田小敏 楊忠

摘要：為了更好地令學生加深對現代控制理論課程的認識學習，本文結合應用型大學培養人才的要求，采用翻轉課堂模式進行現代控制理論課程探討，并針對當前學生學習中的突出問題詳述了具體的授課改進措施。實踐結果表明，采用翻轉課堂授課模式下的學生，普遍具有良好的領悟力和自學認知力，對應用型人才的培養取得了較好的效果。

Absrtact： In order to make students better understand and study the course of modern control theory， combining with the requirement of cultivating talents in applied universities， this paper discusses the course of modern control theory with the mode of flipping classroom. The practical results show that the students under the mode of flipping classroom teaching generally have good comprehension and self-study cognitive ability， and have achieved good results in the cultivation of application-oriented talents.

關鍵詞：翻轉課堂模式；現代控制理論；應用型大學；智能控制

Key words： flipping classroom mode；modern control theory；applied university；intelligent control

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0258-02

0 引言

傳統的工業生產中，被控對象往往要受到多個輸入變量的影響，更甚者，為精確描述控制系統的數學模型，要求系統中建模的參數緊隨時間做實時的變化，另外，為精確衡量一個系統的好壞，可能需要同時測量多個輸出值觀察其是否滿足期望的要求值，基于以上考慮，傳統的經典控制理論已不能完全滿足控制需要。現代控制理論是于20世紀60年代在經典控制理論基礎上提出的，因能很清晰描述各內部變量之間的聯系，現廣泛應用于各種優化問題。現代控制理論的研究對象不僅包含經典控制論中的單輸入單輸出線性定常系統的各種控制問題，同時，對經典控制理論不能解決的非線性系統、非定常系統、多輸入多輸出系統等，現代控制理論也有很好的控制效果。

自動控制系統最主要的兩個研究主題是最優控制和反饋問題，這兩個主題涉及多個應用領域，如：軍工、航空航天、電力系統、醫療系統、建筑工業等，這些自動控制系統往往需要更高的控制目標，針對魯棒控制、H-inf控制、分布參數控制、最優控制等問題，現代控制理論可以提供很好的理論工具。

綜上所述，對現代控制理論的學習至關重要，學生只有掌握了現代控制理論這門知識才能更好地分析研究實際系統，但是，線性代數、常微分方程、復變函數、隨機控制等課程是現代控制理論的先導課程，學生在學習這門課過程中涉及大量數學公式和數學推導，理論性太強，如果教師以傳統方式授課，學生很容易覺得該門課程枯燥、乏味、失去學習興趣、課堂反映效果不佳。為了更好地讓學生掌握這門課，任課教師必須改進授課方式，讓學生由被動接受知識變主動探索，翻轉課堂模式可以很好地實現這一目標。

1 課堂授課方式改進措施

傳統課堂授課方式只突出教師的主體作用，要求教師對課程的講解細致，課前準備工作充分，但是，現代控制理論涉及過多的數學知識，如果只有老師的講解，忽視學生的反應，往往得不到期望的人才培養效果，所以，這門課的講授過程中，必須充分發揮學生的主觀能動性，采用翻轉課堂授課模式可以充分發揮學生的主體作用，所謂翻轉課堂授課模式即學生課前根據教師提供相關參考資料進行自學，然后將自學成果在課堂上與老師和同學進行交流和互動，并在老師的輔助下完成相應的隨堂練習的一種新型人才培養模式。具體的授課改革措施如下：

①教師課前根據各個教學班的學生基礎和認知情況，另外，任課教師事先準備有關課程的充足清晰的音頻、視頻、網絡資料等材料方便學生自由下載。課前學生應用任課教師提供的相關材料進行自學，對每章要掌握的知識點進行充分的了解，在自學的過程中，涉及任何不清楚的數學知識，學生可以及時翻閱參考書籍進行梳理，這樣可以避免出現老師在課堂上講學生在下面聽得困惑的情況，學習效率高。對書中出現任何不懂的地方，學生可以事先記下來，在課堂上與教師進行交流，教師在進行適當的答疑后，可以布置相關習題檢驗學生的學習效果。

②教師結合學生自身的知識體系結構，做出適當的自學尺度要求，制定合理學習目標計劃，目標不宜定的過高和過低，要符合大多數學生的需求。如，專升本班的學生和統招全日制學生在學習目標上就要做相應的修改，前者由于基礎薄弱，所以在自學的過程中，只需要其掌握線性定常系統的控制理論，但是后者較前者具有良好的數學基礎，所以對其要求要相應提高，除線性連續定常系統外，還要求其掌握事變和離散系統的相關控制理論。類似這樣有層次的自學目標可以激發學生的積極性，發揮學生主觀能動性，使學生產生濃厚的學習興趣，充分調動學生感官，體驗現代控制系統的美妙。

③教師要積極開展課堂交流，對于學生自學過程中遇到的各種困惑要做詳細解答，另外，因為現代控制理論這門課涉及很多的數學運算和推導，尤其以矩陣的運算居多，容易掩蓋現代控制理論方法的工程背景，所以，任課教師應該多給出一些實際工程中應用現代控制理論實現控制目標的系統進行案例教學，這樣就不會讓學生忽視狀態空間方法的工程背景，誤以為現代控制理論的學習只是更深層次的數學問題。結合案例教學，可以促進學生對學習的感悟，提高其獨立思考的能力。

2 授課內容改進

2.1 教材選擇

教材的選擇上要選擇整體框架合理，知識點梳理清楚的，內容由淺入深，條理清晰，這樣的教材方便學生有效地開展自學工作，另外，教材的選擇上還需要具有新穎性和實踐性，新穎性可以很好地激發學生的學習興趣，實踐性可以很好地幫助學生理解這門課的實際工程意義，能幫助學生在面臨實踐工程問題的時候提供參考借鑒作用。

2.2 優化課程內容

現代控制理論這門課包含的內容非常多，任課教師在展開授課的過程中，針對不同班級學生的基礎制定不同的學習目標計劃，如前面提到的專升本班級和統招的普通全日制學生，需要學生達到的目的是不一樣的，教師實現需將要求學生自學的內容標注出來，對不做要求的內容學生可以根據自己的學習興趣自行安排學習計劃。在學生自學的過程中，老師可以要求學生在保證控制系統的完整性的條件下，結合老師提供的實際工程案例，只考察控制方案證明過程的合理性和嚴謹性，不必過分追求數學定理證明的嚴密性，對書上提到的基本概念、基本定理、基本公式等一定要理解其基本含義和組成，一定要避免死記硬背、生搬硬套，囫圇吞棗的情況發生。

2.3 注重課程內容在實際工程中的應用

在前面的內容提到，為加深學生對現代控制理論這門課的認識，老師可以在授課過程中引入實際工程系統進行案例教學，除此之外，老師還可以啟發學生的獨立思考能力，如，以倒立擺為控制對象，自主設計實驗來檢驗多種控制策略的有效性；或者，借助一個實際系統，要求學生對其進行建模，分析其相應的運動特性，根據要求的期望性能指標，獨立設計出合理的控制策略，并通過相應的軟硬件來驗證所提出控制策略的有效性和合理性，這里應用比較多的例子就是系統極點的任意配置問題。在經典控制理論中學過，系統的極點與系統的性能指標有直接的聯系，欲要求系統具有何種性能指標實際上就是要求系統的閉環極點處于相應的位置上，通過這一項實踐學習，就很好地將現代控制理論中系統極點任意配置的內容貫穿到實際工程中，這比單純地跟學生灌輸理論知識能取得更好的課堂效果。

3 考核方式改進

授課方式改進前，主要的考核方式是以閉卷考試為主，學生通常是通過死記硬背書上的重點內容和課后習題作業來達到通過考試的目的，顯然這樣的考核方式并不能實現應用型高校對人才培養的要求，要達到考的期望的人才培養效果，考核成績主要有以下三個部分組成：

①工程實踐階段（預計一周）：給定學生一個以工程中實際應用系統為研究對象的課題，要求設計相應的控制策略實現期望控制效果，學生在一周時間查找資料，設計控制方案，最后半天老師對學生進行答辯考核，此部分占40%。

②自主學習情況檢驗：任課老師根據翻轉課堂的授課模式，檢查每次課堂上學生的自學成果、與老師交流的情況、自學過程中做的讀書筆記和相應隨堂練習完成情況，給學生的考核成績做出一定的參考，此部分占40%。

③閉卷考試：此部分旨在考察學生對書本上基本概念和基礎知識的掌握情況，此部分占20%。

4 結束語

本文總結了現代控制理論課程授課上的特點和目前授課中主要存在的問題，探討了應用型高校下該門課程的授課方式的改進措施，包括授課內容改進、授課方式改進、考核方式改進，新型課堂模式下可以提高授課質量，培養學生運用理論知識指導實踐的能力，增強學生的實踐能力及創新能力，這一舉措符合應用型高校對人才培養的需求。

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