現代控制理論課程教學方法的探索與實踐

黃敏 陳豐 訾建平

【摘要】由于新知識、新理論的快速發展，僅通過原有的傳統的教學方法進行教學，已不能滿足當前的教學需求；因此《現代控制理論》課程嘗試引入翻轉課堂、案例教學、教學做一體化等方法，調動了學生學習的主動性和積極性，課堂教學效果得到了改善。

【關鍵詞】現代控制理論 教學方法 翻轉課堂 案例教學

【基金項目】安徽省省級重大教學研究項目（項目編號：2016jyxm0237）；安徽省省級一般教學研究項目（項目編號：2016jyxm0251）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）28-0221-02

任何一種技術的應用都有相應的理論作為發展依據，現代控制理論作為自動控制理論的一個重要分支，是為了滿足越來越具有非線性、時變性等特點的系統控制要求而出現的。[1]根據安徽科技學院機械工程學院《現代控制理論》大綱要求，本課程是機械電子工程專業的專業方向課，此外本專業還設有機器人相關課程，而機器人是典型的多輸入多輸出復雜的機電系統。因此本課程對于機械電子工程專業學生分析機器人等復雜系統的控制奠定了理論基礎。本課程內容主要介紹狀態空間法，在已知數學模型的情況下，研究系統的運動規律、能控性、能觀測性、穩定性等系統的基本結構特性以及改變系統運動規律的可能性與方法。[2]本文在現有的教學模式下，引入翻轉課堂、教學做一體化等教學手段，進行了探索與實踐。

1.教學過程中存在的問題

本課程對于機械電子工程專業學生來說是純理論課程，共36學時，內容抽象，對于復變函數與積分變換、線性代數矩陣運算的知識要求較高，學生學習有一定的難度。此外，由于機械累專業學生的機械控制工程基礎課程學時少、內容簡單、實驗與實踐環節不足，機械類專業的本科生對于“現代控制理論”的學習比較吃力，教學效果較差。[3]大部分學生在學習一段時間后，對課程內容越來越不理解，學習的動力急劇下降，不認真聽課。由于大部分教師依然采用的是講授的方式，久而久之，課堂氣氛不活潑。此外作為專業方向，學生往往不夠重視。本課程具有一定的實踐背景，而授課老師一般從高校畢業后直接來到教學崗位，缺乏實踐經驗，無法把實踐案例帶進課堂，使得整個教學過程枯燥，不生動，同樣無法調動學生的積極性。由于以上各種原因導致本課程的教學效果總體不理想。

2.教學改革措施

我校是地方應用型高校，機械電子工程專業學生更是以應用人才培養為目標，而應用型人才的重中之重就是要培養學生的應用能力。因此，每門課程教師需要將所帶課程的特點、學生的專業基礎、能力等考慮進來，靈活運用各種創新型教學手段采取有效的措施進行教學改革，提高學生學習的主動性積極性。

2.1補充相關數學知識

針對學生因為本課程涉及到的復變函數與積分變換、線性代數的知識基礎薄弱問題，教師在講到具體問題的時候要把用到的數學知識給學生進行復習，幫助學生把拉普拉斯變換、反拉普拉斯變換、定積分、不定積分、矩陣運算等在本門課程中運用起來，讓學生在解決問題用到相關知識時能夠得心應手。

2.2翻轉課堂

傳統教學過程通常包括知識傳授和知識內化兩個階段。[4]傳統的教學方式是教師通過課堂完成知識的傳授，而知識內化則需要學生課后通過作業、練習題等來完成。引入翻轉課堂的模式后，知識傳授和知識內化的順序就發生了顛覆，就要求學生在課前通過網絡信息技術完成對課程相關知識點的學習，在學習的過程中記錄遇到的難點等沒有理解的內容；而在課堂環節中，教師引導學生解決所遇到的問題。或者教師將學生分成3-4一組，將課程一些簡單的章節內容或者一些工程問題布置給小組，由各小組對所布置的課題進行講解，不僅可以加深學生對所將問題的理解，同時還可以提高學生的語言表達能力。此外，在整個過程中，教師跟學生能夠進行較深入的交流，在學生講解的過程中，或發現學生學習的具體問題，或從學生的闡述中獲得更多的靈感，達到教學相長的目的。

2.3案例教學

由于本課程有較強的實踐背景，完全可以將一些實際案例帶進課堂。這就要求教師要多進企業對企業的一些案例進行重構，打包成一個一個小的項目，把這些小的任務分發給每個小組，引導學生將理論知識與實際工程問題結合起來。在解決問題的過程中，通過物理知識、數學知識搭建系統的模型，通過在MATLAB/Simulink等一些專業軟件進行建模仿真。如單級倒立擺系統，提前把任務布置給每個小組，查找資料，推理建模，選擇控制方法、設計控制器等；通過具體案例來分析問題、制定解決方案、進行軟件仿真驗證，可以使學生得到專業系統的訓練，為以后的完成畢業設計也奠定了一個好的基礎。

2.4教學做一體化

由于本課程大綱沒有設置實驗課，MATLAB/Simulink等一些仿真軟件在本課程的教學中使用不多，此外由于本課程共36學時，學時較少，課程組也不建議開設實驗課。目前學院機房都安裝有相應的專業軟件，可以選擇4個學時左右帶學生在機房進行教學做一體化體驗，加強學生對課程知識的靈活運用。通過MATLAB/Simulink演示如何具體解決問題，如由彈簧、質量塊和阻尼器組成的機械系統如圖1，在物體上施加一個外力F，該物體產生的位移為y，設阻尼器的摩擦力與y一階導成正比、彈簧為線性彈簧，m是物體的質量，k為彈簧系數，f為阻尼系數，則可得到該系統的狀態空間表達式如式1所示。

則可以建立該空間表達式。當m、k、f的值確定還可以進一步對系統進行能觀性、能控性判斷。學生可以上機操作，從而不僅鍛煉了學生使用專業軟件的能力，為后續解決機器人系統等復雜的控制問題打下良好的基礎。

3.總結

通過分析機械電工程專業的現代控制理論課程教學過程中存在的一些問題，在教學過程采用翻轉課堂、案例教學、教學做一體化等創新性教學方法，從而大大提高了學生的學習積極性，教學效果得到較好的改善。同時可以鍛煉學生解決工程問題的應用能力，為培養應用型人才打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]董敏，聞凱.《現代控制理論》教學改革探討[J].考試周刊，2016，（1）：17.

[2]王孝武編.《現代控制理論》（第三版）[M].2013年7月

[3]鞏明德，倪濤，王昕， 等.機械類專業“現代控制理論”課程教學改革與實踐[J].通化師范學院學報，2015，（2）：74-77.

[4]張金磊，王穎， 張寶輝.翻轉課堂教學模式研究[J].遠程教育雜志，2012，（4）：46-51.

作者簡介：

黃敏（1985-），女（漢族），安徽鳳陽人，安徽科技學院機械工程學院助教，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。