信息化背景下線性系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

楊秀霞 張毅

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?線性系統(tǒng)課程作為控制科學(xué)與工程等專業(yè)碩士研究生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論的教學(xué)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，存在理論性偏強(qiáng)、信息化手段應(yīng)用不夠、學(xué)員感覺比較抽象、主動(dòng)參與意識(shí)不足、研究生教學(xué)特色不明顯等問題。因此，從實(shí)踐出發(fā)，結(jié)合工程應(yīng)用，加入信息化內(nèi)容，對(duì)專業(yè)背景課進(jìn)行改革是必須解決的一個(gè)問題。重點(diǎn)從課程的信息化教學(xué)方法改革及應(yīng)用方面給出線性系統(tǒng)課程改革實(shí)施方案。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?線性系統(tǒng);信息化;工程案例;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)] ?2096-0603（2022）03-0115-03

線性系統(tǒng)課程作為控制科學(xué)領(lǐng)域碩士研究生一門核心的專業(yè)背景學(xué)位課，該課程在我校已開設(shè)三十多年，目前在控制科學(xué)與工程及電子信息（控制工程方向）等專業(yè)和方向共同開設(shè)，同時(shí)也是航空宇航科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的選修課，是學(xué)員學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)課程[1]。該課程特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)且部分原理較為抽象，專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)，學(xué)員普遍感到枯燥、難學(xué)，且不會(huì)應(yīng)用。因此，突出應(yīng)用特色，對(duì)研究生學(xué)科基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行信息化改革是非常必要的[2]，本文通過研究給出具體的教學(xué)改革思路及措施。

一、建設(shè)網(wǎng)絡(luò)及信息化資源庫，為學(xué)員自主探究創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境

開發(fā)建設(shè)內(nèi)容豐富的信息化教學(xué)資源庫，為學(xué)員學(xué)習(xí)提供方便的條件。通過自建或精選特色資源，如MOOC、微課、虛擬實(shí)驗(yàn)室、圖片和視頻、相關(guān)課程群資源等，便于學(xué)員預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。結(jié)合學(xué)員專業(yè)建設(shè)應(yīng)用案例庫，并設(shè)計(jì)出讓學(xué)員能夠針對(duì)性進(jìn)行深入探究的題目，便于開展研究性教學(xué)，提高學(xué)員的自主能動(dòng)性。建立在線教學(xué)系統(tǒng)，便于師生互動(dòng)，并且可以及時(shí)補(bǔ)充前沿知識(shí)動(dòng)態(tài)及最新工程應(yīng)用技術(shù)，同時(shí)學(xué)員檢索的論文及分析匯報(bào)稿、專題設(shè)計(jì)報(bào)告等，也可充實(shí)教學(xué)資源，便于合作式探究學(xué)習(xí)[3]。

二、線上線下混合式教學(xué)模式探究

依托智慧樹平臺(tái)，建立網(wǎng)絡(luò)教室。基于網(wǎng)上教室環(huán)境，將授課過程設(shè)計(jì)為依托網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的“課前線上任務(wù)發(fā)布及學(xué)員自主學(xué)習(xí)”“課上現(xiàn)場(chǎng)提問檢測(cè)及答疑解惑”和“課后總結(jié)凝練自主探究”三個(gè)階段。下面以狀態(tài)反饋知識(shí)點(diǎn)為例，給出具體的混合式探究教學(xué)模式實(shí)施方法。

（一）課前線上任務(wù)發(fā)布及學(xué)員自主學(xué)習(xí)

通過網(wǎng)絡(luò)教室發(fā)布學(xué)員的自主學(xué)習(xí)任務(wù)，本次課的課前任務(wù)主要包括：登錄智慧樹平臺(tái)，對(duì)照平臺(tái)中給出的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)常用的幾種反饋結(jié)構(gòu)、狀態(tài)反饋的基本概念、狀態(tài)反饋對(duì)系統(tǒng)性能的影響;針對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行極點(diǎn)配置的基本原理;極點(diǎn)配置的方法和步驟。

在學(xué)員自主學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)員通過網(wǎng)絡(luò)教室在任務(wù)發(fā)布區(qū)提出自己的疑問，給出學(xué)習(xí)體會(huì)，也可以在討論答疑區(qū)討論相關(guān)問題，教員在微信群中給出問卷調(diào)查，查找教學(xué)中存在的問題及學(xué)員的相關(guān)疑問。下面是提問頻率比較高的幾個(gè)問題。

1.經(jīng)典控制理論中采用輸出反饋，在此主要采用狀態(tài)反饋，和輸出反饋相比，狀態(tài)反饋在應(yīng)用上有什么區(qū)別，優(yōu)點(diǎn)是什么？

2.極點(diǎn)配置時(shí)的極點(diǎn)如何選取？

3.常用反饋結(jié)構(gòu)類型及對(duì)系統(tǒng)影響只記得結(jié)論，不懂其含義是什么。

4.在運(yùn)算中還存在短板，希望教員能多布置作業(yè)題，多加練習(xí)。

教員根據(jù)學(xué)員的反饋，可以了解其學(xué)習(xí)掌握程度，由此給出課堂需釋疑及需解決的問題，以便課堂進(jìn)行答疑解惑，并針對(duì)相關(guān)重難點(diǎn)進(jìn)行梳理、歸納總結(jié)及升華。

（二）課上答疑解惑

通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)測(cè)試、復(fù)習(xí)回顧等方式，梳理什么是輸出反饋、什么是狀態(tài)反饋、二者之間的區(qū)別、狀態(tài)反饋的優(yōu)點(diǎn)等問題，使學(xué)員深入理解其內(nèi)涵。隨課堂進(jìn)行，隨時(shí)為學(xué)員答疑解惑。

1.采用導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，具體分析輸出反饋和狀態(tài)反饋之間的區(qū)別和聯(lián)系。結(jié)合Matlab仿真得出結(jié)論，至輸入的輸出反饋不能任意配置極點(diǎn)，狀態(tài)反饋可以任意配置極點(diǎn)。

2.設(shè)置主導(dǎo)極點(diǎn)時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)的性能，根據(jù)主導(dǎo)極點(diǎn)的選擇原則配置系統(tǒng)極點(diǎn)的位置。

3.常用反饋結(jié)構(gòu)類型及對(duì)系統(tǒng)影響，結(jié)合可任意配置極點(diǎn)的證明過程，對(duì)加入反饋后對(duì)系統(tǒng)的可控可觀性影響進(jìn)行說明。

4.通過課堂對(duì)典型例題的計(jì)算，指出關(guān)鍵運(yùn)算步驟，通過布置課后作業(yè)及實(shí)踐任務(wù)，讓學(xué)員加強(qiáng)練習(xí)。

課堂給出狀態(tài)反饋的Matlab仿真方法，要求學(xué)員結(jié)合具體實(shí)例，課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（三）課后研究思考

課后，給學(xué)員布置案例研究任務(wù)，通過對(duì)工程實(shí)例的應(yīng)用及深入探究，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入消化理解。

如在Matlab仿真環(huán)境中，讓學(xué)員自主完成控制系統(tǒng)的模型建立、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、極點(diǎn)配置等問題，并進(jìn)行數(shù)值仿真及分析，理解極點(diǎn)配置的意義，觀察反饋前后的控制效果;設(shè)置不同的極點(diǎn)位置，觀察系統(tǒng)的輸出;并給出輸出反饋的控制結(jié)果，將其與狀態(tài)反饋的結(jié)果進(jìn)行比較。

將設(shè)計(jì)過程總結(jié)凝練形成報(bào)告。研究生匯報(bào)專題設(shè)計(jì)成果，可提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實(shí)踐應(yīng)用能力，將課堂教學(xué)設(shè)計(jì)為一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題。

采用線上線下混合式教學(xué)模式，可充分發(fā)揮學(xué)員的積極主動(dòng)性，有利于培養(yǎng)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)員的個(gè)性化培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)和教的共同體。同時(shí)把科學(xué)研究的思想運(yùn)用到教學(xué)中，學(xué)員能動(dòng)地通過查閱資料、歸納整理等方式，可化被動(dòng)為主動(dòng)，自覺消化理解相關(guān)知識(shí)并進(jìn)行應(yīng)用，通過對(duì)實(shí)踐任務(wù)的研究，通過教員有目的、有計(jì)劃的引導(dǎo)，掌握解決實(shí)際工程中控制問題的方法。激發(fā)了學(xué)員躍躍欲試的創(chuàng)造欲望，有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)為主體。

三、開放式前沿性教學(xué)內(nèi)容體系的建立

運(yùn)用多種方法加強(qiáng)師生互動(dòng)，共同動(dòng)態(tài)更新教學(xué)資源，以拓寬學(xué)員的專業(yè)學(xué)術(shù)視野，厘清相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和脈絡(luò)。例如在學(xué)習(xí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，引入目前控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)——預(yù)設(shè)性能控制，可對(duì)系統(tǒng)的性能做精確的控制，同時(shí)給出此理論在無人機(jī)、導(dǎo)彈等編隊(duì)控制系統(tǒng)中的最新應(yīng)用。學(xué)員檢索的最新的、與課程結(jié)合緊密的文獻(xiàn)及文獻(xiàn)綜述和閱讀體會(huì)、學(xué)員專題設(shè)計(jì)的論文及報(bào)告等也可上傳，便于學(xué)員的自主式、探究式學(xué)習(xí)。

授課過程針對(duì)重難點(diǎn)問題采用“論文式”教學(xué)模式，讓學(xué)員能夠?qū)W以致用，并能獲取相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界的最新動(dòng)態(tài)。教員需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容給出的論文檢索主題，分組讓學(xué)員進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，同時(shí)需幫助學(xué)員對(duì)論文進(jìn)行篩選，保證相關(guān)性、前沿性和較強(qiáng)的創(chuàng)新性。采用的論文可以采用課前布置的方式，讓學(xué)員檢索、初步消化，并帶入課堂進(jìn)行分析講解;也可以采用課后的方式，使學(xué)員掌握當(dāng)堂課中最重要知識(shí)的創(chuàng)新思維方法。學(xué)員通過文獻(xiàn)閱讀與分析，找出教學(xué)主題范圍內(nèi)有哪些問題目前還沒有解決或者解決得還不夠好、值得做進(jìn)一步的深入研究。這些問題都有哪些可能的解決途徑。通過師生共同討論，最終明確幾個(gè)最值得做進(jìn)一步深入研究的問題以及解決相關(guān)問題最可能的途徑，通過對(duì)論文進(jìn)行仿真實(shí)踐，讓學(xué)員深入剖析其中的知識(shí)應(yīng)用及邏輯思維，并提出對(duì)問題的不同解決方法和思路。

開發(fā)建設(shè)及引入內(nèi)容豐富的立體化教學(xué)資源庫，如慕課、微課、虛擬實(shí)驗(yàn)室、智慧樹網(wǎng)絡(luò)教室、圖片視頻、多媒體課件、相關(guān)課程群資源等，便于學(xué)員預(yù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)探究。學(xué)員檢索的論文及研討匯報(bào)稿、專題設(shè)計(jì)報(bào)告等，也可用于充實(shí)教學(xué)資源，便于合作式探究。課程教學(xué)過程中的慕課資源主要引入學(xué)堂在線的清華大學(xué)及北京理工大學(xué)的線性系統(tǒng)理論課程，自主開發(fā)了各關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的微課，便于學(xué)員自學(xué)和掌握重點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建了資源共享、管理開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建設(shè)了智慧樹網(wǎng)絡(luò)教室網(wǎng)絡(luò)，上傳了課程資料、中英文論文參考文獻(xiàn)、動(dòng)畫、微課、課前及課后任務(wù)、習(xí)題及測(cè)試題等，可有效提高學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力，拓寬教學(xué)的深度和廣度。

四、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革創(chuàng)新

以全軍重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)及軍隊(duì)“2110”建設(shè)為依托，建成“控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室”“導(dǎo)彈制導(dǎo)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”“飛行器復(fù)合控制實(shí)驗(yàn)室”“飛行器過載控制半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室”等一批高水平實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)建了以課程實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，課程設(shè)計(jì)、綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的立體化層級(jí)遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為學(xué)員實(shí)踐能力的提升提供了豐富的平臺(tái)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)搭建：虛擬實(shí)驗(yàn)室涵蓋了時(shí)域及復(fù)頻率域分析內(nèi)容，具有綜合開放平臺(tái)，該平臺(tái)包含控制與仿真的綜合性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并可以將學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中制作的虛擬實(shí)驗(yàn)添加進(jìn)來。學(xué)生可以進(jìn)行網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、與教師互動(dòng)交流等全過程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該虛擬實(shí)驗(yàn)室已應(yīng)用到課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，滿足了教學(xué)需要，使用效果良好。

綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建：構(gòu)建了“三自由度直升機(jī)系統(tǒng)控制”“倒立擺控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”“導(dǎo)彈制導(dǎo)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”等綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠完成與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的典型控制實(shí)驗(yàn)，并可以針對(duì)探究的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，真正做到學(xué)以致用。

科研創(chuàng)新平臺(tái)建立：研制了具有飛行器控制背景的“平衡梁系統(tǒng)”“十字梁系統(tǒng)”，研發(fā)了“超音速飛行器過載控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)”“無人車智能協(xié)同控制系統(tǒng)”“無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)”，可滿足學(xué)生進(jìn)行較為復(fù)雜的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生的畢業(yè)論文撰寫。依托“飛行器過載控制與變軌技術(shù)、高超聲速飛行器復(fù)合控制、無人智能控制系統(tǒng)”三大科研領(lǐng)域，形成相對(duì)穩(wěn)定的研究方向，引導(dǎo)和組織學(xué)員參與科研，讓學(xué)員能力培養(yǎng)瞄準(zhǔn)國內(nèi)外、軍內(nèi)外前沿，提高科研能力和創(chuàng)新能力。

五、以競(jìng)賽為牽引進(jìn)行教學(xué)改革

近幾年，組織學(xué)員參加了與線性系統(tǒng)課程相關(guān)的一些競(jìng)賽，如全國計(jì)算機(jī)仿真大賽、國際空中機(jī)器人大賽等，并取得了較好的成績(jī)。經(jīng)過這幾年的探索與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)競(jìng)賽作為培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才的一種重要手段，能更好地激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新和鉆研熱情，在培養(yǎng)學(xué)員動(dòng)手能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力、撰寫論文的能力、查閱資料的能力、分析問題解決問題的能力以及培養(yǎng)學(xué)員的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等方面都起到了積極有效的作用。

六、師資隊(duì)伍建設(shè)改革創(chuàng)新

（一）堅(jiān)持制度，狠抓課堂教學(xué)質(zhì)量

通過嚴(yán)格堅(jiān)持議教制度、集體備課制度、聽查課制度、高職主講制度、在職培訓(xùn)制度、服務(wù)部隊(duì)制度等，提高教師的課堂教學(xué)水平，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。通過在職在線培訓(xùn)和教學(xué)競(jìng)賽，不斷提升教員隊(duì)伍的業(yè)務(wù)能力;通過服務(wù)部隊(duì)，使教員深入了解裝備控制需求，不斷加深對(duì)控制理論及實(shí)際應(yīng)用的理解，提高自身的理論水平和教學(xué)實(shí)踐能力。

（二）教研結(jié)合，教學(xué)、科研科學(xué)發(fā)展

在教學(xué)與科研工作的關(guān)系上，注重科研與教學(xué)相結(jié)合，科研促進(jìn)教學(xué)科學(xué)發(fā)展，教學(xué)與科研兩不誤、兩促進(jìn)。注重后備人才的培養(yǎng)，給年輕人加擔(dān)子、壓任務(wù)，使他們?cè)诠ぷ骱蛯W(xué)習(xí)中不斷成長(zhǎng)，盡快成為業(yè)務(wù)骨干;課程組成員100%參與了科研項(xiàng)目，高職教師均主持了有關(guān)科研項(xiàng)目，科研包含國家自然科學(xué)基金、軍內(nèi)科研、教學(xué)科研、橫向科研項(xiàng)目等。通過相關(guān)科研工作，提高了課程組成員的科研能力，提高了理論研究水平，積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而提高了教學(xué)水平，并及時(shí)將科研領(lǐng)域的成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)設(shè)施條件，促進(jìn)了教學(xué)工作的發(fā)展。

（三）注重梯隊(duì)，加強(qiáng)后備教師的培養(yǎng)

師資隊(duì)伍是課程建設(shè)的根本，我們注重青年教師的引進(jìn)與培養(yǎng)，并為他們制訂了詳細(xì)的培養(yǎng)計(jì)劃，使青年教師盡快地成長(zhǎng)為教學(xué)、科研、學(xué)術(shù)骨干。三年內(nèi)選拔2名學(xué)術(shù)水平高、科研能力強(qiáng)、課堂教學(xué)基礎(chǔ)好的博士畢業(yè)研究生閆實(shí)、吳修振到教研室任教并加強(qiáng)培養(yǎng)，1名已晉升為副教授。另外，由于部隊(duì)編制體制調(diào)整，原來教學(xué)團(tuán)隊(duì)中的沈如松、耿寶亮已調(diào)整到其他工作崗位，為了補(bǔ)充教學(xué)力量，新加入教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的張毅教授。目前，教學(xué)團(tuán)隊(duì)已形成一支老、中、青“傳幫帶”的教學(xué)隊(duì)伍，定期交流，將老教師的師德、教風(fēng)和敬業(yè)精神傳授給中青年教師，以言傳身教培養(yǎng)中青年教師的愛崗敬業(yè)和為人師表。

七、教學(xué)改革成效

自開展信息化教學(xué)改革后，研究生線性系統(tǒng)課程建設(shè)水平上了一個(gè)新的臺(tái)階。學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率提高，課堂氣氛活躍，后續(xù)教員反饋學(xué)員的專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)應(yīng)用能力強(qiáng)。學(xué)員綜合能力得到明顯提高，取得了令人欣喜的成績(jī)，多名學(xué)員在各類競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，畢業(yè)分配學(xué)員能很快融入工作崗位，學(xué)員培養(yǎng)效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建，段紀(jì)淼，谷科城，等.互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代下研究生教學(xué)模式改革研究[J].科教論壇，2021（1）：43-44.

[2]程鍇，李暉宙.信息化背景下《微積分》課程混合式教學(xué)實(shí)踐與反思[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2021（4）：155-156.

[3]王藝穎.基于信息技術(shù)的教育教學(xué)改革概述[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，33（1）：82-85.

[4]鄭一力，趙燕東.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（21）：48-50.

[5]王晶，譚程元，周靖林，等.《線性系統(tǒng)理論》課程改革思考與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2020（4）：214-216.

◎編輯 司 楠