現(xiàn)代控制理論線上教學(xué)實(shí)踐探索

唐超穎 冒澤慧 丁勇 楊?yuàn)檴?/p>

摘要：“現(xiàn)代控制理論”是很多工科院校的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性強(qiáng)、信息量大，具有一定深度和難度。由于新冠疫情影響，南航自動(dòng)化學(xué)院課程組在2019—2020第二學(xué)期針對該校自動(dòng)化專業(yè)、探測制導(dǎo)與控制技術(shù)和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)共300余名學(xué)生全面開展了線上課程。進(jìn)行了合理的教學(xué)內(nèi)容分配，利用線上平臺(tái)建立完整的教學(xué)體系、開展線上教學(xué)，同時(shí)開發(fā)軟件資源開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最后制定周密計(jì)劃進(jìn)行線上考試。該次線上教學(xué)嘗試取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代控制理論線上教學(xué)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

中圖分類號(hào)： G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（a）-0000-00

Online Teaching Practice of Modern Control Theory

TANG Chaoying? MAO Zehui? DING Yong? YANG Shanshan

（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province ，211106 China）

Abstract： "Modern control theory" is an important professional basic course in many engineering colleges， which is theoretical， informative and difficult to master. Due to the covid-19 pandemic， the course group of the College of Automation Engineering of NUAA launched a comprehensive online course in the second semester of 2019-2020 academic year， aiming at 300 students in the disciplines of Automation， Detection， Guidance and Control Technology， and Electrical Engineering and Automation. An online platform was used to establish a complete teaching system， and online teaching was carried out. Software resources were developed to carry out online experimental teaching， and finally a sound plan was made for online examination. This online teaching attempt has achieved good teaching results.

Key Words：Moderncontrol theory; Online teaching; Online experiment; Instruction method

《現(xiàn)代控制理論》是南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)核心課程，也是自動(dòng)化學(xué)院探測制導(dǎo)與控制技術(shù)、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)和航天學(xué)院探測制導(dǎo)與控制技術(shù)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。它的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、內(nèi)容豐富、涉及知識(shí)面廣、信息量大、比較抽象、更新發(fā)展快，具有一定深度和難度。該課程的主要任務(wù)是通過對現(xiàn)代控制理論基本知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)如“飛行控制系統(tǒng)” “控制系統(tǒng)仿真”等專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。

由于疫情影響，課程組在2019—2020第二學(xué)期針對該 校自動(dòng)化專業(yè)、探測制導(dǎo)與控制技術(shù)和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)共300余名學(xué)生全面開展了線上課程，包括線上簽到、課程視頻錄播和在線直播、習(xí)題課直播、課堂互動(dòng)、線上作業(yè)、隨堂測試、線上答疑、線上實(shí)驗(yàn)及最終的線上考試，取得了很好的效果。該文對該教學(xué)模式進(jìn)行總結(jié)，希望對其他課程有推廣和借鑒價(jià)值[2]。

1提前進(jìn)行合理的教學(xué)內(nèi)容分配

依據(jù)《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)安排，充分考慮本課程的教學(xué)特點(diǎn)，按照控制問題中的建模、分析和設(shè)計(jì)這3個(gè)方面內(nèi)容逐層深入進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的劃分：以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際問題到數(shù)學(xué)模型抽象過程的基本原理和基本方法;系統(tǒng)的可控性、可觀性和穩(wěn)定性的分析，使學(xué)生掌握正確的科學(xué)思維和科學(xué)研究方法，以及系統(tǒng)分析能力;根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器和最優(yōu)控制設(shè)計(jì)，初步具備解決自動(dòng)化領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。在教學(xué)內(nèi)容的講授分配上，發(fā)揮各個(gè)老師教學(xué)優(yōu)勢，從根本上保證了線上教學(xué)內(nèi)容的高質(zhì)量。目前該 課程組已完成包括線性系統(tǒng)理論和最優(yōu)控制理論共42個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)視頻錄制并上傳，為線上教學(xué)活動(dòng)的正常開展奠定了基礎(chǔ)。

2利用線上平臺(tái)建立完整的教學(xué)體系

該課程線下開設(shè)超過40年，線下已形成了非常完整的成熟教學(xué)體系，一直和該專業(yè)已獲批的首屆國家精品課程、首批國家級(jí)精品資源共享課“自動(dòng)控制原理”作為同等重要的一門必修主干專業(yè)基礎(chǔ)課。目前， 課程已采用超星教學(xué)平臺(tái)建設(shè)了《現(xiàn)代控制理論》線上授課平臺(tái)，具體見圖1。按照線下教學(xué)系統(tǒng)，建立了較為完整的線上教學(xué)體系[3]，具體見圖2，包括團(tuán)隊(duì)分工、課程大綱、電子教材、課程講義、教學(xué)視頻、任務(wù)發(fā)布、難點(diǎn)精講、測試練習(xí)、互動(dòng)答疑、課后作業(yè)、線上實(shí)驗(yàn)以及在線考試等。各項(xiàng)工作均由專職老師負(fù)責(zé)管理與維護(hù)，開課前、課程進(jìn)行中以及課程結(jié)束后，課題組都會(huì)定期對體系內(nèi)容相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和完善，充分保證了各項(xiàng)教學(xué)資源的實(shí)用性和新穎性。

3采用騰訊會(huì)議等多種平臺(tái)進(jìn)行線上直播授課

線上課程中，對教學(xué)內(nèi)容采用循序漸進(jìn)的方法，逐層深入。首先， 使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)不同數(shù)學(xué)模型與狀態(tài)空間模型的關(guān)系; 其次，引導(dǎo)學(xué)生對建模系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)行為、可控性、可觀性和穩(wěn)定性的分析。 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)，使學(xué)生具有系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計(jì)的能力。線上教學(xué)體系的內(nèi)容與功能模塊定期不斷更新，充分考慮學(xué)生和教師的問題反饋與建議，定期引入一些控制理論和應(yīng)用的最新研究成果，拓寬學(xué)生的視野，從理論知識(shí)、分析能力、應(yīng)用能力和解決問題的能力方面不斷豐富教學(xué)內(nèi)容[4]。線上主要教學(xué)流程具體見圖2。除了超星教學(xué)平臺(tái)的線上授課平臺(tái)，還輔以騰訊會(huì)議、QQ群屏幕分享開展直播課程，包括復(fù)習(xí)課講解、習(xí)題課練習(xí)，以及課程答疑。直播形式提供了教師與學(xué)生更直接的互動(dòng)，加深了學(xué)生對課程重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的理解[5]，也在一定程度上彌補(bǔ)了無法見面?zhèn)鬟f知識(shí)的問題，從而讓學(xué)生更加感受到老師的關(guān)心。

4利用豐富的軟件資源開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)

現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為狀態(tài)反饋實(shí)驗(yàn)和全狀態(tài)觀測器實(shí)驗(yàn)，共4個(gè)學(xué)時(shí)，該學(xué)期也全部采用了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為了適應(yīng)線上教學(xué)的需求，將MATLAB仿真軟件提供的對控制系統(tǒng)建模、分析與設(shè)計(jì)的強(qiáng)大功能和Multisim軟件提供的電路仿真平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，再加上“視頻演示+線上直播”的形式，開展了有效的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，借助MATLAB/Simulink軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，然后針對模擬電路仿真實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)，運(yùn)用Multisim電路仿真軟件搭建電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證，同時(shí)要求學(xué)生根據(jù)線下教學(xué)中的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)電路，以便于在線下實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。通過上述實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)。為了解決學(xué)生無法進(jìn)實(shí)驗(yàn)室看到控制實(shí)物的遺憾，提供了可視化的控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)軟件，具體見圖3。加入控制對象的演示仿真使線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得更為生動(dòng)有趣，讓學(xué)生感受到控制的過程和應(yīng)用，也加深學(xué)生對控制理論的理解，提升學(xué)習(xí)的興趣。

在線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，錄制了Multisim軟件使用的教學(xué)視頻，具體見圖4，圖5，可供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。 同時(shí)，嚴(yán)格遵循課前預(yù)習(xí)、線上直播、直播現(xiàn)場提交實(shí)驗(yàn)曲線、課后按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的順序來完成線上實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)。為了便于和學(xué)生交流，建立了學(xué)習(xí)QQ群，及時(shí)上傳各種學(xué)習(xí)資料給學(xué)生預(yù)習(xí)，布置作業(yè)和課上提交實(shí)驗(yàn)截圖。不僅在直播期間，課前課后也能用QQ和學(xué)生聯(lián)系，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，幫助答疑解惑，為線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了很大幫助[6]。

5制訂 周密的線上考試方案并順利實(shí)施

為保證不影響下學(xué)期大三學(xué)生的保研等教學(xué)活動(dòng)，課程組完成了自動(dòng)控制系的首次線上課程考試。課程組制定了周密的線上考試方案，采用一臺(tái)電腦用于前方監(jiān)控和發(fā)放考試題目、一部手機(jī)用于側(cè)后方監(jiān)控和拍照上傳答題圖片。課程組老師組織了研究生監(jiān)考人員，提前發(fā)布了考生考前注意事項(xiàng)和監(jiān)考人員注意事項(xiàng)，組織了研究生考前培訓(xùn)和考前線上測試，并順利完成了該課程的考試。考試方案和考試過程具體見圖6。

6結(jié) 語

2020年初的新冠疫情對高校很多課程的教學(xué)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。南航自動(dòng)化學(xué)院“現(xiàn)代控制理論”課程組根據(jù)課程特點(diǎn)和學(xué)生情況，開展了系統(tǒng)的線上教學(xué)。課程組首先進(jìn)行了合理的教學(xué)內(nèi)容分配，建立了完整的教學(xué)體系，開展了線上教學(xué)。同時(shí)開發(fā)軟件資源開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最后制訂周密計(jì)劃進(jìn)行線上考試。教學(xué)驗(yàn)證表明，該次線上教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生反映，學(xué)習(xí)成效不亞于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，其中資源回放、線上互動(dòng)等功能更是提供了傳統(tǒng)課堂教學(xué)沒有的便利。今后的教學(xué)發(fā)展方向?qū)⑹抢^續(xù)挖掘線上教學(xué)的優(yōu)勢，并于線下課堂相結(jié)合，進(jìn)一步提升“現(xiàn)代控制理論”課程的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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