專題研究式教學方法在“線性系統理論”課程中的應用

張秀宇，祝國強*，李志偉

（東北電力大學自動化工程學院 吉林 吉林 132012）

在控制領域，“線性系統理論”是學科的主要分支，并且得到了很好的發展。“線性系統理論”課程的重要性主要體現在其基礎性，在其他控制理論學科分支中占據著重要地位，是學習與探究其他相關學科不可或缺的基礎知識。

“線性系統理論”課程是控制類相關碩士研究生的學位基礎課程，在東北電力大學（以下簡稱“我校”）已開展多年。然而，從學生的學習情況來看，效果不是十分理想，學時結束后，學生對于一些問題仍然一知半解，沒有抓住本質。研究生沒有對概念理解透徹的主要原因是課程內容多、基本概念抽象難懂，理論和算法居多。因此，提高課程的教學質量對研究生培養至關重要。從課程的長期發展和學科的長遠建設考慮，以及為滿足新時代國家在素質教育人才培養方面的新要求，高校必須切實改革現有的教學形式，探索新的教學方式，將研究生創新能力和綜合能力的培養放在重要位置。本課程結合我校電力特色背景，把專題研究式教學方式應用于“線性系統理論”課程，深入探索和實踐案例實驗教學、教學手段及模式信息化，學生的學習方式在一定程度上有了轉變，科學研究能力在課堂教學中得到了培養，創造性思維能力和分析解決實際問題的能力得到了提高，以期為其他分支課程，如“智能控制”“魯棒控制”等課程的學習打下了堅實的基礎。

1 專題研究式教學方法在“線性系統理論”課程中的應用與實踐

研究生教學工作不同于本科的教學模式，必須采取與之相符的教學形式，教學質量才能提高，研究生學習的主觀能動性才能提高。“線性系統理論”課程作為一門實踐應用性很強的學科，在基礎理論課程和實際工程運用中起著橋梁的作用，且能培養研究生的創新思維和科研能力。“線性系統理論”課程已經具有完整的體系結構，內容具體，理論算法通俗易懂，采取特殊的專題研究式教學模式是適宜的。

“線性系統理論”課程選取專題研究式教學方法，教學效果顯著提高。此教學模式是指教師把課本的內容劃分為多個獨立的專題案例，并對每個課題采取專題研究討論的教學方法，重新整合教材原有的內容和結構，將課本中的內容與前沿科學的內容相結合，二者相互促進，讓學生在探索中掌握科學研究的方法，通過科研來創造和發現新的知識。該方法將研究生科研創新能力拓展到課程學習中，使研究生更好地領會科學研究的過程及方法，在此過程中，研究生的課題研究能力和基本素養得到了培養，為下一步課題研究奠定了知識及能力基礎。

1.1 理論與實踐相結合

控制系統和控制科學把線性系統作為基本的研究對象，在“線性系統理論”的教學過程中，教師把線性系統建模、系統穩定性分析、可控性可觀性以及系統綜合設計作為出發點，將理論和實踐有機結合、相互促進理念融入實際教學過程中。

隨著課程的開展，教師對課本內容進行重新規劃和設計，通過講座的形式解釋基本原理、概念與控制思想，且在MATLAB/SIMULINK實驗環境下，對實際案例進行控制器設計和穩定性能分析的仿真實驗，把自己的科研思路及方法融入教學中，對研究生的科研思維方式起到啟發作用，研究生的科研創新能力得到了培養，并為后續課題研究順利進行奠定基礎。教師從實際案例著手，讓研究生充分認識理論結合實際的重要性，深入理解理論知識，與此同時增強學生解決電力生產等實際問題的能力。

因此，在專題研究式教學的過程中，堅持組織以培養能力為核心的教學活動，在每章內容中介紹一些與線性系統密切相關的最新研究成果。如在講授觀測器理論章節時，介紹了若干觀測器研究的最新進展；在講授穩定性理論時，通過Lyapunov方法在控制律設計中的應用實例，深化了學生對穩定性重要性的認識。引導研究生盡早進入研究工作，使其對研究產生濃厚的興趣是高水平研究生培養的關鍵。

(2)農村環境治理。目前我國農村環境污染情況日益嚴峻，隨著各部門對點源污染的整頓治理，農業面源污染越來越嚴重，其中農業面源污染是指在農業生產過程中農用化肥、農藥等其他污染物，通過農田地下滲透，進入水資源而形成的面源污染。另一方面，工業及城市污染向農村轉移，農村舊污染與新污染相互疊加，這些極大地損害了農業綠色生產過程中所需的土壤條件、氣候條件、水資源條件等。面對農村環境污染問題，各地區加強宣傳農村環境保護工作，完善農村環境保護政策，加快推進農村環境治理相關措施。因此，本文使用各地區環境污染治理投資總額(億元)與各地區地方財政支出(億元)比重表示農村環境治理，用x2表示。

2.倡導課程考核評價過程化。分析學生的一般行為習慣，建立相應的學習行為評價模式。加強學習過程考核，將日常考勤、課堂表現、歸納總結及實踐操作等列入考核范圍，據此對學生的整體素質進行全面考核，并且重視考核結果的分析、處理和意見反饋，及時進行歸納總結和調整。了解和關注學生掌握知識的手段和過程、學生融入課堂教學的廣度和深度，以及學生在實踐的過程中分析問題和解決問題的能力。通過考核評價來引導學生展示自己的才能，逐步改善學習狀態，消除厭學情緒，提高課堂教學的實際效果。

1.2 講課和小組討論并施

播前15-20天，選擇一級脫毒種薯，置于15-20℃散射光下催芽曬種，每隔7-8天翻動一次，以保證出芽的均勻性。等大部分薯芽萌動后，切塊或整薯播種，單塊重30-40 g，每塊保證1-2個萌動芽，并用草木灰拌種。切塊時要剔除病爛薯，每切10-15刀換一次刀，用0.5%高錳酸鉀溶液浸泡切刀1-2 min消毒[1]。

以專題研究式教學方法開展“線性系統理論”課程，能以新的教學形式提高研究生學習的主觀能動性，進一步提高研究生的創新思維和解決問題的能力。

1.4.1 經典線性系統理論和現代控制理論融合

教師針對每一個課題，采取“講解——研討——實驗”相結合的方式進行教學，課堂講解環節以“問題的背景、問題的本質、思想的解決、解決問題的方法、歸納結論”五個步驟為主要內容。教師首先提出問題并介紹其背景，對問題本質的提煉進行科學的引導，啟發研究生尋找解決問題的思路和辦法，并為解決實際問題提供相應的途徑和方法，最后和學生一同參與歸納總結。

1.3 教學與研究并施

在以往的教學模式中，向研究生講授課本中的概念、定理并給予證明是教師的主要任務，對事實概念和原理記憶、理解并進行簡單應用是研究生的主要任務。此教學模式致使研究生對于本專業相關理論的發展以及工程實際運用情況不是很了解，“線性系統理論”的教學易陷入抽象、枯燥的境地，學生學習的主觀能動性很難調動起來，難以達到培養研究型、創新型高素質人才的目的。

對于教學中重理論輕實踐的問題，教師要結合學校電力背景特色，將研究熱點作為背景，理論和實踐相互結合，并融合微納米操作機器人、超高精加工及能源電力系統中發電機組的精準控制，提高研究生的學習興趣，使研究生對工程實際系統方面的數學建模、可控性分析以及工程穩定性分析方面有更加深入的理解，降低課程學習難度，提高研究生解決實際問題的成就感。

1.4 內容與方法相結合

將“線性系統理論”的教學內容分為多個獨立的專題案例，并采用研究性的方法對每一個專題進行教學。對課本原有的內容和結果重新整合，并將教材中的內容和教材外的前沿科學工程實際問題有機結合起來。

在課程進行時，教師采用“重點內容講授——提出問題——閱讀前沿文獻——學生小組討論——教師總結評價”模式。首先，教師要提煉出課堂講解的重點內容，挑選突出的文獻，圍繞課題涉及的相關原理和學習思路，根據授課內容提出問題，并發放課前準備的相關科研動態文獻。其次，研究生自學課本和閱讀學術文獻，做好小組討論的準備。在小組討論中，教師指導學生從文獻的最新成果、創新角度進行探索，積極引導研究生發表自己的見解，并且適宜地評價和補充正在討論的問題。最后，教師進行課堂總結，對之前課程提出的問題進行綜合分析，對討論過程作評價，此種方式能夠加深學生對于抽象概念的理解。

在研究生理解線性系統理論的過程中，每一個專題內容的擇取、組織以及教學都應該讓研究生從經典線性系統理論內容向現代內容過渡，這個過程不能一蹴而就。教師介紹現代控制理論內容時，需要將研究生的認知特點作為基礎，從而將經典線性系統理論內容的歸納和分析作為出發點進行講授。

他拿出一個信封，遞到李萍手里，“我家那口子，沒挺過三年就去了。大家當時湊給我的錢，我都一一還了，這是你的那五百。”

1.4.2 課本和科研論文結合

專題研究教學采用科研論文與課本相互融合的方式擇取教學內容，把課本內容作為基礎，輔以相關科研學術論文。研究生掌握線性系統理論的基本知識，含有控制方法的基本概念、理論思想，系統的控制器組成以及設計原理和穩定性能分析，閱讀相關文獻能掌握控制方法的工程運用背景、系統控制器的設計步驟、穩定性能的仿真實驗結果，領悟有關理論的發展及前沿應用，將前人的科學研究思路和解決實際工程問題的措施領會于心，提高自己的文獻閱讀能力和科研學術能力。在課堂教學中，教師會選擇與專題內容相關的文獻，并提前上傳至線上學習云端共享，給學生留出充足的自主學習時間。

1.4.3 靈活選擇教學形式

當年暑假過后，湯甲真回到湖大，組織關系也秘密轉到學校，由地下黨支部書記周季平與他單線聯系，開始從事地下活動。

以往的教學形式多數是教師在課堂上講課，學生單向被動地接受知識，師生之間、生生之間在學習過程中沒有互動，致使學生、師生之間學習、探索課程的積極性大大降低。

1.4.4 運用信息化教學手段

基于“互聯網+”技術，大規模開放式在線課程（MOOC）的應用，使學生在課堂學習的同時可自行學習優秀MOOC資源，隨時隨地進行學習交流，鞏固課程所學內容。

“雨課堂”教學模式實現了上課前后教學全過程的動態學習數據的收集及分析，使教師能及時掌握學生的學習情況，精準教學，讓教和學的能量最大限度地得到激發，促進教學手段多樣化，形成全方位評價，多通道互動。

多爐多機并列運行,當任一汽機遮斷時,本機排汽對熱網供汽切斷,且主汽母管憋壓導致壓力迅速飛升,甚至引起PCV動作,工質快速泄放,使母管上各鍋爐汽包水位大幅波動,易造成超限保護動作。一臺或多臺鍋爐MFT,致使事故進一步擴大,對外供汽受到大幅影響,給熱用戶帶來巨大的安全風險。因此,任一汽機跳閘時的快速控制十分重要。

教師要開發課程學習網站，上傳“線性系統理論”系列主要課程教授內容及相關教學信息，在網站中開發“線性系統理論習題練習模塊”，解決研究生和教師溝通途徑匱乏的難題，方便與研究生的交流。教師要將研究生接受教育后所取得的學習成果作為切入點，調動研究生學習的主觀能動性。

“電力系統繼電保護”是由多門學科交叉的一門專業課，具體涉及電路原理、高等數學、電力電子、電機學等知識。課程的教學目的在于使學生掌握繼電保護原理以及分析方法，能夠熟練應用多種繼電保護裝置，從而解決在實際工程中的繼電保護問題。

2 結語

采取專題研究式教學模式能夠調動研究生學習的主觀能動性，領會“線性系統理論”課本中的基本概念、理論算法及方法，以及該課程的最新研究成果和研究方向。實踐結果表明，專題研究式教學模式使得研究生解決實際問題的能力得到了提高，綜合素質得到了培養，視野得到了開闊，科學研究思維得到了拓展，進行科學研究和撰寫相關學術論文的能力得到了培養。在教學中，訓練了研究生獲取知識的能力，且進一步提高了整體的教學質量。