現代控制理論榮譽課程教學設計

黃蘇丹，曹廣忠，邱 洪，吳 超

（1.深圳大學 廣東省電磁控制與智能機器人重點實驗室，廣東 深圳 518060；2.深圳大學 機電與控制工程學院，廣東 深圳 518060）

榮譽教育19 世紀初起源于英國，20 世紀20 年代在美國興起并得到大力推廣和成熟發展。近年來，我國山東大學、深圳大學和對外經貿大學等少數高校試行了榮譽學士學位制度。為進一步推動本科教學改革，使學生更大限度地利用學校各類學術資源，開展卓有成效的學習，引導學生挑戰自我，在知識、能力和綜合素質方面得到全面提升，2019 年9 月深圳大學印發了《深圳大學榮譽學士學位管理辦法（試行）》（深大校發〔2019〕244 號），并于2021 年上半年對21 個學院相關專業本科生授予了榮譽學士學位，并計劃進一步推廣。高質量榮譽課程是榮譽教育的基礎，如何建設符合要求的高水平、高質量榮譽課程是榮譽教育亟需解決的首要任務。深圳大學機電與控制工程學院遵循高等教育發展規律，堅持“以學生為中心”的教育理念，以培養學生寬厚的基礎知識、高度的創新思維能力、深厚的學術研究素養和廣泛的實踐應用技能為目標，以學生個性化和多樣化的學術興趣和發展需要為導向，以高難度、高挑戰性為要求，以小班化教學為基礎，以名師優教為手段，開展了包含10 門核心課程的自動化專業榮譽課程體系，學生獲取本專業榮譽課程學分不低于24 學分且成績均為B+以上才可申請自動化專業榮譽學位。

現代控制理論是深圳大學機電與控制工程學院自動化專業開設的一門榮譽課程，在常規現代控制理論課程的基礎上進行教學設計探索。現代控制理論是自動化專業的核心基礎課程，具有理論性強、概念抽象、邏輯性強、矩陣公式繁多和與實際系統結合度低等特點，進而容易使學生對課程產生畏懼心理、難以產生學習興趣，從而導致學生對課程的積極參與度低且難以深入掌握課程知識。針對上述問題并基于榮譽課程特點，以論文研讀形式開展“實際問題驅動+自主設計+互動研討”的教學方法。

一、教學目標

課程目標1：能夠記憶控制理論性質、發展與應用，使用系統狀態空間模型的建立及求解方法，識別自動化控制系統的輸入、輸出和狀態，應用狀態空間方法解決輸入、輸出和狀態的內部描述問題。

課程目標2：能夠使用基于狀態空間模型的系統能控性、能觀性、穩定性與系統綜合方法，列舉自動化控制系統的數學模型和實際控制問題，檢驗系統能控性、能觀性和穩定性，實施控制系統綜合，識別系統輸入、輸出和狀態，檢驗系統性能。

課程目標3：能夠針對復雜自動化控制系統工程問題選擇現代控制系統研究路線、設計現代控制系統方案，能夠選擇和采用現代控制理論和方法，進行現代控制系統的數據收集、分析與解釋。

二、教學設計

《深圳大學榮譽學士學位管理辦法（試行）》（深大校發〔2019〕244 號）第二條規定“榮譽課程由基礎部分和提升部分組成，兩個部分作為兩門課程分別單獨考核，記入學生成績單，成績單中對提升部分進行榮譽標注。榮譽課程體系原則上由不低于36 學分的榮譽課程組成，榮譽課程教學內容的廣度和深度須高于普通課程，注重知識的跨學科性、前沿性。榮譽課程提升部分主講教師原則上應具有高級職稱。”第三條規定“榮譽課程在主修專業中設置，雙學位不設置榮譽課程。”第六條規定“榮譽課程學分為基礎部分和提升部分之和，基礎和提升有任何部分的成績低于B+，則兩部分的學分均不得計入榮譽課程學分。榮譽課程不接收學生重修。”基于上述管理辦法，對現代控制理論榮譽課程進行教學設計。

（一）榮譽課程學分

現代控制理論榮譽課程學分是基礎課程2 學分和榮譽課程1 學分的總和，基礎課程和榮譽課程有任何部分的成績低于B+，則兩部分的學分均不得計入榮譽課程學分。

（二）教學內容設計

在基礎課程總學時進行到2/3 時，開展3 學時/周共18 學時的榮譽課程教學，以專題形式設計教學內容，共設計了4 個專題，所設計的專題教學內容見表1。

表1 教學內容安排

針對現代控制理論課程內容抽象難懂、與實踐聯系不緊密的問題，緊密聯系控制領域工程實際，以實際復雜控制系統為例開展控制系統的建模、求解、分析與綜合的理論教學，并借助專業軟件MATLAB 實現復雜控制系統的建模、求解、分析和綜合設計的實踐教學。此外，榮譽課程是在基礎課程基礎上開展的拔尖創新能力的提升教學，因此，相對于基礎課程的教學，提高了教學內容難度，使其更適用于培養解決復雜自動化控制系統工程問題的能力。具體教學內容描述如下。

（1）復雜系統狀態空間表達式建模與求解的教學內容。以實際工程應用中涉及到的多輸入多輸出復雜非線性控制系統為研究對象，講解如何理解與識別自動化控制系統的輸入、輸出和狀態變量，深入解析線性化的狀態空間模型、線性時變狀態空間模型和非線性狀態空間模型的建模方法，并講授如何聯合理論方法和MATLAB軟件求解所建立的狀態空間模型。

（2）復雜系統能控性與能觀性分析的教學內容。以實際工程應用中涉及到的復雜控制系統為研究對象，根據第一個專題教學內容所講授的狀態空間模型知識，講授如何結合理論方法和MATLAB 軟件分析與檢驗復雜控制系統能控性與能觀性，并講解如何構建數學模型明確系統能控性、能觀性與系統結構和參數的內在關聯關系。

（3）復雜系統李雅普諾夫穩定性分析的教學內容。以實際工程應用中涉及到的復雜控制系統為研究對象，根據第一個和第二個專題教學內容所講授的狀態空間模型和系統能控性與能觀性分析知識，講解如何聯合理論方法和MATLAB 軟件識別和檢驗復雜系統的穩定性，講授如何利用李雅普諾夫穩定性理論設計復雜控制系統的控制器，解析復雜控制系統結構、參數與穩定性之間的內在聯系。

（4）復雜系統綜合的教學內容。以實際工程應用中涉及到的復雜控制系統為研究對象，根據前三個專題教學內容所講授的狀態空間模型、系統能控性與能觀性分析以及李雅普諾夫穩定性分析知識，介紹復雜閉環控制系統的結構和復雜控制系統的設計方案，講授如何利用狀態反饋、極點配置、狀態觀測器和最優控制方法及MALTAB 軟件進行復雜控制系統的綜合，解析復雜控制系統結構、參數與控制性能之間的關聯關系，并講解如何利用理論方法和MATLAB 軟件對復雜控制系統進行數據分析與解釋。

（三）教學方法設計

（1）授課方式。在現代控制理論基礎課程講授主要理論和方法的基礎上，榮譽課程采用圖1 的“實際問題驅動+自主設計+互動研討”教學方法，課堂上通過論文研讀方式引入實際控制系統需解決的工程問題，進而給定某一個實際控制系統，將抽象的現代控制理論與具體的實際控制系統相融合，采用現代控制理論與MATLAB軟件對實際控制系統進行建模、分析與綜合，通過小組形式對實際控制系統的建模、分析與綜合結果進行互動討論，根據小組討論結論再與老師進行互動探討。通過教師提問、學生自主設計、學生互動討論和師生互動探討等環節，實現以學生自主學習和互動討論為主、教師引導為輔的課堂授課。該授課方法可提高學生的學習興趣、課堂參與積極性、自主學習、團隊合作及解決復雜自動化控制系統工程問題的能力。

圖1 “實際問題驅動+自主設計+互動研討”的教學方法

（2）作業方式。針對復雜系統狀態空間表達式建模與求解、復雜系統能控性與能觀性分析、復雜系統李雅普諾夫穩定性分析、復雜系統綜合四個專題，分別布置四次作業。每一個專題教學內容均會解決某一個實際控制系統的某一個或幾個工程問題，基于課堂上經過推導、仿真和討論的相關工作，課后繼續深入研究完成相應專題的學習工作，并通過課程報告的方式總結和探討相應專題的研究工作，從而提升學生選擇和采用現代控制理論和方法進行復雜自動化控制系統的數據收集、分析與解釋的能力，提高學生對復雜自動化控制系統工程問題的表達、分析與歸納能力。

（3）考核方式。期末閉卷考試的考核方式單一，難以全面評價學生解決復雜自動化控制系統工程問題的能力，因此，建立多元化的考核方式，以突出學生的綜合能力。采用的考核方式見表2，包括期末報告、論文研討、理論推導、軟件仿真、課程作業及課堂考勤六種考核方式。六種考核方式都是以小組為單位合作完成，2～3 人一組，教師根據每位學生的具體情況評定相應的考核成績。

表2 考核方式

三、結束語

基于榮譽教育理念開展了自動化專業核心基礎課程現代控制理論榮譽課程的建設，提出了“實際問題驅動+自主設計+互動研討”的教學方法。在基礎課程基礎上，設計了難度提高的復雜系統狀態空間表達式建模與求解、復雜系統能控性與能觀性分析、復雜系統李雅普諾夫穩定性分析以及復雜系統綜合四大專題教學內容，授課方式以學生自主學習和互動討論為主、教師引導為輔，啟用全面評價學生綜合能力的多元化考核方式，以期提升現代控制理論課程的教學質量，提高學生的學習興趣、課堂參與積極性、自主學習、團隊合作及分析、研究與解決復雜自動化控制系統工程問題的能力，為培養符合現代社會需求的自動化行業高素質卓越創新拔尖技術人才提供參考。