基于PBL 模式的控制理論與應用前沿課程教學改革與實踐

李莉莉，葛新，申麗然，趙穎

(1.大連海事大學 船舶電氣工程學院，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026)

控制理論與應用前沿課程是控制學科碩士研究生的專業選修課程之一，是介紹控制理論與應用前沿的引導性課程，共32 學時，每周4 學時。主要內容基本覆蓋與控制科學與技術科學密切相關、應用面最廣的重要研究領域，包括網絡控制、多智能體理論、模糊控制、神經網絡控制、信息物理系統和模式識別等。作為引導性課程，控制理論與應用前沿課程主要面向控制學科一年級研究生，通過該課程的學習，讓學生了解控制學科的專業培養目標、培養要求、專業特色、發展歷程和發展趨勢；引導學生了解控制學科的前沿領域與最新進展，掌握控制學科的理論體系、方法與技術，了解其工程應用；實現拓展視野、立足前沿、展望未來以及為深入學習本專業的知識奠定必要的基礎的教學目標。

一 控制理論與應用前沿課程特點

1)理論知識點多，涉及的知識面廣?？刂评碚撆c應用前沿是一門理論與實踐相結合的課程，涉及的相關理論知識點多且全面，大部分知識點概念抽象、晦澀難懂，而且要求掌握一定的工程技術知識[1]。除模式識別、非線性切換等傳統的控制學科理論知識體系，還涉及復雜網絡同步、神經網絡和深度強化學習等前沿知識，實際上部分內容已經超出本科階段學習范圍[2]。本課程所面向的研究生一年級學生來自不同院校，對控制理論相關專業知識掌握程度不一。

2)強調知識的綜合運用。控制理論與應用前沿課程強調綜合知識的理解與運用，在實際應用項目中，往往是多學科、多技術的交叉融合，如果只是局限于本學科、本門課程的知識，很難對復雜的應用系統有深入了解。例如在集群控制問題中，往往需要采用計算機領域的若干算法。如何在有限的課時內向學生普及這些跨領域內容對本門課程提出了不小的挑戰。

3)關注前沿應用。控制理論與應用前沿課程在強調基礎理論的同時，聚焦學科發展前沿，對理論知識、技術工具的理解和運用，尤其是最新的應用成果。因此，以往那種為了做題和考試的應試學習方式不再適用。此外，為結合筆者所在學校及學院特色，課程引入船舶控制相關內容，例如無人船的集群控制與避碰問題，這些內容對于大部分學生來說是相對陌生的領域，這就要求學生具備一定的自主探究精神及研究方法，如基本的文獻資料查閱能力。

二 教學內容改革

傳統教學為了突出控制理論的先進性，在教學過程中常常脫離學生所熟知的專業基礎知識，進而使專業教學不具有連貫性和邏輯性，亦或是理論與應用脫節，學生無法學以致用[3]。教學過程應緊密聯系現代控制理論與經典控制理論，在教學內容講解中兼顧傳統知識與前沿知識、基礎理論實際應用，進而加深學生對現代控制理論概念的深入理解，且能夠更全面地了解控制方法的主流應用，鑒于此，從以下三個方面對教學內容加以調整優化(圖1)。

圖1 基于前沿引領的課程內容更新優化

1)與時俱進，聚焦前沿專題。課程的核心內容經過重新安排，根據最新的文獻資料挖掘整理其中的前沿熱點問題，結合本校特色專業及“十四五”發展規劃，將主要內容劃分為“網絡化控制系統”“多智能體系統”及“船舶智能控制”三個前沿專題；同時，由于學時有限，基礎內容不再面面俱到，根據專題需要選取最具應用價值的理論及技術深入講解，例如在“網絡化控制系統”專題中，重點介紹數據采樣控制、量化控制和延時控制。此外，每個專題按照研究背景、系統結構、基本問題和關鍵研究問題四個章節循序漸進展開，在不同專題之間建立聯系。在研究背景部分引出問題的起源，并通過技術的發展演變史，了解前沿技術的來龍去脈，幫助學生認清科學的發展邏輯，從而深刻理解理論與應用之間的關系。

2)提綱挈領，抓住關鍵問題。不同的前沿專題應用背景不盡相同，但在基礎理論、研究方法上具有共性，通過梳理三個專題關鍵科學問題和主要技術手段之間的相互支撐關系，提煉出具有共性的三個關鍵問題：“事件觸發機制設計”“安全控制”和“集群控制”。一方面，這是三個專題均要涉及的核心問題；另一方面，也是前沿應用必須要考慮的三個重要問題。

3)因地制宜，基于案例實踐。得益于大連海事大學“藍信”號智能高速無人水面艇項目的實施，讓學生有機會接觸實際應用系統。作為綜合應用及實踐案例，無人船是一個龐雜的系統，控制理論與應用前沿課程從前述關鍵問題及前沿專題出發，重點介紹無人船中的“船舶信息系統”“自主航行導航”“集群編隊”三個典型子系統。這樣完成了從基礎理論、關鍵問題、前沿課題到系統應用的全鏈條教學內容。

三 教學方法改革

研究生課程教學應以科研創新能力培養為核心，應將理論知識的傳授與相關研究領域的學術前沿及先進技術緊密結合。如前所述，本課程內容經過優化調整，教師講解為主、學生聽課為輔的傳統教學方法已經不再適用。因此在教學方法改革上，采用問題導向(Problem-based learning，PBL)模式[4]，依托大連海事大學控制學科的研究特色，選取“網絡化控制系統”“多智能體系統”及“船舶智能控制”三個專題作為課程的核心內容，梳理三個專題關鍵科學問題和主要技術手段之間的相互支撐關系，圍繞其中的事件觸發機制設計、安全控制和船舶編隊等前沿熱點問題，結合學生小組合作學習的方式，在教師的引領和指導下，實施了本次課程的教學內容優化和教學方法改革。將知識傳授與探究問題相結合，使學生在研讀學術前沿文獻的過程中獲取、更新并應用知識，在協作學習中提高科研素養。

PBL模式的具體實施過程分為三個階段(圖2)。

圖2 PBL 的實施過程

第一階段：確定基本規則。由任課教師詳細介紹PBL模式的基本規則，讓學生明確流程及目標，做好參與PBL的準備。按照學生研究生階段科研方向與三個專題的關聯程度將學生分為三組，每小組自行選出一名小組長，作為具體負責人。任課教師立足學生的未來研究方向，結合每個專題中的前沿熱點，指導每位學生選擇一個小課題，并提供適當的文獻資料作為入門引導。為起到入門指導作用，授課教師在該階段會帶領學生閱讀相關專題中國內外最新的綜述性論文，以幫助學生掌握其所選課題的基本理論、研究方法和發展趨勢，接下來以每個專題中的一至兩個具體的前沿問題為主線，具體講解問題研究背景、研究現狀、解決過程以及未來發展趨勢。例如，針對“網絡化控制系統”專題，選擇講解Networked Control Systems：A Survey of Trends and Techniques，這篇綜述文獻介紹了網絡控制相關的最新研究進展，通過教師講解，一方面幫助學生學會如何研讀文獻，為后面的任務打下基礎；另一方面，使學生了解該領域的前沿進展。

第二階段：自主探究、合作學習。經過第一階段的引導，通過梳理三個專題中前沿問題之間的相互支撐和促進關系，確定了分組文獻研讀、小組間合作討論的教學范式。在小組內，學生對課題任務進行分解和分工?？紤]到學生本科階段來自不同院校，專業基礎有差異，在本階段教師為每個小組提供一到兩篇講解、討論文獻，與第一階段不同，這些文獻教師不再講解，由學生自己研讀，文獻內容也不再是綜述性質，而是聚焦于領域內某一個專題，旨在幫助學生有針對性地深入研究。學生也可以根據自己的課題自行查找文獻，經老師同意后繼續開展后續任務。接下來是組內合作學習，以小組為單位閱讀相關專題中國內外最新的綜述性論文，掌握該課題的基本理論、研究方法和發展趨勢；接著，以每個專題中的一至兩個具體的前沿問題為主線，具體講解問題研究背景、研究現狀、解決過程以及未來發展趨勢，并在課堂上展示課題進展，與授課教師討論解決疑難問題；課下，小組成員圍繞課題的關鍵點展開深入討論，按課程要求形成課程報告。

第三階段：課題進展匯報及答辯。每位學生按照所在小組課題進行匯報，匯報人同時也是答辯人，小組之間有討論和答辯環節，鼓勵學生以各小組選題為依托，向答辯小組提問；在此環節中，教師通過設置答辯問題，引導學生關注網絡化控制系統中的事件觸發、安全控制等關鍵前沿問題在智能船舶協同控制領域中的應用與實踐，以及智能船舶的協同控制需求為網絡化控制系統的研究提出了哪些新的課題等，從而達到鞏固所學知識，促進知識運用、鍛煉發現問題解決問題能力的目的；此外，教師通過點評學生匯報中涉及的前沿學術問題的探索歷程，展現科學家們的求真品格和創新精神，通過講解前沿技術的應用范例，展現科學研究中的人文情懷和社會責任，引導學生關注國家重大需求和關鍵技術，鼓勵學生以科技創新報效祖國。

由于課堂學時有限，作為補充，授課團隊為每個學習小組在雨課堂創建專屬內容討論及資源共享區，以配合PBL 模式的有效實施。每位小組成員可以在指定的討論區圍繞課程項目展開討論、交流經驗、分享資源及展示成果。學生遇到問題可以在討論區及時和任課教室交流溝通。任課教師則可進行實時跟蹤，獲取學生的探究過程并答疑解惑。

為配合教學內容及教學方法，課程考核方式也需要相應調整[5]，改變試卷為主的傳統考核方式，采取學生報告為主，教師點評、批改為輔的考核方式。在小組合作學習的過程中，教師需對每名學生在組內合作學習和組間討論答辯中的表現情況進行評分，學生需對該過程的學習形成總結報告?？偝煽冇裳芯糠较蚋攀?、文獻研討、課程總結報告三部分構成，各占10%、40%、50%。具體環節、分值和評價標準實例見表1。

表1 考核環節及得分標準實例

四 效果評價

經過一個學期的教學實踐，課程改革基本取得預期效果，主要效果體現在以下幾個方面。

1)期末考評成績良好。根據得分標準的客觀評價，學生得分成績是教學效果最直接的體現。2021—2022 學年，共有選課學生37人，及格率100%，平均分87.8分，最高分96分，最低分75分，其中90 分以上21人，占56.7%；80～89 分11人，占29.7%；70～79 分5人，占13.5%。因為在PBL 第一階段已經向學生詳細介紹各個環節及其評價標準，學生能夠按照要求完成任務。半數以上的學生能夠以優秀的成績完成課程內容的學習，符合學生及任課教師的預期。

2)學習過程積極主動。絕大部分學生能夠根據研究生階段研究方向及各自興趣，選擇合適的研究課題開展研究工作。在具體內容上，涵蓋了車隊自適應巡航、船舶編隊、容錯控制、網絡化切換系統、智能船舶避碰和無人機協同搜索等前沿應用課題。根據學生反饋，在PBL 第二階段，自主探究和組間、組內、師生交流討論，使大家獲益匪淺，為下一階段任務奠定了堅實基礎。從最終的課程論文來看，有三分之二的學生沒有選擇任課教師提供的參考資料，根據自己興趣及所在小組的任務安排自主查找文獻作為研究課題。例如，專題一小組結合學院特色，整體上以海事應用為大的方向，小組成員根據大方向自主探究相應的課題，有人負責水下圖像增強技術，有人關注潛水器姿態控制技術，有人研究水下網絡通信技術，凡此種種，不一而足。

3)理論結合應用，研究結果質量較高。從成果匯報及提交的課程報告來看，大部分學生的研究內容體現出了一定的自主學習及科研能力，能夠根據所選課題查找、分析資料，運用基礎知識和分析方法形成自己的知識體系，對前沿應用有了進一步的認知。對控制理論應用有了深刻理解。通過探究三個前沿專題及其關鍵問題，學生對控制理論及研究方法有了更加直觀的認知，尤其是相關理論和技術在智能無人船系統上起到的作用。為此，課程團隊還與部分研究生導師交流，征詢導師們的反饋意見和建議，使該門課程為學生的研究生階段科研奠定一定的基礎。

4)教學相長，提升教學質量。課程團隊教師均是首次參與此種類型的教學改革，采用PBL 教學模式不同于傳統的授課方式，每名學生選擇的研究內容不盡相同，需要任課教師有針對性的指導，因為選課人數較多，講授本門課程又不同于常規的指導研究生，無法根據每名學生的特點長期細致地跟蹤指導。因此，授課教師在內容上盡量安排學生們感興趣的“并集”；在教學方法上更加關注學生們遇到問題的“交集”，這就要求老師們知識面廣博，熟悉控制理論不同專題的內容，并時刻關注技術發展的前沿及最新進展，同時又能夠快速發現并解決學生在學習研究中遇到的各種困難和問題。所以，本次教學改革對任課教師來說也是一次學習和提高的過程。課程團隊以控制理論與應用前沿課程為基礎，申報“2021—2022 學年第一學期研究生優質教學獎”。

五 結束語

本文提出了一種基于PBL 模式的研究生課程教學方法，以適應教學內容優化，旨在提高學生掌握理論知識與工程實踐相結合的能力，使控制科學專業學生掌握認識、分析、研究和解決問題的能力，為研究生階段的學習科研工作做好準備，并為培養符合現代社會需求的高素質復合型專業人才奠定理論與實踐基礎。經過一個學期的教學實踐，學生和任課教師熟悉并適應了PBL 教學模式的各個階段，能夠按照PBL 流程及標準按部就班地完成任務，從期末成績、學生反饋及報告內容等多方面評價來看，初步達到了預期目標。控制理論與應用前沿課程的教學改革是一個長期且持續改進的過程，在后續工作中，我們將根據教學效果變化情況進一步完善教學內容及教學方法。