數智化背景下“現代控制理論”課程教學改革探索

摘 要 數字化和智能化技術的發展對“現代控制理論”課程教學提出新要求。文章在分析“現代控制理論”課程教學現狀與存在問題的基礎上，以智慧教學平臺為載體，從改進教學模式、強化實踐探索和融入新興技術等多方面進行教學改革探索。通過優化教學資源、加強教學互動、改善學習體驗、工程應用和專業深度融合，激發了學生的學習興趣與學習動機，增強對學生創新思維和工程素養的培養，課程教學效果得到有效提升。

關鍵詞 數智化；現代控制理論；教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.039

Teaching Reform Exploration of Modern Control Theory Course

under the Background of Digitalization and Intelligence

Abstract The development of digital and intelligent technologies has put forward new requirements for the teaching of "Modern Control Theory" course. Based on the analysis of the current situation and existing problems in the teaching of "Modern Control Theory" course， this article explores teaching reform from multiple aspects， such as improving teaching modes， strengthening practical exploration， and integrating emerging technologies， using a smart teaching platform as a carrier. By optimizing teaching resources， strengthening teaching interaction， improving learning experience， integrating engineering applications and professional depth， students' learning interest and motivation have been stimulated， and the cultivation of students' innovative thinking and engineering literacy has been enhanced. The teaching effectiveness of the course has been effectively improved.

Keywords digitalization and intelligence; modern control theory; teaching reform

以云計算、大數據、物聯網等為代表的新一代信息技術飛速發展，社會建設向“數字化+智能化”方向轉型，推動傳統產業向數智融合方向轉型升級，產業革新對高校人才培養也提出新需求[1]。近年舉辦的產教融合發展戰略、數智教育發展等國際論壇深入探討了數智化時代高等教育發展的新趨勢[2]，教育數智化轉型不僅是技術層面的更新，也是教育理念和教學模式的深度變革[3]。

作為連接不同工程領域的橋梁，控制技術在數智化時代呈現新的發展趨勢，與之對應的控制類專業人才培養和課程教學也應進行適應性改革[4]?，F代控制理論是控制類專業的主干基礎課程，對于學生控制學科知識體系的構建至關重要[5]。中國民航大學現代控制理論課程的授課對象為自動化、電氣工程及其自動化等具有顯著民航行業特色的本科專業，面對行業發展新需求，如何結合數智化時代背景和行業特色，有針對性地提高課程教學質量以適應新時代復合型創新人才培養轉型，已成為課程教學改革的重點。

1 課程教學現狀與主要問題分析

1.1 現代控制理論課程具有概念抽象、理論深奧、內容繁雜等特點

控制理論中的基本概念和方法涉及較多數學知識，對學生的數學基礎和抽象思維能力提出了較高的要求[6]。同時，控制理論的發展和應用與其他學科產生廣泛交叉，進一步強調了跨學科知識的重要性，學生的相關知識儲備對學習效果產生了顯著影響。課程知識點多、分布零散、難度高，而當前教學實施中未充分關注學生在前續知識儲備、學習能力等方面的個體差異，導致部分學生在面對復雜理論講解時感到力不從心，影響其學習動力和學習成效，課程的整體教學效果一般。

1.2 課程總學時有限而知識點繁多

本課程多采用教師為主導、學生被動接受知識的傳統方式進行教學設計，未充分運用現代化教學資源和工具。單一化的教學方式限制了課堂教學的互動性和靈活性，單向的信息傳遞方式導致學生缺乏主動探索和自主學習的動力，教學效率不高，教師也難以及時獲得學習效果反饋。此外，教學過程中僅采用基礎的驗證性實驗作為理論教學的補充，缺乏足夠的案例分析和實踐環節，導致多數學生僅關注于理論計算解題，而忽視了對基本概念的深入思考以及與實際應用的結合，在培養學生獨立思考和解決實際問題的能力方面存在不足。

1.3 課程注重講授控制理論中的基本概念和分析設計方法等基礎知識[7]

隨著人工智能、云計算、系統互聯等技術的飛速發展，控制領域的新技術也不斷涌現，而現有課程內容相對陳舊、更新較慢，尤其缺乏對數智化背景下控制領域新興技術的介紹，未能及時反映控制領域最新的研究進展和技術革新，存在與前沿技術脫節的情況，導致學生所構建的知識體系無法與行業的實際應用需求緊密對接，不利于培養學生對新興技術和行業趨勢的快速學習和適應能力。

2 課程教學改革措施

借助數字信息技術的優勢，教學團隊以人才培養需求為牽引，綜合運用多種媒介，如圖1所示，開展了可視化好、互動性強的數字化教學資源建設，構建了能夠滿足教師線上/線下混合式教學和學生個性化學習需求的智慧教學平臺。

以此為支撐，教學團隊進行了現代控制理論課程的多元化教學改革探索，以發揮學生在互聯網適應性方面的正向作用，實現線上線下教學活動的有機融合，形成了以學生為中心、教師為引導、問題為導向的課程改革方案。

2.1 改進教學模式

課程理論難度高、概念抽象不易理解，而傳統教學雖然使用多媒體課件作為輔助教學工具，但課件中多是數學公式和理論概念的文字描述，學生在學習過程中容易陷入純數學推導而難以建立工程概念。課程內容較為枯燥，課堂氣氛沉悶，學生學習熱情不高。針對這一問題，教學團隊開展了互動式教學模式改革，通過優化教學手段，豐富教學過程等措施，實現教學效果的提升。

對現有多媒體課件進行優化改進，豐富理論知識的輸出方式。增加原理動畫展示、視頻介紹以及模擬實驗演示等內容，將抽象的理論概念轉變為直觀生動的視覺信息。例如，在講授反饋控制與極點配置這一內容時，播放“飛機自動駕駛儀是如何運作的”原理視頻，并利用虛擬仿真展示不同控制律作用下系統的動態響應過程，通過視頻和動態演示輔助理論概念講解，有助于學生深化對理論知識的理解。

在課堂教學中，改變教師為主導、學生被動接受知識的傳統教學方式，增加教師與學生的互動交流活動。利用智慧教學平臺發起彈幕、投票、即時問答等活動，在豐富教學過程的同時，幫助教師追蹤學生對課堂內容的掌握情況，形成實時的教學效果反饋，及時發現學生不易掌握的知識點或理解上的誤區，有針對性地微調后續課堂的教學側重點，形成教學過程的有效閉環。在課堂教學中以問題為導向，教師從理論知識的單純講授者轉變為學生學習的引導者，在控制系統分析和設計等章節，以飛機自動駕駛儀、機場無人牽引車等實際系統為工程應用背景，設置開放性問題，展開課堂討論和分組設計，促使學生通過主動思考和合作交流給出解決方案。此外，借助智慧教學平臺打破傳統課堂教學的時間和空間限制，學生隨時通過在線論壇分享學習中的問題，并在線討論及時獲得反饋和解答。這種持續性互動教學能夠為學生提供更靈活更具個性化的學習方式，有助于培養學生的自主學習意識和協作解決問題的能力。

2.2 強化實踐探索

課程強調理論知識與工程實踐的緊密結合，開設實驗環節是促進學生理解和應用控制理論的重要途徑[8]。但傳統教學中僅采用模擬實驗箱開展驗證性實驗，實驗箱集成度較高且出于安全性考慮，學生僅能按照規定步驟進行操作，靈活性不高，限制了學生的深入思考和自由探索。此外，受限于實驗室的空間和時間安排，實驗教學難以與理論教學同步進行，降低了兩者的結合度。這導致學生對于課程實驗認可度不高，難以將課堂所學理論知識有效應用于實際系統，與設置實驗教學環節的初衷背道而馳。

為了突破傳統實驗教學模式的局限性，打破學生“重理論計算、輕實踐思考”的學習慣性，課程團隊將基于MATLAB的虛擬仿真平臺引入課程教學全過程，并在此基礎上優化實驗資源，將仿真實驗與傳統實物實驗有效融合，以充分發揮實驗教學在課程整體教學中的作用。將控制系統仿真技術融入課程教學，在教學內容設計上注重理論知識與虛擬仿真實驗的緊密銜接，教師預先在智慧教學平臺在線推送與當前課程內容對應的仿真教學課件、示例程序和微課視頻，學生能夠在課外隨時觀看、自主學習，提高學習的靈活性。在課堂教學環節，教師進行理論概念講授后，將控制系統的建模和分析設計等過程進行MATLAB仿真演示，學生能夠直觀地觀察控制系統的響應過程，理解控制設計的實際作用和效果，通過仿真實驗將抽象的控制理論概念具體化。此外，引入飛機自動駕駛儀、機場無人牽引車等與行業緊密相關的典型控制系統案例，增加開放性實驗環節，學生以小組為單位，借助虛擬仿真平臺提供的便捷安全的實驗環境，在計算機上模擬復雜系統的動態響應，并進行性能分析和綜合設計。學生可以測試和優化不同的控制算法，自由探索控制理論的多種可能性。通過這種教學方式激發學生的獨立思考能力，深化其對控制理論的理解，培養學生的創新思維和解決實際問題的能力。

2.3 融入新興技術

課程旨在使學生構建系統化的控制理論知識框架并用以解決實際工程問題?？刂评碚撟鳛檫B接不同工程領域的橋梁，在航空航天、電力電氣等多個領域都有廣泛應用。而在數智化背景下，多種新興技術不斷涌現，這些技術既拓寬了控制理論的應用場景，也推動了控制理論的發展。教學團隊從課程內容與教學實施等方面探索了控制理論基礎知識與新興技術的融合途徑，以保證課程教學能夠適應技術革新趨勢和行業應用需求。

在確保涵蓋學科專業規范核心知識點的基礎上，將控制領域的最新技術動態融入課程內容，針對性地引入大數據、云計算、智能感知等與控制理論結合的前沿技術和工程實例。課程教學中，在詳細講授必要知識點的同時，輔以擴展的技術熱點，保證教學內容的合理組織，例如：在講授狀態觀測器設計時，結合智能駕駛車輛控制案例，介紹狀態觀測器與智能感知技術在車輛狀態信息精確估計和監控中的融合應用。

利用智慧教學平臺發布與先進控制技術相關的科普視頻、技術講座等在線資源，并鼓勵學生充分利用校內開放教育資源查閱學術文獻和在線課程，以豐富學生獲取前沿控制技術的途徑。同時，以現代控制理論課程為契機，鼓勵學生在課程之外積極參與教師的科研工作，并支持學生申報開展與控制理論相關的小型科研項目，學生通過在科研實踐中直接接觸領域內的研究熱點和前沿技術，實現課程所學基礎知識與工程實踐應用的深度融合。

3 課程教學改革實踐效果

自開展教學改革實踐以來，學生實際到課率和課堂參與度有顯著提高，據智慧教學平臺統計，線上資源訪問覆蓋率在90%以上，學生的學習興趣和自主學習能力得到有效提升。課程結課后的匿名問卷調查結果表明，學生在課程內容實用度、課程資源豐富度、個性化學習支持多個方面給出較高評價，學生對教學改革措施的認可度較高。改革后本課程的平均成績和課程目標達成度呈上升趨勢，尤其在知識綜合運用能力和獨立分析推理能力等方面的達成度提升明顯，課程改革措施已在課程教學實踐中取得一定成效。

4 結語

在數智化時代背景下，教學團隊針對“現代控制理論”課程教學中存在的主要問題與不足之處，結合人才培養需求和行業特色，以智慧教學平臺為載體，形成以學生為中心、教師為引導、問題為導向的課程改革方案，圍繞教學模式改進、實踐探索強化和新興技術融入等角度對課程改革途徑進行了探索。根據教學改革實踐效果反饋，學生對課程改革措施認可度較高，學生的自主學習能力、創新思維和工程素養得以增強，在后續教學中將依據教學效果反饋持續推進教學改革，保證課程教學質量的持續提升。

參考文獻

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