电气专业“现代控制理论”课程的双语教学探索

李生权+李娟

摘要：本文根据“现代控制理论”课程和电气专业学生知识结构的特点，对双语教学要求下该课程的教学问题展开探索。通过教学改革和课程实验建设，提炼了几点有效的措施，灵活的双语教学方法的采用，英文教材的选取和调整，双语教学环境下的多媒体课件和仿真实验平台的开发等。

关键词：双语教学；现代控制理论；英文教材；教学改革

中图分类号：G642.0；TP273+.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）07-0131-03

一、引言

现代控制理论课程作为电气工程专业本科三年级学生的专业必修课程在我校已开展多年。这门课程是矩阵论和自动控制原理等课程的延续，因而内容丰富、理论性和工程性都很强；再者，由于控制学科的飞速发展，使得该课程具有信息量大，更新发展快等特点[1]。近年来，随着国家科学技术的飞速发展，中国大学生与世界其他高校学生的交流越来越频繁，为了适应国际大融合发展的需要，双语教学在高等学府中受到了高度重视。2001年教育部提出，在有条件的高校，应该为本科教育中的公共课和专业课开展双语教学，并不断开展教学改革和研究性教学实践，探索有效的教学方法和模式，以提高双语教学的质量[2]。近年来，双语教学尤其是对专业课开展双语教学已经成为了各大高校教学研究的热点[3]。多项教学改革的实践证明，在电气工程的专业课程中开展双语教学的探索，有利于课堂教学形式的国际化以及讲授内容的快速更新，显著地提高大学本科生的专业英语的执行能力，同时也会让学生感受到专业英语的重要性，将会提高我国高等院校尤其是扬州大学的电气相关专业课程教学的水平。因此，如何开展现代控制理论课程的双语教学，尤其是在双语教学要求下，提高学生的学习积极主动性和灵活应用教学成果的能力，就显得尤为重要。“扬州大学电气专业现代控制理论课程”教学团队，根据近年来在该课程的双语教学探索和实践中遇到的一些问题，探索新的教学方法，特别注重培养电气专业学生学习该课程的积极性，对该门课程双语教学的可行性、要求和课程特点等进行了详细的阐述，特别是根据电气工程专业本科生的基础知识结构和“现代控制理论”课程的理论性和工程性都很强等特点，在教学改革实践中探讨了一些行之有效的解决方法和措施。

二、课程特点及教学目标

现代控制技术是在经典控制理论中发展出来的一门学科。“现代控制理论”课程作为“自动控制原理”的后续课程，其作用是使学生在学习过自动控制原理和矩阵论等基础课程之后，了解当今控制理论和应用领域的一个新阶段，现代先进的控制方法原理及其应用。考虑到学科的特点和学时的限制，本课程在讲授过程中只涉及到线性控制理论中状态空间模型的建立和解的分析、能控性/能观性分析、系统稳定性分析、状态观测器和状态反馈的实现等内容。

课程的目的是使学生通过本课程了解时域形式状态空间模型的形式、状态变量、状态方程的求解以及解得特点，开展系统的定性分析——能控性/能观性和系统稳定性分析，尤其是掌握运用李雅普诺夫稳定性分析方法进行线性、非线性系统的稳定系判断。进而，能够对目标性能要求下，开展系统控制器和观测器的设计。

三、课程双语教学的具体内容

在电气工程专业本科生中开展“现代控制理论”课程双语教学面临诸多不利条件：（1）内容的多样性和课时的有限性；（2）在有限的课时数的条件下，如何让学生尽快地熟悉英文教材所阐述的内容；（3）如何让学生准确地掌握控制领域相关专业术语的英文表达；（4）如何提高词汇量和英语的表达能力，尤其是一些常用的专业词汇的灵活运用，以提高学生专业英语的听说读，尤其是写文献等的综合应用能力。

作者及其“扬州大学电气专业现代控制理论课程”教学团队围绕“现代控制理论”课程教学的实践情况，对该课程的双语教学的施教做了如下几方面的研究性教学探讨。

1.外文原版教材的合理选择。在采用双语教学之前，“现代控制理论”课程采用的一直都是中文教材。考虑到该课程双语教学的需要，高质量的英文原著教材是必需的。为了保证英文教材的内容与教学大纲保持一致，教学团队对国外的不同的现代控制理论教材进行了大量的对比和调整。要尽可能使用与电气专业相似用词习惯的原版教材，这样可以保证在有限的教学课时情况下，电气工程专业的学生可以很熟练地掌握专业词汇的用法。同时，这本教材需要在中国有一定的知名度，这样团队教师可以很快了解和熟悉英文教材的内容。最终作者团队选择了英文教材[4]为“现代控制理论”课程双语教学的教材。

2.讲授内容的合理调整。由于国外大学在专业设置、培养方案和模式、人才培养要求和教学方式放上，与我国大学存在较大差异，尽管作者团队已经较合理选择了教材，但是外文教材内容与我国电气工程专业教学内容上存在一定的差异，这就导致教材相关知识点也存在一些遗漏和重叠。比如，中文教材对现代控制理论的发展进行阐述时，多是从控制起源，结合一些历史人物和相关的事件，如北宋苏颂等利用反馈原理制作的水运仪象台，瓦特利用离心调速器发明的蒸汽机，劳斯-赫尔维茨提出的频域形式的稳定性判据，以及李雅普诺夫提出的李雅普诺夫稳定性理论等概述性的知识进行介绍的。这样可以让学生充分了解现代控制技术发展的历史脉络，同时，结合一些有趣的历史事件，对状态变量、状态空间和反馈等一些重要的概念有一个基本的认识。而该英文教材尽管也介绍了一些现代控制方法和控制系统的一些主要的定义或者定理，但是并不是按照这种历史脉络的角度，而是从数学的角度。作者团队认为，为了让电气专业的学生更好地掌握这些相对枯燥的概念，则有必要弱化它的数学的含义，而凸显它的控制部分。但是后续的关于系统能控性/能观性和李雅普诺夫稳定性分析的主要内容介绍等基本上与作者团队之前采用的教材一致。

另外，所选英文教材内容比较丰富，篇幅比较长，教材中有些内容需要应用的矩阵论知识比较多，难度比较高，如教材中介绍关于高阶微分方程转换成状态方程部分，针对输入部分有微分的情况，以及针对复杂非线性系统，如何通过李雅普诺夫稳定性原理判定系统的稳定性等问题，对于电气专业学生而言，一般不容易完全掌握。為此，笔者教学团队，参照课时情况，对该英文教材内容进行了适当的简化，如简化了线性系统的结构分解和零极点相消等部分内容。凸显现代控制理论方法的核心思想——状态空间法，以满足课程大纲的要求。

3.課件制作和现代控制实验开发。由于该本英文教材没有相应的诸如PPT、程序和实验平台等教学用的辅助资源，作者的教学团队在消化吸收英文教材后，并基于前期的研究性教学的成果[5]，开发了双语教学多媒体课件。同时，在该双语教学的课件，作者团队还将团队早期收集的一些参考资料中的精髓内容也以最合适的方式得到了呈现。

作者团队在近五年的现代控制理论课程讲授过程中发现，非常有必要开发现代控制实验平台，尤其是基于双语教学要求下，这样有助于学生掌握现代控制理论课程的内容。但是，在此这前扬州大学水利与能源工程学院电气工程系，在该课程上，一直没有相应配套的仿真和实验验证平台。为此，作者团队教师设计提供了倒立摆实验平台，为双语教学的现代控制仿真提供了验证平台。学生在进行仿真和实验验证时，可以用上该课程多个核心内容和知识点：系统能控性/能观性、稳定性分析和系统状态反馈控制设计等。同时，倒立摆系统与杂技中的顶杆平衡等有异曲同工之处，极具趣味性，提高了学生学习的积极性。

同时，在撰写实验报告时，要求学生对照实验中的实验现象。采用多种途径，比如图书馆查找资料、网上搜集材料等，进行相应的理论分析，并鼓励学生将一些与教材的不同之处反映在报告中，以提高学生善于思考和勇于提出不同见解的能力。比如，在“李雅普诺夫稳定性分析实验”中要求学生采用第一法和第二法分别对倒立摆系统进行稳定性验证，尤其是稳定裕度的阐述，仔细对比两种方法验证的结果，总结二者之间的区别和联系。在“状态反馈控制器设计实验”中要求学生结合仿真结果分析零极点对系统性能的影响，同时要求学生结合“自动控制原理”课程所学的PID方法进行对比实验，总结现代控制理论方法的优势所在。通过自主开发的实验和仿真验证平台，不仅完成了双语教学的课程内容，同时让学生熟悉了如何利用计算机进行现代控制技术仿真实验验证和结果分析，熟悉了Matlab/Simulink这一科研工程中应用最广泛的计算软件，包括与现代控制课程密切相关的LMI，系统辨识等工具箱。

4.灵活多变的双语教学方式的应用。针对双语教学的特点，较之之前的“现代控制理论”课程，作者团队采用更为灵活的教学方式。选择一些经典的控制系统例子，课堂中采用边教学边实践的形式。另外，还采取课堂教学与讨论同时进行，尤其注重课外阅读和小组讨论相结合的方式，采用平时考核和集中考试同等重要等手段，逐步提高学生主动学习的积极性。例如，布置一项课外作业，也传统的课外作业不一样，采用开放的形式。翻译一段作者团队精心设计的内容，该部分内容涉及一个倒立摆系统如何保持平衡的问题，并模拟杂技表演的模式进行介绍，学生不仅完成了作业，了解倒立摆系统的稳定性问题，同时学生也增加了对现代控制理论的具体应用的兴趣。

四、结束语

在双语教学要求下，在学习中如何采用该理论的内容解决电气工程相关课程的实际问题，一直是作者团队在课程教学中讨论的问题。尽管团队至今已经为四届学生开展了现代控制理论课程讲授。结合电气专业的特点，对于现代控制理论的教学安排，学生和各级督导都普遍反映较好。尤其是经过双语教学的探索，学生逐渐达到了听说读写等几个方面的要求，比较好地掌握了现代控制理论中的线性系统理论的核心内容。大部分学生能够很好地完成英文教材和老师布置的任务，通过仿真实验以及撰写报告和大作业等各种考核形式，达到了该双语教学课程的教学目标。

本文提出的双语教学的一系列举措，通过选择合适的教材，对相关教材的内容进行合理的调整，并把原本抽象且枯燥的知识点和定理通过形象生动地实验讲授给学生，调动了学生的学习积极性。如何在教学中不断积累，逐步完善教学手段，更好地提升双语教学教学改革的效果，将是作者团队一个值得继续努力的工作。

参考文献：

[1]张嗣瀛，高立群.现代控制理论[M].北京：清华大学出版社，2006：1-22.

[2]刘艳君.“现代控制理论”双语教学的几点思考[J].教育教学论坛，2015，7（2）：195-196.

[3]李世华.“智能控制概论”课程双语教学改革探索[J].电气电子教学学报，2009，31（4）：8-9.

[4]Richard C. Dorf，Robert H. Bishop. Modern Control System[M].美国：Prentice Hall出版社，2012.

[5]李生权，李娟，莫岳平.电气专业现代控制理论课程教学的探索与实践[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2013，30（5）：116-117.

Abstract：Considering the characteristics of the knowledge structures of the electrical engineering students and modern control theory course，the course teaching problems under bilingual education demand are discussed in this paper. Through the teaching innovation and the experimental set-up building，several effective teaching ways are summarized in this paper，which are analyzed and introduced in detail. These strategies include the flexible employing of the teaching methods for bilingual teaching，the reasonable choosing and adjusting of the contents of English teaching materials，developing bilingual-teaching based multimedia software and simulation/experiment systems.

Key words：bilingual education；"Modern Control Theory"；English teaching material；teaching innovation