师范院校现代控制理论课程教学改革探讨

吴 博，詹习生

(湖北师范大学机电与控制工程学院，湖北 黄石 435002)

师范院校现代控制理论课程教学改革探讨

吴 博，詹习生

(湖北师范大学机电与控制工程学院，湖北 黄石 435002)

为适应社会发展对高校人才培养的要求，各高校对教学改革进行了广泛的研究与探讨。现代控制理论是自动化专业的基础课程，为了提高学生的专业能力，针对目前现代控制理论教学中存在的一些问题，结合师范院校教学情况，分别从理论教学和实验教学两方面对本课程教学改革进行研究，包括优化教学内容、改革教学过程、完善考核方式，提高对实验环节重视和改革。

现代控制理论; 理论教学改革; 实验环节改革; 互联网

随着控制理论在军事、医疗、工业领域的广泛应用和发展，对控制系统的要求越来越高，传统的经典控制理论在处理多变量、复杂、非线性系统等问题时难以满足控制目标，而现代控制理论在处理这类问题时却能取得到令人满意的结果[1]。现代控制理论作为新兴的学科，自上世纪60年代起，在自动化领域迅速发展，对现代科学技术的进步做出巨大贡献。随着科学技术的进步和发展，科研和工程领域对具备高素质、创新性的自动化专业技术人才的需求逐渐加大，而现代控制理论课程作为高校自动化专业的主要课程，与信息科学、计算机科学、能源科学以及电子科学交叉融合[2]，对许多自动化专业的问题提出了更为简单有效的解决办法，对培养学生的专业能力起着举足轻重的作用。

为了适应社会科技发展，对科研和工程技术人才的要求日新月异，师范院校必须与时俱进，努力提高学生的专业能力，与其相应的人才培养机制改革也势在必行。教学作为人才培养的最直接有效的途径，为适应改革新形势，也必须提出新的要求。现代控制理论课程作为自动化专业的必修课程，许多高校相关专业都在其教学方面作了深刻的研究和探讨[3][4]。现代控制理论课程的教学改革在提高自动化专业学生的专业能力方面起着非常重要的作用，结合近几年的教学实践，本文针对该课程理论教学和实验教学过程中存在的一些问题展开相应的研究和探讨。

1 现代控制理论教学现状

现代控制理论课程是自动化专业的核心课程，该课程分为理论教学和实验教学，而当前在大部分高校中该课程培养方案均侧重于理论教学，对于该课程的实验教学却要求较低。现代控制理论课程主要是以状态空间为基础，研究系统建模、系统分析和系统设计三个方面内容：系统建模指根据实际系统建立系统数学模型，主要是指系统的状态空间描述，它是系统分析和系统设计的前提；系统分析又分为定量分析和定性分析，前者主要指直接对状态方程的求解，从解向量中研究系统的运动特性，后者主要指系统的稳定性、能控性和能观性；系统设计主要指极点配置、观测器设计和最优控制等问题。该课程整体而言，教学内容较多，概念抽象难懂，数学运算复杂，比较难以学好。

目前，大多数院校开设的实验课程，仅仅是利用Matlab软件进行简单的仿真，内容简单、形式单一，对学生实践能力培养作用并不大。自动化专业作为工科核心专业之一，承担为社会输出高素质人才的重任，为适应当前高校教学改革新形式，借助互联网迅速发展的新契机，实现转型发展和服务地方，就必须建立侧重于应用，以培养高素质创新型专业人才为目标的培养方案。下面本文将针对现代控制理论课程的教学现状，从理论教学和实验教学两方面提出改革思路和建议。

2 现代控制理论教学改革

2.1 理论教学改革

2.1.1 优化教学内容 现代控制理论课程主要研究线性系统的动态行为和改变这一形为的可行性和方法，教学内容主要是根据实际系统抽象出数学模型，通过对数学模型的定量和定性分析，研究系统的运动规律，进而设计出满足性能指标的系统。根据前面提到教学内容可以知道本课程从头到尾是一个完整系统设计的全过程，考虑到一般情况下，学生学习本课程的学时并不足以学完全部课程内容，那么按照教学计划要求，必须对教学内容进行选择，通常将线性定常系统和离散定常系统分析作为必修内容，而线性时变及非线性系统分析作为课后选修内容。另外，本课程包含大量的定理及概念，而课程的学时不足以讲完所有相关教学内容，因此教学中必须在保证教学内容的严谨性和系统性的前提下，对定理的数学证明以及概念的公式推导尽可能的不去追寻其数学上的严密性。

2.1.2 改革教学过程 现代控制理论课程的教学内容偏向于理论学习，其内容涉及大量的概念和定理，要求学生对数学知识掌握较好，而对于很多学生而言，这正是他们学习的困难之处。如何通过改革教学过程使教学内容易懂，更容易被学生接受，从而提高课堂教学质量，以及让学生能够学习致用是我们需要思考的问题：

1) 引入应用背景，激发学习兴趣

现代控制理论的大多数教学内容都只是根据给定的数学模型做理论阐述和公式推导，很少有将问题的来源和应用背景解释清楚，如果教师在讲解的时候不做说明，仅仅就课本知识进行授课的话，学生面对就是对数学问题的求解，从而导致忽视问题本身，不清楚为什么要这样做，这恰恰违背了我们的教学目标。反之，若在讲解的时候，适当引入相应知识点的应用背景，不仅可以增进学生对知识的理解和认知，还可以激发学生的学习兴趣，提高课堂教学质量。以本课程中状态反馈极点配置这部分内容为例，适当的引入相关应用实例，如工业锅炉控制过程中，确定控制目标为输出热蒸汽的压力，考虑以影响因素如汽包水位、过热蒸汽温度、蒸汽压力及烟气含氧量构成状态向量，配置系统极点的目的就使系统的状态变量在控制信号的作用下运行到合适的位置，满足设计的要求。通过这样的讲解，学生不仅对所学内容及其应用有更深刻的认识，还可以认识到该教学内容与其它学科之间的联系，提高学生的学习兴趣。

2) 加强学科交叉，提高专业能力

随着社会的进步和发展，各种学科之间不再局限于单纯的某一领域的研究，而是学科之间相互渗透，形成你中有我，我中有你的局面，而且科学上的新理论、新技术以及新发明的产生大都是发生在学科交叉点或其边缘上[5]。现代控制理论是自动化专业的基础理论课程，作为从应用中发展起来的经典控制理论的拓展和补充，同样也与其它专业学科紧密联系，通过现代控制理论可以更加方便，简单和有效的解决这些学科中的一些问题，而通过其它专业学科的学习也为现代控制理论的发展创造条件。如果在课堂教学过程中片面的、孤立的去学习这些知识，不会灵活运用，最后的结果会是学而无用。因此，通过将这些不同学科的专业知识创造性的综合到一起，从各学科实际问题出发，用现代控制理论的思想去分析和解决这些问题，对提高学生的专业能力有很大的帮助。

3) 多样化教学手段，提高学习效率

随着科技的发展，如今大多数课堂教学都有条件采用多媒体教学，通过多媒体教学可以直观的、形象的把教学内容展示给学生，让学生能够更好的接受课堂知识，提高学习效率。同样对于现代控制理论这门课程而言，教学内容涉及到很多的概念，定理及数学公式，采用多媒体教学可以很清晰的将章节的重要内容直观、有层次的展示给学生，以避免传统的板书教学带来时间上的浪费。但是，通过几年的现代控制理论教学实践，发现在教学过程中存在一个严重的问题：本课程教学内容涉及到大量定理证明和数学公式推导，如果完全使用多媒体来教学，即使教师讲解非常仔细，但是也不是所有的学生都能够及时理解教学内容，跟上教师的进度，因为我们不可能将所有的内容都通过PPT给大家演示，尤其是定理证明。因此，在现代控制理论的教学过程中，适当的将多媒体与板书相结合，通过板书补足多媒体的缺陷，可以提高学生的学习效率。

随着信息时代的来临，逐渐普及的互联网对传统教育产生了巨大的影响，使得中国教育进入一场基于互联网的变革之中[6]。因此，思考如何充分利用互联网的优势，以传统教育为基础，变革教学手段，培养高素质人才是当前高校教学的重要任务。随着互联网的发展成熟，如今各种各样的网络教学平台、网络教学系统、网络教学资源、网络教学软件、网络教学视频也被越来越多的学生接受，通过这些丰富的网络教育资源不但促进了学生的进步，也对教师的教学理念产生重大影响，通过互联网许多在以前难以实现的教学手段也逐渐成为现实，同时，教学中师生的互动也不再局限于课堂，通过互联网可以突破时空的限制，使得学生与教师，学生之间几乎可以随意的沟通。对于现代控制理论这门课程而言，学生可以充分利用互联网的资源进一步学习本课程相关的专业知识，与其他学生教师交流学习心得。因此，通过互联网教师的课堂教学会变得更为自如，手段更为丰富，当学生在课堂上能够获得他们想要的知识，能够通过形象的画面和声音解开心中的各种疑惑，对课程的学习效率也会大大提高。

2.1.3. 完善考核方式 现代控制理论课程考核方式，通常是平时考勤和期末考试。平时考勤只能够反映学生有没有来上课，而不能够保证学生在课堂上真正学到知识，而期末考试也不能够全面的考察学生是否对所有知识点都掌握得很好。我们需要这样一种考核机制，既能够反映出学生每堂课程的学习情况，也要能够反映出学生对课程知识的掌握情况。那么，除了平时考勤和期末考试外，可以在平时的课堂教学过程中，通过课堂回答问题、课堂作业，及课堂实验等多样化的考核方法，来全面的考察学生，达到提高学生个人专业素质的目的。

2.2 实验环节改革

现代控制理论的实验环节是该课程教学过程中非常重要的一部分，通过实验环节可以提高学生对课本重点内容的理解和掌握，加强学生对知识的灵活运用，促进专业能力的整体提高。但是很多高校开设的实验课程内容和形式过于简单或者偏离实验的目的，不能够达到开设实验课程的预期目标。实验内容偏重于Matlab仿真软件的应用，只要求学生掌握相关的函数的应用，事实上，Matlab仿真软件只是我们用来分析和设计系统的工具，虽然它能够让学生更直观清晰的认知抽象难懂的教学内容，但不是我们学习的重点对象，所以在实验内容上需要抓住重点，有的放矢，以教学内容为核心，以Matlab仿真软件为手段，达到提高学生基本实践能力的目的。下面以状态反馈极点配置为例对实验改革提出思路和方向。

2.2.1 实验内容 首先，精选实验内容。实验内容不仅仅是课本上知识点简单的选取，既要能够突出整个教学内容重点，通过它又能够起到锻炼学生的目的。因此，依据现代控制理论教学内容的脉络，从系统的建模、系统分析和系统设计三个方面来选取实验内容，包括状态空间模型的建立、状态空间的求解、系统的稳定性分析、能控性和能观性分析、状态反馈极点的配置及观测器的设计等。其次，优化实验内容。实验内容要丰富全面，不仅在内容上要体现现代控制理论大纲要求，还要能提高学生的应用能力，在实验内容设置上，不能单纯的只把相关知识点作为考察对象，还应与本专业相关学科相关联，学科交叉融合，真正做到学以致用。例如上面状态反馈极点配置，在以前的实验过程中，只是要求学生利用Matlab仿真工具去按部就班的写程序代码，观察仿真结果，而不明白为什么要这样做。为提高学生的应用能力，我们可以通过给出某个应用环境，让学生自己去思考，结合理论知识去探索、总结。

2.2.2 实验形式 现代控制理论课程的实验过程一般都是在计算机上完成，利用Matlab仿真工具中的数据库，调用已经封装好的具有特定功能的函数来完成简单的代码填写。这样的实验形式对学生来说，即使实验内容得到改进，最终的实验目标也会达不到要求，结合现今社会提出的“互联网+”，在实验形式上也需要结合新技术、新手段，给传统的实验形式注入新活力。为此，针对本课程新的实验形式提出下面几点建议：

1) 建立开放式网络实验平台。如今，手机、电脑和互联网基本上已经普及到全部学生，与以前学生必须在学校机房做实验相比，只要建立好完善的网络实验平台，学生可以充分合理利用时间，自主的进行实验，可以做到边学习边练习；

2) 建立丰富的实验资源库。一方面，学生可以利用该资源库查询到丰富的实验数据，不再局限于本校的实验项目，可以拓宽视野，加深理解；另一方面，实验教师也可以通过实验资源库中的大量的实验数据，对实验进一步完善，提高实验准确性；

3) 建立实验网络交流平台。学生通过网络在线交流心得体会，可以及时发现问题，解决问题，而且通过相互交流可以在一定程度上激发学生的创新思维，提高创新能力。

2.2.3 实验考核 实验考核是实验课程重要组成部分。只有通过考核，才能反映学生掌握知识和能力的实际情况，以及成绩的好坏。因此，在对实验内容和实验形式提出改革的前提下，实验考核的方式也需要与时俱进，更具科学性和创新性。对于现代控制理论实验课程而言，传统的实验考核主要由教师检查学生的仿真结果是否符合要求，以及考察学生平时的出勤作为学生的最终成绩，这种考核方式并不能够全面真实的反映学生的实际掌握情况。以传统的考核方式为基础，以网络实验平台为核心，创造性的运用新技术，建立完善健全的考评制度，利用网络的实时性及交互性，全面真实的对每位学生进行考核。

随着社会的发展和进步，对高校人才培养不断提出新要求，为了提高人才培养质量，结合现代控制理论课程的教学现状，本文分别从该课程的理论教学和实验教学两个方面对现代控制理论课程的进行教学改革探讨。在改革实践过程中，通过研究探索发现通过优化教学内容，改革教学过程，突破传统的教学理念，对课程的教学效果有较明显的提高。

[1]王传波.现代控制理论与经典控制理论的对比研究[J]. 机械管理开发,2006,03:6～8.

[2]施颂椒. 现代控制理论基础(第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009.

[3]郑志强. “现代控制理论”课程教学改革探索[J]. 实验室研究与探索,2013,32(11): 381～383.

[4]高红霞. “现代控制理论”实验课程建设思考与探索[J]. 实验室科学,2010,13(5): 15～18.

[5]马廷奇. 交叉学科建设与拔尖创新人才培养[J]. 高等教育研究,2011,06: 73～77.

[6]解继丽. “互联网+”引领教育改革新趋势[J]. 楚雄师范学院学报,2015,02: 85～88.

Discussion of teaching reform for modern control theory course

WU Bo,ZHAN Xi-sheng

(College of Mechatronics and Cortrd Engineering Hubei Normal University, 435002)

In order to meet the requirements of personnel training in university for social development, every university has researched and discussed extensively for teaching reform. Modern Control Theory is the basic course for automation specialty. In order to strengthen professional capacity of students, this paper take research on teaching reform between theoretical teaching and experimental teaching for some problems in the teaching of Modern Control Theory in normal colleges now, which including of optimizing the teaching content, reforming of the teaching process, improving assessment methods, improving the importance and reforming of the experiment. These reforms have been proved that it has good teaching effect on training high quality professionals in normal colleges through teaching practice.

modern control theory; reform of theoretical teaching; reform of experimental teaching; internet

2016—10—11

湖北师范学院教学研究基金项目(XJ201337)的研究成果

吴博(1985— )，男，湖北省黄冈人，讲师，硕士，主要研究方向是无线传感器网络.

G642

A

2096-3149(2017)02- 0097-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.02.021