《现代控制理论》课程教学的改革与建设实践
摘要：《现代控制理论》是自动化专业的主干核心课程，传统的教学方法注重理论讲解和分析计算，难度较大，学生不易掌握。为了提高课程的教学水平和教学质量，课程组以陕西省精品资源共享课程建设为契机，根据课程的学习目的和特点，从课程教材、教学内容和教学方法等方面做了一些改革和实践，提出了教学模式革新、理论与实践并重、综合能力考核的教学理念，取得了良好的建设成效。
关键词：《现代控制理论》；自动化专业；精品资源共享课程；教学改革
中图分类号：G642.0 文獻标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0109-03
一、引言
为了适应科学技术发展和创新型国家对高等院校人才培养质量的要求，各高校都在探索培养高素质的优秀人才的教学管理方法，达到培养质量提升、学生健康成长和创新国家服务的目的。《现代控制理论》是高等学校自动化、电气工程及其自动化和测控技术与仪器等电气信息专业高年级本科生开设的一门核心主干课程，也是机械电子工程、经济管理、装备制造与控制工程等专业选修课程。该课程主要讲授现代控制理论最基本的知识和方法，并注重知识内容与物理概念的融合，以及关注理论的工程应用。
《现代控制理论》的显著特点是其以状态空间法为基础，通过对系统状态变量的描述来实现一个控制系统的分析、设计与综合。《现代控制理论》利用矩阵运算进行了大量的理论讲解、分析计算和定理证明，容易引导学生误认为《现代控制理论》课程就是理论讲解、分析计算和定理证明的数学推导问题，掩盖了状态空间法的优越性和工程应用前景。有些教师在《现代控制理论》的课程教学中只注重理论讲解和习题解答，没有将理论与实践相结合，工程应用和实践能力差。例如，没有将Matlab引入实验教学方法或者没有开设实验课程，这不利于学生对所学理论的理解和应用。为了强化对学生创新能力和综合素质的培养，以适应当今社会对人才素质的要求，本课程以陕西省精品资源共享课程建设为契机，为了提高课程的教学水平和教学质量，根据课程的学习目的和特点，从课程教材、教学内容和教学方法等方面做了一些改革和实践，给出了教学模式革新、理论与实践并重、综合能力考核的教学理念，取得了良好的建设成效。
二、课程教学改革
1.教材革新。对于教学内容的改革首先应该从教材的选择开始，教材在一门课程的教学中具有至关重要的地位。一本好的教材应能够引导学生掌握课程内容的内在逻辑体系，体现了课程知识点和实践教学内容的本质特征。2015年以前，长安大学自动化专业、电气工程及其自动化专业的《现代控制理论》课程一直选用机械工业出版社刘豹主编的《现代控制理论》教材。
为了提高《现代控制理论》课程知识点的掌握，突出理论与实际的联系程度，强化学生的工程实践能力，课程教学组在总结十余年教学经验的基础上，并参考已出版的同类优秀教材，编写了《现代控制理论》讲义，经过在自动化专业3届学生中的教学试用，结合授课反馈意见，教学组将该讲义编写成《现代控制理论》一书，经过多次专家审阅与和修改，该书于2016年2月在机械工业出版社出版（如图1所示）。
2.教学内容革新。不同于其他应用类课程，《现代控制理论》课程内容较为抽象，公式推导和结论也较为严谨。因此，教授内容和知识点的选择需要进行相应的革陈推新，在保证课程体系结构清晰完整的前提下，着力将本门课程的基本概念、基本原理、基本方法及结论等内容进行清晰明确的讲授，防止定义、理论和结论的堆砌，并自始至终注意用启发式的论述方法，注重培养学生的思考能力和创新能力。在实际授课过程中，不仅要保证《现代控制理论》课程体系结构的严谨完善，还应重点就理论提出、证明过程和思路等内容进行详细诠释，并适当增加工程应用举例和前景的讲解，避免学生死记硬背和生搬硬套，使学生准确地理解基本概念、原理和结论。
在内容的选择上要抓住状态空间综合法的优越性，说明状态空间法不仅描述了系统输入—输出之间的外部关系，还揭示了系统内部的结构特征，是一种完全的描述。在讲授过程中，要注重对结构体系和重点内容的讲解，例如，对于状态空间模型的建立、线性定常系统的分析与设计以及控制系统稳定性分析等内容要详细给予讲解，而对于线性时变系统以及非线性系统的相关内容则简略介绍或让学生自学即可。因此该课程内容包括：掌握现代控制理论的时域建模方法（状态空间表达式）以及模型的规范描述形式；掌握系统性能的基本分析方法以及求解状态空间表达式、系统的稳定性分析以及能控性和能观性分析；掌握在时域进行反馈控制系统设计，包括系统的极点配置以及观测器的设计等，以及工程实践技能的提高。期望，通过本课程的学习，一方面使学生理解《现代控制理论》的基本原理与方法，掌握线性系统分析、控制器设计和实现的基本能力，为后续计算机控制系统、运动控制系统、过程控制工程等课程学习奠定基础；另一方面培养学生利用现代控制理论和计算机技术解决控制系统的分析和综合问题，以突出系统的思维方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，为工业控制系统开发与设计奠定理论基础为原则。
3.教学方法革新。（1）先进的教学模式。现代控制理论课程的内容包含大量复杂的公式和证明，传统的板书教学方法是教师边讲边用粉笔在黑板上书写讲稿上的内容，这种方式的教学过程不连贯、不紧凑，导致授课信息量太小，学生学习起来没有什么兴趣，导致教学效果不是很好。多媒体教学融合当代信息技术的发展成果，通过使用文字、图片、音频等资料来进行教学活动，不仅节省了教师授课时的板书写作时间，增加了教学的信息量，而且将虚拟的教学模式变成易于实现的形式，更加促进了学生对所学内容的认知与掌握，有助于提高他们学习的积极性。（2）把Matlab融入到课程教学。Matlab作为一种专业级的商用数学软件，在控制算法设计、仿真结果可视化以及高性能数值计算等方面具有独特优势，被广泛应用于控制理论的分析与设计之中。利用Matlab语言进行现代控制理论的计算与仿真，方便直观，这种有机结合能够提高学生的学习兴趣和积极性，可以达到满意的教学效果。例如，现代控制理论中用矩阵表示状态空间表达式，而Matlab的基本运算单元也是矩阵，用户在求解不同类型的控制问题时可调用许多预先定义的函数，而且Matlab还具有交互分析的能力，所以使用Matlab语言工具进行现代控制理论的计算与仿真是较为可行的一种手段。（3）强化课程实验环节。为了使学生加深对理论知识的理解，《现代控制理论》教学在第1—5章都安排了Matlab分析、综合和应用，并从工程应用角度出发，设置了三个具有代表性的课内综合实验，分别是“用Matlab完成车载倒立摆的分析与综合（必开）、线性系统的状态反馈控制及极点配置和直线电机倒立摆的调试运行与状态反馈控制”。另外，还为学生增加了第二课堂，包括控制系统课程设计与综合实验、控制工程实验室开放项目、大学生创新创业训练计划项目、产学研合作科技开发项目和全国大学生学科竞赛等，实现了课内理论学习与课外应用实践、课本知识学习与创新能力培养的有机结合，从而促进了学生专业知识和综合素质的全面发展。（4）优化考核方式。在考核时应加强对学生综合能力的考核，平时成绩评定时应将平时作业、课堂提问、小测验、出勤率有机结合起来作为平时成绩，在各个方面和环节上严格要求学生，并将平时成绩按照额定的比例算入总评成绩，注重对学生平时学习习惯和各方面的综合能力的培养，这样的考核，比仅仅依靠期末考试的方式更公平、合理，有助于良好学风的形成。
三、教学改革的特色与成效
长安大学自动化专业源于西安公路学院1978年设立的交通自动控制本科专业，已形成面向交通信息与控制、工业自动化、轨道交通信号与控制和智能仪器仪表等领域，培养从事产品设计、项目开发、应用研究、运行管理和經营销售等方面工作的高素质、宽口径、复合型的自动化科学与技术专门人才，至今已有40年的办学历史。自动化专业2006年获批陕西省名牌专业，2010年获批国家级第一类特色专业建设点，2011年获批国家级“卓越工程师教育培养计划”专业，并且是长安大学第1个首批试点专业，2012年被评为国家级综合改革试点专业。2016年获批陕西省高等学校创新创业教育改革试点学院。近年来，自动化专业教学成果显著，荣获国家级教学成果二等奖1项、陕西省教学成果特等奖2项、一等奖1项和二等奖2项。针对我校自动化专业的特点，我们组建了一支理工融合、专业互补的自动化专业教学团队，2014年被评为陕西省教学团队。在课程的开设上，秉承特色办学的理念，注重依托学院优势与强项，对教学内容、教学方法等进行深入改革。与此同时，充分利用施教专业学生逻辑思维和推导能力强的特点，在组织教学内容时，合理删减重复性的、学生掌握较好的证明部分，适当强化控制工程专业背景方面的内容，并以理学思维的方式进行阐述。经过3年的教学实践，学生普遍反映教学效果良好，并在以下方面形成了自己的特色。
1.学院内跨系部组建教学团队，有利于打破专业方向的壁垒，鄙弃门户之见，将理论与实践有机结合起来，使学生多方受益。
2.注重后续课程和已开设课程的衔接，强调开设课程之间的渗透及融合是其最大的特色，并有利于课程内容的优化整合。
3.加强以工程化思想为引导学习概念和方法。从绪论、导入概念、选取案例、设计实验以及适当穿插Simulink等多方面对控制背景进行渗透，有利于激发学生的学习兴趣，逐步培养学生的“问题驱动”下的研究型思维模式。
4.结合教师的科研背景和项目，将本学科热点领域的新方法、新成果和新应用介绍给学生，使学生在掌握本课程知识的基础上，逐步向研究型过渡，符合我校办学培养的宗旨。
5.以倒立摆实验为平台，加深学生对能控性、能观性、极点配置、状态观测器等基本概念的理解与应用，使理论授课与实验设计有机结合起来，在教授各阶段理论知识之后，对倒立摆系统进行建模、分析及控制器设计等，以提升学生的工程实践能力，增强他们对用所学理论知识解决实际问题的信心。
6.《现代控制理论》课程2014年被评为陕西省精品资源共享课程，2015年完成精品资源共享课程的全程视频录像，课程网站的链接地址为Http：//xdkzll.chd.edu.cn，课程网站首页如图2所示。
四、结束语
随着科学技术的迅速发展，高等院校应不断地更新专业课的教学内容、教学理念和实验平台，只有把新的知识体系和先进的教学手段有机结合起来，才能够适应时代的发展。另外，对于工科教学一定要突出实际应用背景，将理论与实际联系起来，并注重科学理念的培养。只有这样，高校的教育成果才能最大地发挥出来，达到培养符合我国现代化建设合格人才的目的。
参考文献：
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