应用型人才培养模式下现代控制理论课程教学改革探讨

陈衍峰

(通化师范学院 数学学院，吉林 通化 134002)

现代控制理论课程是高校数学与应用数学专业本科生开设的专业课程之一，也是自动化、运筹学与控制论等专业研究生的最优控制理论等课程的基础．现代控制理论课程是从实际系统中抽象出来的数学模型出发研究系统本身的运行规律，其理论性与工程应用性很强．该课程的开设将为学生后续进行各种实际控制系统的分析、设计提供坚实的理论基础，具有十分重要的意义．

应用型人才培养模式要求高师院校数学教育要夯实专业基础，拓宽专业口径，加强学生素质教育，注重学生创新能力培养和个性化发展，要树立理论联系实际、强化实践教育的思想，教育方式也要从原来的教师为主体过渡到以教师为主导，学生为主体，同时对教学内容和课程体系进行相应的改革．这对传统的现代控制理论课程教学是极大的挑战，如何在应用型人才培养模式下进行现代控制理论课程教学改革是一个值得研究的课题．

1 现代控制理论课程教学中存在的问题

1.1 内容多，学时少

现代控制理论课程内容主要包括：控制系统的状态空间模型、传递函数和状态空间模型间的转换、齐次和非齐次状态方程的解、系统能控能观性的对偶原理、李雅普诺夫稳定性原理、线性系统的稳定性分析、稳定化状态反馈控制器设计和极点配置等．课程标准规定课时为50学时，学时偏少．为了完成教学内容，往往采取满堂灌的形式授课．这种教学方式使学生经常处于被动学习的地位，容易产生思维上的疲劳和情绪上的抵触，学习的积极性、创造性、主动性、灵活性得不到充分发挥，难以提高探索和获取知识的能力．

1.2 重理论，轻实践

现代控制理论课程的中心任务是提出并研究用数学理论方法有效地解决工程实际问题．它一方面是数学，其研究手段包括数学推导、分析、论证和计算．另一方面，它又是一门系统的科学理论，任何问题的解决都需要通过联系实际应用的系统知识，通过程序设计来实现．因此，现代控制理论教学的目的是培养学生既要有扎实的理论基础，又要有解决实际问题的能力．但是传统的教学模式往往只注重讲授原理，对于实践环节的教学不够重视，使得学生不能全面地理解和运用书中的理论知识，而仅停留在要求学生用现成的程序求解或证明课后习题这一基本阶段．学生对课堂讲授的知识理解得不够深，难以将其自觉运用到实际中．由于过多地强调数学理论，缺乏对控制理论实际工程等背景的介绍，学生感到这门课抽象难懂、枯燥无味、难以掌握，学习的兴趣不高．

2 现代控制理论课程教学改革中应该坚持的原则

2.1 以需求为牵引，保持课程可持续发展

数学学院的现代控制理论课程最早开设于2006年，至今已走过8年的历程，取得了一些成果，要想保证课程的可持续发展，必须坚持以应用型人才培养需求为牵引的原则．

随着社会的飞速发展，高校人才培养模式不断变化，高等教育改革在如火如荼地进行．学校的人才培养目标从传统培养“专才”转变为培养发展型、应用型的具有较强实践动手能力的“通才”．这对人才培养提出了新的挑战，传统的教学理念、课程体系、教学内容等已经不能完全适应今后的人才培养目标，这对现代控制理论课程提出了新的更高的要求．我们要跟紧全国高等教育改革的步伐，继续为社会各行各业培养合格的新型人才．因此，必须加强培养应用型人才的现代控制理论课程建设，同时，也要建立系统、完善、多层次、多角度的现代控制理论教学体系．这样，才能保持这门课程的可持续发展，避免被淘汰的尴尬，为社会培养急需的高素质人才．

2.2 以质量为核心，保证课程改革协调发展

课程改革的协调发展应该从课程的规模、质量和效益的协调发展及满足社会发展对人才的需求上体现出来．而从规模、质量、结构和效益及发展的整体效应来看，课程改革的核心是质量，如果课程改革不讲究质量，那么，课程建设的规模再大、结构再完善，也形同虚设，无法培养出真正的应用型实践性人才，更无法为社会服务．因此，在现代控制理论课程改革中，要坚持以质量为核心的原则，保证课程改革的协调发展．

3 现代控制理论课程教学改革采取的措施

3.1 改革教学内容

以培养应用型人才的实践能力为核心，建立适合专业特色的教学改革模式．对课程结构整体优化的基本改革方向是：打破纯基础理论为中心的课程结构，实行课程知识和能力综合的课程结构．在纵向结构上，根据学生已有的知识水平和能力范围，调整原有的现代控制理论课程内容体系，减少重复内容，加强必要的应用数学软件技巧训练(如：Matlab仿真和实验等)，训练和提高学生的逻辑思维能力、创新能力．在横向结构上，为适应现代高技术条件下不同学科、不同专业领域的交叉、渗透发展趋势，在不损害课程结构的纵向关联性，不削弱课程自身的逻辑性和完整性的前提下，依据学科特征，打破其自我封闭的状态，汲取多种控制论教材的优点，在淘汰陈旧内容的基础上，更新教材内容，扩大知识面．

现代控制理论课程内容多，学时少．因此在选择教学内容时，要以实际编制的教学大纲为依据，在兼顾各种实际要素的前提下，精选重点教学内容，讲授最基本的概念和原理、方法，将其弄懂讲透，其他部分内容指导学生自学，课上和课后有机结合，基础理论+实际运用(实例分析和计算机编程)能够更好地展现现代控制理论课程的特点．

3.2 改革教学方法

教学方法的改革要突出现代化特征，体现现代教育理论、思想和观点，贯彻教师的主导作用与学生的主体作用相统一的教学原则，把学生当成知识的主动加工者，大力提倡启发式、讨论式、精讲多练和自学的教学方法．教师应潜移默化地使学生掌握思想和方法，在学习和发现中提高学生的应用创新能力，让学生在探索活动中不断提高解决问题的科学思维方法．改革传统的以传授知识为主的“逻辑-演绎”式的教学线索，引入体现知识实际发生、发展的“历史-活动”式的教学线索和展现创造性思维心理过程的“心理-认知” 式的教学线索，并将三者整合为一．这样使学生在获取知识和逻辑思维能力的同时，充分体现逻辑和非逻辑整合的创造过程，培养以创造性思维为核心的实践创新学习能力．

现代控制理论内容多、应用性强．教师要利用经典控制理论物理概念明确、工程意义强的特点，突出现代控制理论的物理概念和工程背景，引导学生走出现代控制理论是纯粹数学推导，不易建立工程概念的误区，让学生觉得教学内容思路清晰，概念清楚，分析、处理问题方法简洁．在教学中还要注重理论联系实际，引入工程实例，通过对实际系统的讲解，引出抽象的概念和理论，从而使学生更容易理解和掌控．例如利用倒立摆平台进行直观演示，指导学生完成倒立摆的系统建模、分析及控制器设计等，提高学生的工程应用能力．

随着计算机技术的发展，计算机的应用已涉及到当今社会的各个领域．现代控制理论教学改革中，可以利用计算机、应用数学软件开展实验教学，让学生在学习控制理论相关教学内容的过程中，将遇到的抽象问题通过Matlab等在计算机上逼真地演示出来，使数学问题由抽象到形象、具体，降低了数学学习的难度，同时也提供给学生一个形象展示抽象问题的有效方法，提高了学生的学习兴趣，进而提高教学效率和学习效率．

3.3 优化教学手段

教学手段其本身就是现代科学技术发展的产物．现代教学技术为数学这一思维提供了一个崭新的课堂教学模式，将现代教学技术和科技成果充分用于现代控制理论课程教学，开发和推广相关的计算机模拟、计算机仿真、CAI等各种教学软件和系列电视教学片．

现代控制理论中有很多非常有用的系统分析方法，如状态空间表达式的求解，传递函数与状态空间模型之间的互化，系统能控性、能观性和稳定性的分析，控制器的设计等，使用这些方法时主要是算术运算，运算量极大，手工难以完成．每讲一个具体方法分析实例，要写很多板书，加上中间的算术运算，需要耗费很长时间，这势必影响教学效率，通过数学软件则可以方便快捷实现．在教学课件中插入利用数学软件编写的程序，边讲边演示，可以实现实际系统的数学模型表示．学生利用数学软件进行二维和三维图形的制作和演示，更容易理解和掌握关于现代控制理论的系统分析方法．可见，在借助多媒体课件讲授时，教师可以省去板书的时间和精力，把重点放在讲解和推导上，使教师可以更多地注意课堂教学内容的组织和讲授，增大课堂信息量，提高教学效果和教学质量．当然，在教学过程中还要处理好现代化教学手段和传统的黑板媒体之间的协调使用，尤其是某些概念的引入、基本原理、方法和技巧，必要时还需要借助板书进行演示，这有利于学生的理解和掌握．

3.4 改革考试方式

传统的现代控制理论考试方式以闭卷考试为主，平时考勤为辅．这种考试方式有其优点，考试组织方便，对学生学习评价标准统一，当然也存在不足，学生一般等到考前根据教师讲解的重点用功学习，死记硬背，不能真正学到知识．而且笔试反映的是学生对理论知识的掌握程度，不能反映学生的应用能力和创造能力．要与应用型人才培养模式相适应，就要对现代控制理论考试方式进行改革．可以采取以下两种方式：第一种是平时测评与期末考试相结合，平时测评占20%，期末考试占80%；第二种是开卷考试和闭卷考试相结合，由于数学公式和定理多，可以要求学生将比较重要不好记忆的公式和定理写在纸上带进考场，减轻学生负担，将更多的精力投入到对知识的重点、难点进行理解、归纳和总结上．

总之，应用型人才培养模式框架下的现代控制理论课程教学改革转变了教师的教育思想，不仅突出了课程本身的基础地位，而且突出了对学生创造性思维的培养．现阶段，现代控制理论课程对于当代科学乃至整个社会的影响和推动作用日益显著，在现代控制理论课程的教学实践中，要积极推进教学各方面的改革，真正把素质教育落实到教学当中去．

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