线性系统理论实验教材建设的几点考虑

董海瑞　齐晓慧　毛琼

摘 要 针对线性系统理论课程特点，从全面性和系统性、应用性和针对性、拓展性和研究性等方面分析实验教材编写应注意的几个问题。

关键词 线性系统理论；实验教学；实验教材建设

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）06-0151-02

Abstract Based on linear system theory course features， in this text， some proceedings which should be attracted attention are analyzed in the compiling and writing on the experimental teaching-material.

Key words linear system theory； experimental teaching； expe-rimental teaching materials construction

1 引言

课程学习作为研究生培养的重要环节之一，一是可以奠定研究生的学科知识基础和专业知识基础，二是可以促进研究生的科研能力、创新思维的培养[1]。因此，要加强研究生课程建设，充分发挥课程教学的作用，强化研究生的创新思维、科学方法和学术素质的培养。

线性系统理论课程是军械工程学院控制理论与控制工程、导航制导与控制、检测技术与自动化装置等学科硕士研究生的一门重要学位课程。该课程内容多、公式多、方法多，应用背景涉及面宽，理论与实践联系紧密。针对工科硕士研究生，不但要求具有坚实的学科理论知识基础，还应具备学科实验的实践动手能力。正如在《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中提到的：“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神，普遍提高大学生的人文素养和科学素质。”[2]

因此，在新一轮线性系统理论课程改革中，课程内容体系包括理论部分、实验部分和方法论部分。与以往相比，本轮课程改革更注重研究生实践动手能力和科学方法的培养，可从两方面进行：一方面强调教学内容的理论性与应用性的有机结合；另一方面注重实验教学与理论教学的有机结合，促进理论与实践互动，进一步增强教学效果，加强运用所学知识分析解决问题能力的培养。

针对课程实验教学，课程组主要围绕实验教学体系构建、教学条件建设、教学方法研究等方面开展了一些工作。实验教材作为实验教学的依据，有助于研究生学习控制类课程相关实验的基本方法与知识，进一步学习和应用控制理论知识解决工程实际问题。因此，课程组在线性系统理论实验教材编写中，在紧密结合理论教学，针对研究生自主实验、研究探索等实验特点，围绕课程实验知识框架的构建、科研素质和创新能力培养等方面考虑的基础上，进一步注意教材的全面性和系统性、应用性和针对性、拓展性和研究性，把控制类课程实验的基本规律、实验方法与手段、思维方式融于教材内容之中，反映教学改革的基本要求，以及控制类课程教学的发展趋势。通过教材内容编排、实验形式创新，为开展多种模式教学打下良好基础。

2 实验教材的全面性和系统性

实验教材作为开展课程实验教学的依据，首先应注意内容的系统性和全面性，通过内容选取、实验类型规划、章节安排等，使研究生能够根据理论授课进度，有条理地自主开展实验。一方面，知识学习是循序渐进的，实验教材编写从理论知识验证到知识工程应用，从调动学习积极性到实践能力培养等方面考虑，注意实验的层次性，为研究生创设自主实验、拓展实验的条件。如在实验形式上安排有验证性实验、综合性实验和拓展性实验[3]：验证性实验是通过实验现象观察、实验数据分析，总结验证所学的理论知识，一类是基于ACCC-Ⅲ型实验装置的物理系统模拟仿真实验，另一类是基于MATLAB软件的数字仿真实验，同时将两类实验结果比较，有助于分析相关参数变化对系统性能的影响；综合性实验基于典型被控对象，综合运用所学理论知识、实验方法与技能解决问题，一般包括控制算法软件仿真验证和物理模拟仿真实验两个阶段；拓展性实验在于开拓研究生创新思维，培养研究生自主学习能力，以研究专题形式规划实验项目，利用MATLAB软件进行仿真研究。

另一方面，实验教学与理论教学相辅相成，实验教材内容体系与课程知识体系紧密衔接，依据课程理论知识规划实验教材内容。针对线性系统理论专题化教学内容规划[4]，

结合实验室现有条件，科学设置实验项目[5]，其中验证性实验安排见表1。物理模拟仿真实验针对给定数学模型，利用RC电路模拟控制系统，观察响应曲线，分析系统性能。MATLAB仿真实验针对各型控制对象，结合相应控制算法，利用函数命令编写程序或绘制SIMULINK模型框图，对控制系统进行仿真分析与设计。

3 实验教材的应用性和针对性

实验教学在于理论联系实际，培养学员运用理论知识解决工程实际问题的能力，所以实验教材的编写应注意应用性和针对性，使研究生“知其然”，更要“知其所以然”。一方面通过实验教学，研究生不但要具有实验基本操作技能，更应具备实验的基本方法和知识，为后续课题研究、科研等实验奠定基础。在实验教材中应规划实验的基本原理、实验注意事项和实验装置使用等内容。如：一是实验教材中规划有“实验基本理论与方法”章节，主要介绍了实验的典型测试信号、控制系统的RC电路模拟、控制系统性能测试方法、测试数据处理等内容；二是实验装置的介绍，即操作使用方法、使用注意事项等；三是针对具体实验项目要明确实验要求，便于研究生结合理论教学开展预习；要介绍正确完整的实验步骤和规划详细的实验记录，有利于实验开展，提高实验结果的科学性；要布置思考题，便于研究生针对实验数据、结果进行分析，强化与课程理论知识之间的联系。

另一方面，在验证性实验的基础上规划了综合性实验。实验教材中针对不同典型控制对象，如直线式倒立摆控制系统、旋臂式倒立摆控制系统、直流电机调速系统、小功率随动控制系统、四旋翼飞行器姿态模拟系统等，以附录形式介绍了控制系统的工作原理，以及系统调试、控制软件操作方法，便于不同学科研究生有针对性地从MATLAB仿真验证到计算机控制物理系统开展模拟实验。

4 实验教材的拓展性和研究性

实验教学不但要培养研究生的动手实践能力，还应注意研究生开拓精神和创新能力的培养，所以实验教材的编写应注意拓展性和研究性，具有创新思维的引导，提高研究生的实验积极性，灵活运用知识解决问题。一方面要注意实验教材内容的先进性[6]，体现国内外控制类课程教学的发展趋势，及时引入新的科研成果、新的实验知识等，使研究生在动手实验中能够掌握先进的实验方法，又促进创新研究能力的培养。如结合“2110工程”建设，针对四旋翼无人机构建的系列实验装置，按照单旋翼参数测量、四旋翼受力平衡分析、飞行控制系统建模、飞行控制器设计的仿真验证、飞行控制姿态物理模拟仿真的流程编写了实验内容。

另一方面要注意拓展性实验的规划，促进研究生对理论知识的理解掌握，同时为下一步课题研究工作奠定良好基础。一是结合MATLAB仿真实验，针对理论授课内容设计相应的实验研究项目，作为验证性实验的拓展研究[5]。如针对控制系统稳定性问题，在完成李亚普诺夫第一法和第二法MATLAB编程仿真验证的基础上，规划时变系统的“系数冻结法”稳定性研究内容等。二是结合综合性实验，注意引导学员开展不同算法的仿真比较，如结合直流电机调速系统引导学员进行PID控制、二次型最优控制等算法的设计与研究。三是规划了研究课题，注重理论知识实践工程运用能力的培养，如从系统建模、控制器设计、性能分析等方面，结合MATLAB仿真，研究倒立摆系统、某导弹制导控制系统等。

5 结束语

实验教材建设是课程实验教学的重要环节，直接关系到课程教学目标的实现。高质量的实验教材应该通过合理选取编排内容、科学安排实验形式等，体现实验教学的系统性、应用性、拓展性，满足研究生自主实验、研究探索的需求，促进实验效果的增强，有助于培养研究生的动手实践能力和创新能力。

参考文献

[1]包迪鸿，等.完善我国研究生课程教学的思考与研究[J].黑龙江高教研究，2005（6）：122-124.

[2]李兰等.我国研究生教育科研素质培养探究[J].中国冶金教育，2006（4）：79-81.

[3]董海瑞，等.线性系统理论课程实验教学探索[J].中国冶金教育，2013（12）：37-38.

[4]段广仁.线性系统理论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.

[5]齐晓慧，等.仿真技术在线性系统理论课程中的应用[J].实验科学与技术，2009（5）：99-101.

[6]楚随英，等.高校实验教材改革的研究[J].郑州航空工业管理学院学报，2005（2）：99-101.