理论与实践相结合的“现代控制理论”课程研究性教学方法初探

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院 上海 200093）

0 引言

“现代控制理论”是为自动化的一门非常重要的专业基础课程，该课程在自动控制理论的基础上，学习状态空间方程、系统的能控能观和稳定性，以及系统的极点配置、解耦、最优控制等问题，培养学生在面对工业系统时，建立系统分析模型、分析设计控制器的能力，为后续的课程学习打下良好的基础。该门课程涉及较多的矩阵论、高等数学、最优化等知识，理论性较强，而且课程内容较多，又多是公式的推导，非常的抽象，这些原因共同作用，对于学生课堂学习效率的提升，从理解能力、应用能力以及创新能力等方面都存在一定的难度。在建设应用型本科和社会对创新人才客观要求的双重需求下，如何有效提高学生对“现代控制理论”课程学习的兴趣，形成良好的教学效果，是一个具有重要理论与实现意义的课题。

为了调动学生的学习积极性，本论文将具体案例引入课堂教学，通过理论与实践相结合的策略，实现“现代控制理论”课程的研究性教学策略。研究性教学策略与传统教学策略的最大区别在于，其更多的关注在学习过程、知识应用以及学生的参与程度上，能够更为有效的培养学生的兴趣，将学生牢牢的吸引在课堂之中，激发学生的研究能力和创新能力，引导学生将理论知识用于实际应用中，使学生能够将课本所学与工程实践相结合，实现应用型大学教育的目标，满足社会发展对高校培养高素质的创新人才的客观要求和大学生全面发展的现实需要。

1 存在的问题

1.1 课程内容涉及理论知识多且难

教学内容上，课程内容的理论性强，以“线性代数”、“自动控制原理”、“高等数学”等课程为基础知识，而这些先修课程本身就比较有难度，很多学生掌握的并不扎实，即使掌握扎实的同学也可能是仅仅会做题目，并不能很好的应用在其他相关课程上，甚至出现很多知识已经忘记的情况。换句话说，现代控制理论课程要求学生具有扎实的专业基础和较强的数学推导能力，并能够将已有的知识熟练的进行运用，对于很多学生来说学习的难度较大。

1.2 教学形式单一

教学方式上，由于这门课程涉及的很多知识和定理是通过严密的数学推导得到的，因此理论和结论并不直观，要求学生通过思考得到相应的定理是有难度的。因此，常用的教学方式是以讲授为主，通过一系列的数学推导将定理传授给学生。但是“填鸭”式的灌输过程由于将现成的结论告诉学生，造成学生不主动地进行思考和分析，同时在讲授定理的过程中，由于相对枯燥，而且内容难度较高，造成同学因为看不懂而走神甚至不愿意学习；教学效果上，学生只是通过死记硬背记住了若干公式定理，并不理解这些公式定理的内涵，不明白这些公式有什么用处。面对工业实际时，难以运用相关的理论去解决实际的工业控制问题，甚至搞不清楚哪一个才是控制器。

1.3 课程实践内容较少

现代控制理论课程中由于课时等原因，将主要精力用于传授理论知识，缺少实践应用，这就造成了两方面的现象：一是学生只知道点不知道面，不知道一个具体的理论如何在现实中进行应用。比如，在讲授构建系统反馈时，很多同学会困惑，我得到的新系统还是原来的系统么以及在真实情况下的系统反馈是什么样子的。二是由于缺少应用，如果这门课程不落实在具体的应用上，学生没有直观的认识，那么就造成学生对这门课程的不了解，进而导致不感兴趣，对课程的学习具有抵触情绪。

1.4 手机等电子产品易分散精力

随着智能手机的普及，手机除了通话、短信等传统功能外，更有娱乐视频、游戏应用等各种功能，这些都比枯燥的课程学习内容要更为有趣。经常会出现的一种情况就是，手机的微信声音一响，学生就赶紧看一下手机，但是我们的课程公式的推导都是一步挨着一步的，而且内容较难，涉及的理论知识较多，学生走神两分钟，后续的知识就听不懂。也就是说，相对较难的内容和智能手机的普及，导致学生听课的专注度不高,部分学生难以掌握课程内容。而且，学生们课下玩手机的时间也普遍比较多，一个人的精力总是有限，这导致仔细琢磨课程内容的时间变少，以至于即使部分学习努力的同学虽然能记住了各个章节的理论知识,但并没有去深入的思考和琢磨课程内容，缺乏对内容的深刻理解,也很难将其与工程实践有效结合，与应用型本科的培养目标相违背。

2 改进的方法

在现代控制理论教学过程中运用研究性教学方法，通过案例教学、理论与实践相结合策略，培养学生的创新精神，提高学生自主分析问题、设计解决方案的能力。

2.1 案例教学方法

由于现代控制理论课程包含了众多抽象晦涩的定理和公示，直接填鸭式的灌输这些知识给学生，往往造成教学效果差等情况。因此，在研究性教学过程中，我们设立倒立摆、球板系统、汽车悬架系统等案例，通过对这些案例系统的建模、分析和控制，将我们课程中所学的知识，比如反馈、观测器、最优控制等概念都用在这些实际的系统上，学生可以感受到我们所学的现代控制理论就是从我们日常生活和社会需要中来的，并不是抽象的、虚无缥缈的。

2.2 复杂理论形象化

现代控制理论课程学习中，很多同学只关注在记住理论的公式本身，而不注意为什么是这样子的公式，这个理论背后表征的物理意义是什么，因此对本门课程的意义缺乏深入的和形象的认识。因此，在讲授某些难以理解的知识点时，通过引入生活中的例子，方便学生的来掌握。例如，笔者讲到什么是可控时，会用“可控就是可以控制”这种语言向学生进行解释，而不仅仅是介绍课本上严谨但晦涩的概念；在教授李亚普诺夫稳定性时，笔者会从能量的角度出发介绍李亚普诺夫第二法背后蕴含的物理意义。通过复杂理论形象化，学生会有直观认识，对理论学习有促进作用。同时，在理论讲解时，由于课时的原因，既然增加了案例教学和复杂理论形象化的内容，那么我们将弱化一些理论的推导过程，取而代之的是给以自学材料，让学有余力和兴趣浓厚的同学自已学习公式和理论的推导。这样做的好处是：一方面避免因为枯燥而过难得理论推导影响部分同学的学习兴趣；二是留出足够的课时给案例教学和形象教学。

2.3 考核机制多样化

研究性教学策略具有关注在学习过程、知识应用以及学生的参与程度上的特点，而传统的考核机制更为侧重学生的应试能力，不关注学生的学习过程和创新能力，存在着评价方法单一化的问题，难以适应研究性的教学策略，因此需要设计相应的考核机制。同时，合理的考核机制也会进一步推动学生的学习热情。

在现代控制理论研究性教学策略的探索中，采用多种评价手段评价学生的综合素质，如通过平时作业、项目研究、实践分析、撰写论文、答辩讨论等，考核学生的综合素质和创新思维。同时，考试中减少细枝末节、死记硬背的命题形式，而转向开放的创造性的问题。

3 结论

针对传统“现代控制理论”课程脱离实践、过于抽象的弊端，通过设计案例教学方法、复杂理论形象化、考核机制多样化等教学改革策略，形成“现代控制理论”课程理论与实践相结合的研究性课程教学氛围，将学生牢牢吸引在课程上，使学生能够将课本所学与工程实践相结合，实现应用型大学教育的目标，满足社会发展对高校培养高素质的创新人才的客观要求和大学生全面发展的现实需要。