新工科背景下《现代控制理论》教学改革与教材建设

【摘要】    为了适应新工科对人才提出的新要求，加强学生工程应用能力的培养，本文依托陕西省精品在线开放课程建设项目，从教学方法、教学内容、课程过程化考核和教材建设等方面对《现代控制理论》课程做了一些改革和实践，取得了良好的建设成效。

【关键词】    新工科    现代控制理论    教学改革    过程化考核    教材建设

引言：

为了适应新工科对人才提出的新要求，必须加强工科课程的教学改革和创新，同时加强适应新工科要求的教材建设[1-3]。

《现代控制理论》是我校自动化、电气工程及其自动化等专业的一门重要专业基础课程，又往往是控制科学与工程及相关学科的硕士生入学考试的课程。本课程讲授了现代控制理论的基本知识及方法，以及相关理论在工程中的应用。该课程以状态空间描述为基础，对系统进行分析和綜合。《现代控制理论》中有大量的定理、定义以及对定理的证明，理论性强，学生在学习中容易陷入到对理论的理解和对定理的证明中，而忽略了这些理论在工程中的应用[4]。

目前我校的现代控制理论的课程尚缺乏一本适合我校学生的新工科理念的《现代控制理论》教材;教学方法单一;课程中没有教授用Matlab分析和设计控制系统;学生的成绩评价方法单一，缺少过程性评价，教师不能及时掌握学生对知识的掌握情况[5]。

鉴于以上原因，迫切需要对《现代控制理论》课程进行教学改革，建设适应新工科要求的教材，以便更好地培养学生的工程应用能力。本文依托陕西省精品在线开放课程建设项目，优化和建设教学资源，改革现有的教学方法，开发适合新工科需求的、有利于提高学生工程应用能力的《现代控制理论》教材。

一、新工科背景下《现代控制理论》的教材建设

为了使学生更好地掌握《现代控制理论》的知识点，强化学生理论联系实践的工程应用能力，课程教学团队总结了二十多年的教学经验，并参考了现有的《现代控制理论》教材，编写完成了《现代控制理论》校内讲义手稿，经过在本校自动化、电气工程及其自动化等相关专业试用，不断总结和改进，多次聘请专家修改和审阅，完成了该教材的编写，目前该教材初稿已经交送给出版社，计划于2021年9月出版。该教材结合自动化类及相关专业本科生的知识结构和今后工程应用的需要，以现代控制理论的状态空间法为主线，主要介绍控制系统的分析和综合，包括动力学系统的状态空间模型、动态系统的定量分析（状态方程的解）和定性分析（能控性、能观测性及李雅普诺夫稳定性方法），以及动态系统的综合（状态反馈与状态观测器设计）等主要内容。鉴于Matlab已成为国际控制领域应用广泛的工具软件，该教材在保证理论知识体系完整的前提下，每章加入了Matlab应用和相应的工程应用案例。

同时教材每章都以一阶倒立摆作为工程实例，使学生在学习理论知识的同时，将理论应用于解决工程实际问题，培养其工程应用能力。

同时借鉴参考国内外优秀教材，引入了较多的工程应用实例，这些工程实例有，磁盘驱动器读取系统、潜艇的深度控制、自动检测系统等，以便培养学生学以致用的能力。教材中每章的课后习题都有基础题和提高题目，使学生既能夯实基础又可以巩固提升。教材的附录中给出了现代控制理论相关术语的中英文对照以及现代控制理论关键定理的英文定义。

二、SPOC模式下的《现代控制理论》教学改革

2.1 教学理念与教学方法改革

对于本课程中的一些关键知识点，比如状态空间表达式、控制系统的时域分析、线性系统的能控性与能观测性、状态反馈与状态观测器等引入“MOOC（SPOC）+翻转课堂”模式，其余教学内容采用传统教学模式，将传统教学模式和“MOOC（SPOC）+翻转课堂”模式有机结合，既充分调动学生自主学习、乐于展示自我的意识和能力，又防止可能会有部分学生不适应或在短时间内不适应翻转课堂这种新的教学模式，从而导致跟不上课程的节奏和进度，学习压力大，反而对学习热情和学习效果起到了负面作用。

突出以“学生为中心”。学生首先要转变思想，将原来“满堂灌”式教学中被动学习变为主动学习，学生成为课堂的主体，积极参与课堂教学活动[6-8]。

学生在上课前通过学习通或中国大学MOOC等平台查看并完成网络自学任务，接着完成作业，并上传或提交给老师。课中，首先教师对课程的重点和难点内容进行讲解，然后让同学们对课前的大作业进行充分讨论，在讨论中教师引导学生解决作业中的问题;对于像矩阵A的特征值和特征向量这样简单或在其他课程中接触过的内容，让学生分组分任务讲解该部分内容，教师作为辅助角色，在学生没有讲解清楚或有误的知识点，引导学生解决问题。课后，学生针对在课堂中未掌握的知识点，可以通过观看中国大学MOOC中本校的《现代控制理论》在线开放课程进行查漏补缺，也可以通过课程平台提问或讨论。

2.2充分利用MOOC资源优化课程教学内容

本课程的在线学习资源结合本校自动化专业的人才培养方案，采用课题组在中国大学MOOC平台建立的现代控制理论课程。

1.对教学大纲中规定的重点、难点内容，如基本概念、基本原理和基本方法，利用MOOC资源，设计问题，让学生带着问题在网络上先自学，上课时教师在讲深讲透这些内容的同时，引导、启发学生讨论提前布置的问题，课堂上实现翻转课堂，让学生自己讲授，或者和同学们讨论这部分教学内容，以便使学生更好地掌握这些重点难点内容。

2.对于教学大纲中只做了解和一般性了解的内容，采用设疑+线上自学+提问+总结的模式，即提前将问题留给学生，让学生利用MOOC资源自学，上课时教师引导学生回答问题再总结，这样可以充分利用课堂时间，达到在削减学时的同时，保质保量完成教学大纲要求的内容。

3.将Matlab引入到课程中，使学生能直观理解控制系统的分析和设计。

2.3淡化数学推导和证明

对于该课程中的有些理论推导较繁琐的内容，比如能控性和能观测性的Gram矩阵判据等，授课中改变现有板书教学方式，采用多媒体教学，充分利用MOOC资源，补充网络资料，让学生在线上自学，教师在线下引导学生对这些内容进行学习，淡化数学推导和证明，突出工程应用。

2.4推行课程的过程化考核方式

教学过程中采用过程性评价方式，教师可以隨时了解学生对知识的掌握情况，根据课程的过程性评价数据，及时调整授课方式和进度，从多环节多维度考察学生的学习成效。

本学期现代控制理论课程考核方式采取线上成绩和线下成绩相结合的方式，包括平时成绩占30% ，作业成绩占20%，期末考试为线下成绩占50%。其中平时成绩包括线上成绩和线下成绩两部分，包括签到、课堂测验、中国大学MOOC线上视频学习、课堂讨论、抢答等，每次上课通过学习通平台进行学生线下课程的签到，并通过学习通平台发布随堂测验，学生的作业分为线上作业和线下作业，线上作业学生通过学习通平台提交，由老师进行批改得分。

四、结论

根据新工科建设的要求，结合《现代控制理论》课程教学实践，阐述了教学方法、教学内容、课程过程化考核、教材建设等方面的一些改革和实践，通过课程建设和改革，增强了学生的学习兴趣和自主性，促进了学生综合素质的提升，培养了学生的工程应用能力。

参考文献

[1] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[2] 曹婷，曹原.“新工科”背景下通信原理的课程优化[J].价值工程，2018，37（03）： 258-259.

[3] 张青春，纪剑祥，陈云.新工科背景下自动检测技术课程教学改革与教材建设[J].教书育人（高教论坛），2018（24）：92-93.

[4] 闫茂德，柯伟，杨盼盼.《现代控制理论》课程教学的改革与建设实践[J].教育教学论坛，2017（17）：109-111.

[5] 韩静，梁春英，怀宝付，刘超，许秀英.基于学习通的现代控制理论课程研究性教学模式探索[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2018（04）：7-8.

[6] 王竞梅.基于SPOC的开放大学混合式教学模式的构建与实施[J].中国职业技术教育，2019（26）：78-82.

[7] 曾明星，李桂平，周清平，覃遵跃，徐洪智，张彬连，黄云，郭鑫.从MOOC到SPOC：一种深度学习模式建构[J].中国电化教育，2015（11）：28-34+53.

[8] 梅烨，罗敏，田艳芳，等.《电路分析》课程教学的改革与建设实践[J].教育教学论坛，2016，（37）：122-123.

基金项目：陕西科技大学2019年教学改革研究项目（19Y074）;陕西科技大学2020年一流本科线上线下混合式课程建设项目

亢洁（1973-），女，陕西省潼关县人，副教授，博士，主要研究方向为机器视觉和智能控制方面的教学和研究工作。