基于应用型大学工程项目为导向的“现代控制理论”教学改革

文/韩娜妮 徐秀妮

“现代控制理论”课程是自动化专业的核心课程，根据目前的教学效果及学生的反馈，此课程的课堂教学和实验课程教学中依然存在很多问题：第一，教学模式陈旧，学生依然是被动地接受知识灌输，不利于学生知识的理解及创新意识和创造思维的培养；第二，“现代控制理论”课程理论性较强，对于数学等知识要求较高，导致老师平时讲课大部分时间用在公式推导上，忽视对学生工程实践能力的引导与培养；第三，由于“现代控制理论”课程理论性强，加上学院实验设备有限，目前开设的实验大部分是验证性的实验，缺乏和实际系统相关的设计实例。因此，如何在现有的实验硬件设备条件下，按照工程教育专业认证标准提高学生实践能力、培养学生创新能力，成为目前课程教学亟需解决的问题。

当前，关于“现代控制理论”教学改革的研究成果较多。潘俊涛[1]等提出一种基于便携式倒立摆的“现代控制理论”课程教学改革方案，改革方案将便携式倒立摆平台的控制系统设计流程与课程核心知识点进行紧密结合。周颖[2]等探讨了控制理论课程体系改革。韩娜妮[3]等研究了面向工程教育专业认证的“现代控制理论”教学改革，从理论课堂教学,实践教学及考核制度等方面提出了课程改革方案。祁玉梅[4]提出新的教学理念，翻转式课堂为主的教学策略以及多元化的考核方式，帮助提升学生的自主学习能力，工程实践能力以及科研创新能力。李凤霞[5]等结合中国石油大学胜利学院具体情况从教材选择，教学方法和模式，双语师资队伍建设等方面，对应用技术型高校自动化专业“现代控制理论”双语教学改革进行了探索研究。雷旭升[6]将无人机这类具有典型航空特色产品引入到““现代控制理论”与方法”的教学工作中，将抽象的理论与具体的工程项目紧密结合，促进学生对概念和方法的理解。高瑜[7]等探讨在专业认证的背景下，如何将实际工程问题融入控制理论课程教学过程中，加强工程教育与工业界的联系，达到提高毕业学生国际竞争力的目的，等等。

文章依照工程专业认证标准，以提高学生实践能力、培养学生创新能力为目的，对“现代控制理论”课程的理论课程和实验课程进行改革研究。从目前的教学效果表明，以工程项目为导向的教学方式，可以激发学生的学习兴趣，使学生能够更好地掌握所学习的理论知识，同时能够培养学生的动手实践能力，提高教学和学习效率。

一、研究内容

以提高学生实践能力、培养学生创新能力为目的，参考自动化专业人才培养方案，从以下几方面进行研究。

第一，教学理念及教学目标的正确定位。在工程教育专业认证背景下，基于应用型本科院校，对自动化专业的合理定位“现代控制理论”课程教学目标，是教学改革卓有成效的前提和保障。

按照应用型本科院校要求，课程教学应以培养应用型、技术技能型人才为基本职责使命。“现代控制理论”课程理论性强，以往教学中侧重理论概念的理解及公式的推导，忽略对学生应用能力及创新能力的培养。因此，如何对本课程的教学理念及教学目标进行正确的定位是本课题研究的前提。

第二，以工程项目为导向设计教学内容。首先，针对“现代控制理论”课程具体特点，从学生实际情况出发，分析学生学习特征。然后在学生学习特征的基础上，对目前所用的教材内容进行优化。目前，“现代控制理论”课程所用教材侧重基础理论，数学推导较多，缺乏实际工程项目案例，因此，对理论教学内容进行合理优化，是课堂教学改革的首要任务。

在理论课堂授课中，根据授课内容、学生实际情况，选择典型的实际控制系统，如常见的水箱液位控制系统、无人飞行器系统等，引导学生抽象出其具体的数学模型，并且利用所学理论知识分析研究其运动规律。通过让学生参与具体的实践训练项目，加深对所学理论知识的理解，真正实现“做中学”。

第三，构建创新性教学实验体系。实验环节是工科教学的一个重要环节，利用网络环境、计算机技术等技术，指导学生来完成实验系统的设计及执行。

由于课程特点及实验硬件条件的限制，目前的课程实验安排为8个实验，其中大部分是理论验证性实验，缺乏创新性实验。按照应用型本科院校要求，为提高学生的创新能力，培养学生的动手能力，利用相应软件及网络，增加实际案例的仿真实验。

另外，实验部分增加课程设计环节。按照目前的课程大纲安排，学生在“现代控制理论”课程之前，在软件应用及基本控制理论方面已经有了一定的积累。通过课程设计，学生不仅可以对学习的相关课程体系的知识进行综合性应用，同时，在课程设计过程中，通过对具体实际系统相关资料的查找、学习，而且可以增加学生对实际工程项目的了解，锻炼学生的应用能力，培养学生的创新能力。

第四，优化课程考核体系。按照课程特点，考核方式多样化，并且适当增大平时成绩在课程综合成绩中所占比例，如作业、实验和课程设计等。建立合理的考核体系，评价学生对所学理论知识的应用能力及解决复杂工程问题的能力，这也是准确诊断教学、发展教学、促进改革的重要保障。

二、研究思路和方法

为培养学生的实践、创新能力，本课程研究以MATLAB软件为基础，以实际案例为驱动设计教学内容，以工程项目为导向设计实验教学，具体如图1、图2所示。

图1 “现代控制理论”课程理论教学体系

图2 “现代控制理论”课程实践教学体系

图1是“现代控制理论”课堂授课体系。在“现代控制理论”课程教学活动中，以相关的基础理论知识为基础，以实际案例为驱动设计教学内容。学生在教师的组织和引导下，自主学习相关知识。理论教学负责从实践案例中建立系统的数学模型，利用相关理论知识分析系统的运动特性及控制特性。然后将学生分成小组，以小组为单位，按照要求完成实际案例的构思、设计和实施，进行讨论、协作学习，以达到对所学知识的融会贯通，从而培养学生的团队协作能力、提高学生对未知知识的探索能力。在整体学习过程中，教师随时根据学生的反馈调整教学计划。

图2是以工程项目为导向的实验教学体系结构。在图2所示的实验环节中，针对不同的工程项目，利用MATLAB软件，引导学生自主学习，进行系统建模与分析。在基础理论实验中，通过软件仿真，进一步理解、掌握理论知识。在综合仿真设计及综合实验中，通过具体的工程项目，如水箱液位系统、四旋翼飞行器系统等，指导学生进行系统建模、分析和设计。以4至6人小组进行工程项目实验，设计团队的工作理念。通过互相协作，共同完成实验项目的设计和实施。在这个过程中，既锻炼了学生的实践能力，又培养了学生的团队合作精神。

三、结语

为培养学生的实践、创新能力，文章以实际案例为驱动设计教学内容；在实验环节中，以工程项目为导向，利用MATLAB等软件，进行实验课程的改革。通过教学改革，学生不仅充分理解、掌握理论知识，并且通过实际案例和工程项目，锻炼了学生的实践能力，培养了学生的创新意识。