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数智化背景下“现代控制理论”课程教学改革探索

2024-08-10赵昱宇王雨潇

科教导刊 2024年21期

摘 要 数字化和智能化技术的发展对“现代控制理论”课程教学提出新要求。文章在分析“现代控制理论”课程教学现状与存在问题的基础上,以智慧教学平台为载体,从改进教学模式、强化实践探索和融入新兴技术等多方面进行教学改革探索。通过优化教学资源、加强教学互动、改善学习体验、工程应用和专业深度融合,激发了学生的学习兴趣与学习动机,增强对学生创新思维和工程素养的培养,课程教学效果得到有效提升。

关键词 数智化;现代控制理论;教学改革

中图分类号:G424 文献标识码:A DOI:10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.039

Teaching Reform Exploration of Modern Control Theory Course

under the Background of Digitalization and Intelligence

Abstract The development of digital and intelligent technologies has put forward new requirements for the teaching of "Modern Control Theory" course. Based on the analysis of the current situation and existing problems in the teaching of "Modern Control Theory" course, this article explores teaching reform from multiple aspects, such as improving teaching modes, strengthening practical exploration, and integrating emerging technologies, using a smart teaching platform as a carrier. By optimizing teaching resources, strengthening teaching interaction, improving learning experience, integrating engineering applications and professional depth, students' learning interest and motivation have been stimulated, and the cultivation of students' innovative thinking and engineering literacy has been enhanced. The teaching effectiveness of the course has been effectively improved.

Keywords digitalization and intelligence; modern control theory; teaching reform

以云计算、大数据、物联网等为代表的新一代信息技术飞速发展,社会建设向“数字化+智能化”方向转型,推动传统产业向数智融合方向转型升级,产业革新对高校人才培养也提出新需求[1]。近年举办的产教融合发展战略、数智教育发展等国际论坛深入探讨了数智化时代高等教育发展的新趋势[2],教育数智化转型不仅是技术层面的更新,也是教育理念和教学模式的深度变革[3]。

作为连接不同工程领域的桥梁,控制技术在数智化时代呈现新的发展趋势,与之对应的控制类专业人才培养和课程教学也应进行适应性改革[4]。现代控制理论是控制类专业的主干基础课程,对于学生控制学科知识体系的构建至关重要[5]。中国民航大学现代控制理论课程的授课对象为自动化、电气工程及其自动化等具有显著民航行业特色的本科专业,面对行业发展新需求,如何结合数智化时代背景和行业特色,有针对性地提高课程教学质量以适应新时代复合型创新人才培养转型,已成为课程教学改革的重点。

1 课程教学现状与主要问题分析

1.1 现代控制理论课程具有概念抽象、理论深奥、内容繁杂等特点

控制理论中的基本概念和方法涉及较多数学知识,对学生的数学基础和抽象思维能力提出了较高的要求[6]。同时,控制理论的发展和应用与其他学科产生广泛交叉,进一步强调了跨学科知识的重要性,学生的相关知识储备对学习效果产生了显著影响。课程知识点多、分布零散、难度高,而当前教学实施中未充分关注学生在前续知识储备、学习能力等方面的个体差异,导致部分学生在面对复杂理论讲解时感到力不从心,影响其学习动力和学习成效,课程的整体教学效果一般。

1.2 课程总学时有限而知识点繁多

本课程多采用教师为主导、学生被动接受知识的传统方式进行教学设计,未充分运用现代化教学资源和工具。单一化的教学方式限制了课堂教学的互动性和灵活性,单向的信息传递方式导致学生缺乏主动探索和自主学习的动力,教学效率不高,教师也难以及时获得学习效果反馈。此外,教学过程中仅采用基础的验证性实验作为理论教学的补充,缺乏足够的案例分析和实践环节,导致多数学生仅关注于理论计算解题,而忽视了对基本概念的深入思考以及与实际应用的结合,在培养学生独立思考和解决实际问题的能力方面存在不足。

1.3 课程注重讲授控制理论中的基本概念和分析设计方法等基础知识[7]

随着人工智能、云计算、系统互联等技术的飞速发展,控制领域的新技术也不断涌现,而现有课程内容相对陈旧、更新较慢,尤其缺乏对数智化背景下控制领域新兴技术的介绍,未能及时反映控制领域最新的研究进展和技术革新,存在与前沿技术脱节的情况,导致学生所构建的知识体系无法与行业的实际应用需求紧密对接,不利于培养学生对新兴技术和行业趋势的快速学习和适应能力。

2 课程教学改革措施

借助数字信息技术的优势,教学团队以人才培养需求为牵引,综合运用多种媒介,如图1所示,开展了可视化好、互动性强的数字化教学资源建设,构建了能够满足教师线上/线下混合式教学和学生个性化学习需求的智慧教学平台。

以此为支撑,教学团队进行了现代控制理论课程的多元化教学改革探索,以发挥学生在互联网适应性方面的正向作用,实现线上线下教学活动的有机融合,形成了以学生为中心、教师为引导、问题为导向的课程改革方案。

2.1 改进教学模式

课程理论难度高、概念抽象不易理解,而传统教学虽然使用多媒体课件作为辅助教学工具,但课件中多是数学公式和理论概念的文字描述,学生在学习过程中容易陷入纯数学推导而难以建立工程概念。课程内容较为枯燥,课堂气氛沉闷,学生学习热情不高。针对这一问题,教学团队开展了互动式教学模式改革,通过优化教学手段,丰富教学过程等措施,实现教学效果的提升。

对现有多媒体课件进行优化改进,丰富理论知识的输出方式。增加原理动画展示、视频介绍以及模拟实验演示等内容,将抽象的理论概念转变为直观生动的视觉信息。例如,在讲授反馈控制与极点配置这一内容时,播放“飞机自动驾驶仪是如何运作的”原理视频,并利用虚拟仿真展示不同控制律作用下系统的动态响应过程,通过视频和动态演示辅助理论概念讲解,有助于学生深化对理论知识的理解。

在课堂教学中,改变教师为主导、学生被动接受知识的传统教学方式,增加教师与学生的互动交流活动。利用智慧教学平台发起弹幕、投票、即时问答等活动,在丰富教学过程的同时,帮助教师追踪学生对课堂内容的掌握情况,形成实时的教学效果反馈,及时发现学生不易掌握的知识点或理解上的误区,有针对性地微调后续课堂的教学侧重点,形成教学过程的有效闭环。在课堂教学中以问题为导向,教师从理论知识的单纯讲授者转变为学生学习的引导者,在控制系统分析和设计等章节,以飞机自动驾驶仪、机场无人牵引车等实际系统为工程应用背景,设置开放性问题,展开课堂讨论和分组设计,促使学生通过主动思考和合作交流给出解决方案。此外,借助智慧教学平台打破传统课堂教学的时间和空间限制,学生随时通过在线论坛分享学习中的问题,并在线讨论及时获得反馈和解答。这种持续性互动教学能够为学生提供更灵活更具个性化的学习方式,有助于培养学生的自主学习意识和协作解决问题的能力。

2.2 强化实践探索

课程强调理论知识与工程实践的紧密结合,开设实验环节是促进学生理解和应用控制理论的重要途径[8]。但传统教学中仅采用模拟实验箱开展验证性实验,实验箱集成度较高且出于安全性考虑,学生仅能按照规定步骤进行操作,灵活性不高,限制了学生的深入思考和自由探索。此外,受限于实验室的空间和时间安排,实验教学难以与理论教学同步进行,降低了两者的结合度。这导致学生对于课程实验认可度不高,难以将课堂所学理论知识有效应用于实际系统,与设置实验教学环节的初衷背道而驰。

为了突破传统实验教学模式的局限性,打破学生“重理论计算、轻实践思考”的学习惯性,课程团队将基于MATLAB的虚拟仿真平台引入课程教学全过程,并在此基础上优化实验资源,将仿真实验与传统实物实验有效融合,以充分发挥实验教学在课程整体教学中的作用。将控制系统仿真技术融入课程教学,在教学内容设计上注重理论知识与虚拟仿真实验的紧密衔接,教师预先在智慧教学平台在线推送与当前课程内容对应的仿真教学课件、示例程序和微课视频,学生能够在课外随时观看、自主学习,提高学习的灵活性。在课堂教学环节,教师进行理论概念讲授后,将控制系统的建模和分析设计等过程进行MATLAB仿真演示,学生能够直观地观察控制系统的响应过程,理解控制设计的实际作用和效果,通过仿真实验将抽象的控制理论概念具体化。此外,引入飞机自动驾驶仪、机场无人牵引车等与行业紧密相关的典型控制系统案例,增加开放性实验环节,学生以小组为单位,借助虚拟仿真平台提供的便捷安全的实验环境,在计算机上模拟复杂系统的动态响应,并进行性能分析和综合设计。学生可以测试和优化不同的控制算法,自由探索控制理论的多种可能性。通过这种教学方式激发学生的独立思考能力,深化其对控制理论的理解,培养学生的创新思维和解决实际问题的能力。

2.3 融入新兴技术

课程旨在使学生构建系统化的控制理论知识框架并用以解决实际工程问题。控制理论作为连接不同工程领域的桥梁,在航空航天、电力电气等多个领域都有广泛应用。而在数智化背景下,多种新兴技术不断涌现,这些技术既拓宽了控制理论的应用场景,也推动了控制理论的发展。教学团队从课程内容与教学实施等方面探索了控制理论基础知识与新兴技术的融合途径,以保证课程教学能够适应技术革新趋势和行业应用需求。

在确保涵盖学科专业规范核心知识点的基础上,将控制领域的最新技术动态融入课程内容,针对性地引入大数据、云计算、智能感知等与控制理论结合的前沿技术和工程实例。课程教学中,在详细讲授必要知识点的同时,辅以扩展的技术热点,保证教学内容的合理组织,例如:在讲授状态观测器设计时,结合智能驾驶车辆控制案例,介绍状态观测器与智能感知技术在车辆状态信息精确估计和监控中的融合应用。

利用智慧教学平台发布与先进控制技术相关的科普视频、技术讲座等在线资源,并鼓励学生充分利用校内开放教育资源查阅学术文献和在线课程,以丰富学生获取前沿控制技术的途径。同时,以现代控制理论课程为契机,鼓励学生在课程之外积极参与教师的科研工作,并支持学生申报开展与控制理论相关的小型科研项目,学生通过在科研实践中直接接触领域内的研究热点和前沿技术,实现课程所学基础知识与工程实践应用的深度融合。

3 课程教学改革实践效果

自开展教学改革实践以来,学生实际到课率和课堂参与度有显著提高,据智慧教学平台统计,线上资源访问覆盖率在90%以上,学生的学习兴趣和自主学习能力得到有效提升。课程结课后的匿名问卷调查结果表明,学生在课程内容实用度、课程资源丰富度、个性化学习支持多个方面给出较高评价,学生对教学改革措施的认可度较高。改革后本课程的平均成绩和课程目标达成度呈上升趋势,尤其在知识综合运用能力和独立分析推理能力等方面的达成度提升明显,课程改革措施已在课程教学实践中取得一定成效。

4 结语

在数智化时代背景下,教学团队针对“现代控制理论”课程教学中存在的主要问题与不足之处,结合人才培养需求和行业特色,以智慧教学平台为载体,形成以学生为中心、教师为引导、问题为导向的课程改革方案,围绕教学模式改进、实践探索强化和新兴技术融入等角度对课程改革途径进行了探索。根据教学改革实践效果反馈,学生对课程改革措施认可度较高,学生的自主学习能力、创新思维和工程素养得以增强,在后续教学中将依据教学效果反馈持续推进教学改革,保证课程教学质量的持续提升。

参考文献

[1] 贾积有,陈真真,黎宇珍,等.以数智化转型促进大学教学发展[J].大学与学科,2022(4):101-112.

[2] 侯普恩,张萌.数智化背景下高校字体设计课程教学新模式探索[J].美术教育研究,2023(24):135-137.

[3] 白玉廷,赵峙尧,许继平,等.数字化与智能化背景下“检测技术及仪表”课程教学改革研究[J].工业和信息化教育,2023(11):24-27,33.

[4] 沈火明,龚晖,李翔宇,等.工科基础课程数字化教学资源建设的实践与应用[J].教育教学论坛,2022(41):113-116.

[5] 王俊伟,杨俊玲.基于OBE理念的现代控制理论教学改革研究与探讨[J].大学教育,2022(8):81-83.

[6] 王立红.基于应用型人才培养的现代控制理论教学改革[J].实验室科学,2018,21(4):163-165.

[7] 李健,苏庆宇.研究性教学在现代控制理论课程中的应用与持续改进[J].中国现代教育装备,2022(13):119-120.

[8] 何德峰,俞立,徐建明.基于MATLAB的现代控制理论实验教学实践[J].实验技术与管理,2016,33(3):123-126