现代控制理论课程教学方法的探索与实践

黄敏 陈丰 訾建平

【摘要】由于新知识、新理论的快速发展，仅通过原有的传统的教学方法进行教学，已不能满足当前的教学需求；因此《现代控制理论》课程尝试引入翻转课堂、案例教学、教学做一体化等方法，调动了学生学习的主动性和积极性，课堂教学效果得到了改善。

【关键词】现代控制理论 教学方法 翻转课堂 案例教学

【基金项目】安徽省省级重大教学研究项目（项目编号：2016jyxm0237）；安徽省省级一般教学研究项目（项目编号：2016jyxm0251）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）28-0221-02

任何一种技术的应用都有相应的理论作为发展依据，现代控制理论作为自动控制理论的一个重要分支，是为了满足越来越具有非线性、时变性等特点的系统控制要求而出现的。[1]根据安徽科技学院机械工程学院《现代控制理论》大纲要求，本课程是机械电子工程专业的专业方向课，此外本专业还设有机器人相关课程，而机器人是典型的多输入多输出复杂的机电系统。因此本课程对于机械电子工程专业学生分析机器人等复杂系统的控制奠定了理论基础。本课程内容主要介绍状态空间法，在已知数学模型的情况下，研究系统的运动规律、能控性、能观测性、稳定性等系统的基本结构特性以及改变系统运动规律的可能性与方法。[2]本文在現有的教学模式下，引入翻转课堂、教学做一体化等教学手段，进行了探索与实践。

1.教学过程中存在的问题

本课程对于机械电子工程专业学生来说是纯理论课程，共36学时，内容抽象，对于复变函数与积分变换、线性代数矩阵运算的知识要求较高，学生学习有一定的难度。此外，由于机械累专业学生的机械控制工程基础课程学时少、内容简单、实验与实践环节不足，机械类专业的本科生对于“现代控制理论”的学习比较吃力，教学效果较差。[3]大部分学生在学习一段时间后，对课程内容越来越不理解，学习的动力急剧下降，不认真听课。由于大部分教师依然采用的是讲授的方式，久而久之，课堂气氛不活泼。此外作为专业方向，学生往往不够重视。本课程具有一定的实践背景，而授课老师一般从高校毕业后直接来到教学岗位，缺乏实践经验，无法把实践案例带进课堂，使得整个教学过程枯燥，不生动，同样无法调动学生的积极性。由于以上各种原因导致本课程的教学效果总体不理想。

2.教学改革措施

我校是地方应用型高校，机械电子工程专业学生更是以应用人才培养为目标，而应用型人才的重中之重就是要培养学生的应用能力。因此，每门课程教师需要将所带课程的特点、学生的专业基础、能力等考虑进来，灵活运用各种创新型教学手段采取有效的措施进行教学改革，提高学生学习的主动性积极性。

2.1补充相关数学知识

针对学生因为本课程涉及到的复变函数与积分变换、线性代数的知识基础薄弱问题，教师在讲到具体问题的时候要把用到的数学知识给学生进行复习，帮助学生把拉普拉斯变换、反拉普拉斯变换、定积分、不定积分、矩阵运算等在本门课程中运用起来，让学生在解决问题用到相关知识时能够得心应手。

2.2翻转课堂

传统教学过程通常包括知识传授和知识内化两个阶段。[4]传统的教学方式是教师通过课堂完成知识的传授，而知识内化则需要学生课后通过作业、练习题等来完成。引入翻转课堂的模式后，知识传授和知识内化的顺序就发生了颠覆，就要求学生在课前通过网络信息技术完成对课程相关知识点的学习，在学习的过程中记录遇到的难点等没有理解的内容；而在课堂环节中，教师引导学生解决所遇到的问题。或者教师将学生分成3-4一组，将课程一些简单的章节内容或者一些工程问题布置给小组，由各小组对所布置的课题进行讲解，不仅可以加深学生对所将问题的理解，同时还可以提高学生的语言表达能力。此外，在整个过程中，教师跟学生能够进行较深入的交流，在学生讲解的过程中，或发现学生学习的具体问题，或从学生的阐述中获得更多的灵感，达到教学相长的目的。

2.3案例教学

由于本课程有较强的实践背景，完全可以将一些实际案例带进课堂。这就要求教师要多进企业对企业的一些案例进行重构，打包成一个一个小的项目，把这些小的任务分发给每个小组，引导学生将理论知识与实际工程问题结合起来。在解决问题的过程中，通过物理知识、数学知识搭建系统的模型，通过在MATLAB/Simulink等一些专业软件进行建模仿真。如单级倒立摆系统，提前把任务布置给每个小组，查找资料，推理建模，选择控制方法、设计控制器等；通过具体案例来分析问题、制定解决方案、进行软件仿真验证，可以使学生得到专业系统的训练，为以后的完成毕业设计也奠定了一个好的基础。

2.4教学做一体化

由于本课程大纲没有设置实验课，MATLAB/Simulink等一些仿真软件在本课程的教学中使用不多，此外由于本课程共36学时，学时较少，课程组也不建议开设实验课。目前学院机房都安装有相应的专业软件，可以选择4个学时左右带学生在机房进行教学做一体化体验，加强学生对课程知识的灵活运用。通过MATLAB/Simulink演示如何具体解决问题，如由弹簧、质量块和阻尼器组成的机械系统如图1，在物体上施加一个外力F，该物体产生的位移为y，设阻尼器的摩擦力与y一阶导成正比、弹簧为线性弹簧，m是物体的质量，k为弹簧系数，f为阻尼系数，则可得到该系统的状态空间表达式如式1所示。

则可以建立该空间表达式。当m、k、f的值确定还可以进一步对系统进行能观性、能控性判断。学生可以上机操作，从而不仅锻炼了学生使用专业软件的能力，为后续解决机器人系统等复杂的控制问题打下良好的基础。

3.总结

通过分析机械电工程专业的现代控制理论课程教学过程中存在的一些问题，在教学过程采用翻转课堂、案例教学、教学做一体化等创新性教学方法，从而大大提高了学生的学习积极性，教学效果得到较好的改善。同时可以锻炼学生解决工程问题的应用能力，为培养应用型人才打下良好的基础。

参考文献：

[1]董敏，闻凯.《现代控制理论》教学改革探讨[J].考试周刊，2016，（1）：17.

[2]王孝武编.《现代控制理论》（第三版）[M].2013年7月

[3]巩明德，倪涛，王昕， 等.机械类专业“现代控制理论”课程教学改革与实践[J].通化师范学院学报，2015，（2）：74-77.

[4]张金磊，王颖， 张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012，（4）：46-51.

作者简介：

黄敏（1985-），女（汉族），安徽凤阳人，安徽科技学院机械工程学院助教，硕士，研究方向：控制理论与控制工程。