信息化背景下线性系统课程教学改革与实践

杨秀霞 张毅

[摘           要]  线性系统课程作为控制科学与工程等专业硕士研究生的一门专业基础课程，强调基础理论的教学。在传统的教学模式下，存在理论性偏强、信息化手段应用不够、学员感觉比较抽象、主动参与意识不足、研究生教学特色不明显等问题。因此，从实践出发，结合工程应用，加入信息化内容，对专业背景课进行改革是必须解决的一个问题。重点从课程的信息化教学方法改革及应用方面给出线性系统课程改革实施方案。

[关    键   词]  线性系统;信息化;工程案例;教学改革

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2022）03-0115-03

线性系统课程作为控制科学领域硕士研究生一门核心的专业背景学位课，该课程在我校已开设三十多年，目前在控制科学与工程及电子信息（控制工程方向）等专业和方向共同开设，同时也是航空宇航科学与技术等专业的选修课，是学员学习其他专业课程的基础课程[1]。该课程特点是理论性较强且部分原理较为抽象，专业针对性不强，学员普遍感到枯燥、难学，且不会应用。因此，突出应用特色，对研究生学科基础课程教学进行信息化改革是非常必要的[2]，本文通过研究给出具体的教学改革思路及措施。

一、建设网络及信息化资源库，为学员自主探究创造良好的学习环境

开发建设内容丰富的信息化教学资源库，为学员学习提供方便的条件。通过自建或精选特色资源，如MOOC、微课、虚拟实验室、图片和视频、相关课程群资源等，便于学员预习和自主学习。结合学员专业建设应用案例库，并设计出让学员能够针对性进行深入探究的题目，便于开展研究性教学，提高学员的自主能动性。建立在线教学系统，便于师生互动，并且可以及时补充前沿知识动态及最新工程应用技术，同时学员检索的论文及分析汇报稿、专题设计报告等，也可充实教学资源，便于合作式探究学习[3]。

二、线上线下混合式教学模式探究

依托智慧树平台，建立网络教室。基于网上教室环境，将授课过程设计为依托网络平台的“课前线上任务发布及学员自主学习”“课上现场提问检测及答疑解惑”和“课后总结凝练自主探究”三个阶段。下面以状态反馈知识点为例，给出具体的混合式探究教学模式实施方法。

（一）课前线上任务发布及学员自主学习

通过网络教室发布学员的自主学习任务，本次课的课前任务主要包括：登录智慧树平台，对照平台中给出的知识点，学习常用的几种反馈结构、状态反馈的基本概念、状态反馈对系统性能的影响;针对单输入单输出系统进行极点配置的基本原理;极点配置的方法和步骤。

在学员自主学习结束后，学员通过网络教室在任务发布区提出自己的疑问，给出学习体会，也可以在讨论答疑区讨论相关问题，教员在微信群中给出问卷调查，查找教学中存在的问题及学员的相关疑问。下面是提问频率比较高的几个问题。

1.经典控制理论中采用输出反馈，在此主要采用状态反馈，和输出反馈相比，状态反馈在应用上有什么区别，优点是什么？

2.极点配置时的极点如何选取？

3.常用反馈结构类型及对系统影响只记得结论，不懂其含义是什么。

4.在运算中还存在短板，希望教员能多布置作业题，多加练习。

教员根据学员的反馈，可以了解其学习掌握程度，由此给出课堂需释疑及需解决的问题，以便课堂进行答疑解惑，并针对相关重难点进行梳理、归纳总结及升华。

（二）课上答疑解惑

通过对知识点测试、复习回顾等方式，梳理什么是输出反馈、什么是状态反馈、二者之间的区别、状态反馈的优点等问题，使学员深入理解其内涵。随课堂进行，随时为学员答疑解惑。

1.采用导弹控制系统的设计实例，具体分析输出反馈和状态反馈之间的区别和联系。结合Matlab仿真得出结论，至输入的输出反馈不能任意配置极点，状态反馈可以任意配置极点。

2.设置主导极点时，结合系统的性能，根据主导极点的选择原则配置系统极点的位置。

3.常用反馈结构类型及对系统影响，结合可任意配置极点的证明过程，对加入反馈后对系统的可控可观性影响进行说明。

4.通过课堂对典型例题的计算，指出关键运算步骤，通过布置课后作业及实践任务，让学员加强练习。

课堂给出状态反馈的Matlab仿真方法，要求学员结合具体实例，课后进行实验。

（三）课后研究思考

课后，给学员布置案例研究任务，通过对工程实例的应用及深入探究，对相关知识点进行深入消化理解。

如在Matlab仿真环境中，让学员自主完成控制系统的模型建立、控制系統设计、极点配置等问题，并进行数值仿真及分析，理解极点配置的意义，观察反馈前后的控制效果;设置不同的极点位置，观察系统的输出;并给出输出反馈的控制结果，将其与状态反馈的结果进行比较。

将设计过程总结凝练形成报告。研究生汇报专题设计成果，可提高发现问题、解决问题的实践应用能力，将课堂教学设计为一个反馈控制系统，及时发现教学中存在的问题。

采用线上线下混合式教学模式，可充分发挥学员的积极主动性，有利于培养学员的自主学习能力，实现学员的个性化培养，实现学和教的共同体。同时把科学研究的思想运用到教学中，学员能动地通过查阅资料、归纳整理等方式，可化被动为主动，自觉消化理解相关知识并进行应用，通过对实践任务的研究，通过教员有目的、有计划的引导，掌握解决实际工程中控制问题的方法。激发了学员跃跃欲试的创造欲望，有利于实现学为主体。

三、开放式前沿性教学内容体系的建立

运用多种方法加强师生互动，共同动态更新教学资源，以拓宽学员的专业学术视野，厘清相关技术的发展趋势和脉络。例如在学习系统的动态性能时，引入目前控制领域的研究热点——预设性能控制，可对系统的性能做精确的控制，同时给出此理论在无人机、导弹等编队控制系统中的最新应用。学员检索的最新的、与课程结合紧密的文献及文献综述和阅读体会、学员专题设计的论文及报告等也可上传，便于学员的自主式、探究式学习。

授课过程针对重难点问题采用“论文式”教学模式，让学员能够学以致用，并能获取相关领域学术界的最新动态。教员需要根据教学内容给出的论文检索主题，分组让学员进行文献检索，同时需帮助学员对论文进行筛选，保证相关性、前沿性和较强的创新性。采用的论文可以采用课前布置的方式，让学员检索、初步消化，并带入课堂进行分析讲解;也可以采用课后的方式，使学员掌握当堂课中最重要知识的创新思维方法。学员通过文献阅读与分析，找出教学主题范围内有哪些问题目前还没有解决或者解决得还不够好、值得做进一步的深入研究。这些问题都有哪些可能的解决途径。通过师生共同讨论，最终明确几个最值得做进一步深入研究的问题以及解决相关问题最可能的途径，通过对论文进行仿真实践，让学员深入剖析其中的知识应用及逻辑思维，并提出对问题的不同解决方法和思路。

开发建设及引入内容丰富的立体化教学资源库，如慕课、微课、虚拟实验室、智慧树网络教室、图片视频、多媒体课件、相关课程群资源等，便于学员预习、自主学习探究。学员检索的论文及研讨汇报稿、专题设计报告等，也可用于充实教学资源，便于合作式探究。课程教学过程中的慕课资源主要引入学堂在线的清华大学及北京理工大学的线性系统理论课程，自主开发了各关键知识点的微课，便于学员自学和掌握重点。虚拟实验室搭建了资源共享、管理开放的实验平台，建设了智慧树网络教室网络，上传了课程资料、中英文论文参考文献、动画、微课、课前及课后任务、习题及测试题等，可有效提高学员的自主学习能力，拓宽教学的深度和广度。

四、实验实践教学改革创新

以全军重点实验室“海军战术导弹实验室”建设及军队“2110”建设为依托，建成“控制系统综合设计实验室”“导弹制导控制技术实验室”“飞行器复合控制实验室”“飞行器过载控制半实物仿真实验室”等一批高水平实验室，创建了以课程实验为基础，课程设计、综合性设计性实验相结合的立体化层级递进的实验教学模式，为学员实践能力的提升提供了丰富的平台。

虚拟实验室平台搭建：虚拟实验室涵盖了时域及复频率域分析内容，具有综合开放平台，该平台包含控制与仿真的综合性虚拟实验系统，并可以将学生在学习过程中制作的虚拟实验添加进来。学生可以进行网上实验预习、自主学习、虚拟实验、实验报告提交、与教师互动交流等全过程实验教学。该虚拟实验室已应用到课堂教学和实验教学，满足了教学需要，使用效果良好。

综合性实验平台构建：构建了“三自由度直升机系统控制”“倒立摆控制实验系统”“导弹制导控制实验系统”等综合性实验平台，能够完成与教学内容相关的典型控制实验，并可以针对探究的问题进行实验验证，真正做到学以致用。

科研创新平台建立：研制了具有飞行器控制背景的“平衡梁系统”“十字梁系统”，研发了“超音速飞行器过载控制半实物仿真系统”“无人车智能协同控制系统”“无人机飞行控制系统”，可满足学生进行较为复杂的综合性、设计性实验以及学生的毕业论文撰写。依托“飞行器过载控制与变轨技术、高超声速飞行器复合控制、无人智能控制系统”三大科研领域，形成相对稳定的研究方向，引导和组织学员参与科研，让学员能力培养瞄准国内外、军内外前沿，提高科研能力和创新能力。

五、以竞赛为牵引进行教学改革

近几年，组织学员参加了与线性系统课程相关的一些竞赛，如全国计算机仿真大赛、国际空中机器人大赛等，并取得了较好的成绩。经过这几年的探索与实践，发现竞赛作为培养高水平应用型人才的一种重要手段，能更好地激发学员的创新和钻研热情，在培养学员动手能力、计算机应用能力、撰写论文的能力、查阅资料的能力、分析问题解决问题的能力以及培养学员的竞争意识和团队协作精神等方面都起到了积极有效的作用。

六、师资队伍建设改革创新

（一）坚持制度，狠抓课堂教学质量

通过严格坚持议教制度、集体备课制度、听查课制度、高职主讲制度、在职培训制度、服务部队制度等，提高教师的课堂教学水平，从而提高课堂教学质量。通过在职在线培训和教学竞赛，不断提升教员队伍的业务能力;通过服务部队，使教员深入了解装备控制需求，不断加深对控制理论及实际应用的理解，提高自身的理论水平和教学实践能力。

（二）教研结合，教学、科研科学发展

在教学与科研工作的关系上，注重科研与教学相结合，科研促进教学科学发展，教学与科研两不误、两促进。注重后备人才的培养，给年轻人加担子、压任务，使他们在工作和学习中不断成长，尽快成为业务骨干;课程组成员100%参与了科研项目，高职教师均主持了有关科研项目，科研包含国家自然科学基金、军内科研、教学科研、横向科研项目等。通过相关科研工作，提高了课程组成员的科研能力，提高了理论研究水平，积累了丰富的科研经验，进而提高了教学水平，并及时将科研领域的成果转化为教学设施条件，促进了教学工作的发展。

（三）注重梯队，加强后备教师的培养

师资队伍是课程建设的根本，我们注重青年教师的引进与培养，并为他们制订了详细的培养计划，使青年教师尽快地成长为教学、科研、学术骨干。三年内选拔2名学术水平高、科研能力强、课堂教学基础好的博士毕业研究生闫实、吴修振到教研室任教并加强培养，1名已晋升为副教授。另外，由于部队编制体制调整，原来教学团队中的沈如松、耿宝亮已调整到其他工作岗位，为了补充教学力量，新加入教学经验丰富的张毅教授。目前，教学团队已形成一支老、中、青“传帮带”的教学队伍，定期交流，将老教师的师德、教风和敬业精神传授给中青年教师，以言传身教培养中青年教师的爱岗敬业和为人师表。

七、教学改革成效

自开展信息化教学改革后，研究生线性系统课程建设水平上了一个新的台阶。学员的自主学习能力增强，学习效率提高，課堂气氛活跃，后续教员反馈学员的专业基础扎实、知识应用能力强。学员综合能力得到明显提高，取得了令人欣喜的成绩，多名学员在各类竞赛中获奖，毕业分配学员能很快融入工作岗位，学员培养效果良好。

参考文献：

[1]王建，段纪淼，谷科城，等.互联网+时代下研究生教学模式改革研究[J].科教论坛，2021（1）：43-44.

[2]程锴，李晖宙.信息化背景下《微积分》课程混合式教学实践与反思[J].现代商贸工业，2021（4）：155-156.

[3]王艺颖.基于信息技术的教育教学改革概述[J].黄河水利职业技术学院学报，2021，33（1）：82-85.

[4]郑一力，赵燕东.控制系统数字仿真教学改革与实践[J].中国现代教育装备，2017（21）：48-50.

[5]王晶，谭程元，周靖林，等.《线性系统理论》课程改革思考与实践[J].教育教学论坛，2020（4）：214-216.

◎编辑 司 楠