“现代控制理论”课程教学改革的思考与探索.pdf

龙源期刊网“现代控制理论”课程教学改革的思考与探索作者：程启明薛阳贾再一米阳王莉来源：《中国电力教育》2013年第10期摘要：为了进一步提高“现代控制理论”课程的教学水平，全面提高课程的教学质量，培养学生掌握理论知识和运用知识指导实践的能力，讨论了目前本课程教学中存在的问题，针对该课程理论性较强的特点结合教学过程中的实际体会，在教学内容、教学方法和实验教学等方面做了一些改革措施，取得了良好的教学效果。关键词：现代控制理论；实验教学；研究型学习作者简介：程启明（1965-），男，江苏盐城人，上海电力学院自动化工程学院，教授；薛阳（1976-），男，江苏无锡人，上海电力学院自动化工程学院，副教授。（上海200090）基金项目：本文系上海高等教育“085”工程建设项目、上海市教委重点课程建设项目、上海市教委重点学科建设项目（项目编号：J51301）的研究成果。中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）10-0059-02“现代控制理论”为电类专业硕士研究生的学位课程，也是“自动控制原理”的后续课程。该课程包括系统状态空间模型的建立与求解、系统的能控性/能观性/稳定性的分析、状态反馈和状态观测器的设计、最优控制器的设计等内容。本课程具有跨学科、概念抽象、公式多、数学推导烦琐、难以理解等特点。[1]为了促进学生对课程内容的学习，培养学生掌握知识和运用理论指导实践的能力，提高学生综合素质和创新能力，本文探索了新的教学模式，对本课程的教学大纲、教学内容和上机实验等进行了一系列改革，[2-6]取得了良好的教学效果。一、“现代控制理论”教学中存在的问题1.重理论轻工程“现代控制理论”的主要特点是概念抽象、内容丰富、理论性强，涉及的数学知识较多，学生要正确理解课程中大量公式的内涵比较困难。大量的数学推理及矩阵运算，使学生一定程度上学习了空泛理论而忽略了该课程的工程性，但不清楚这门课到底是数学课，还是一门工程学科。2.课程作用不明确学生难以区分本课程与“自控原理”的区别，认为很多控制的问题可以通过经典的自动控制理论解决，弄不清楚这门课程的作用以及为何要开设该门课程，更不知学习本课程的意义与日后研究方向的联系。龙源期刊网3.内容抽象难懂由于本课程概念抽象，是将实际问题抽象为数学模型，根据数学公式的推导去研究实际系统，所运用数学知识较深，学生在学习过程中常常感到深奥晦涩，抽象难懂，不易掌握。4.内容多，学时少本课程所涉及的内容比较广泛，且概念抽象难掌握，而课程的学时数34～60学时，学时数较少。在有限的教学课时内，若教学内容安排不合理，很难达到有效的教学效果。5.实验教学与实际脱节“现代控制理论”课程目前的实验大多是基于Matlab的仿真。通过Matlab软件仿真加深学生对本课程的理解，但是它对利用本课程的原理去解决工程实际问题的用途并不大。目前的实验条件和实验内容比较缺乏，使得实验仅仅成为课堂内容的巩固延续仍然局限在数学理论阶段，很难跟实际问题结合起来，从而限制了实验作用的发挥。6.学习兴趣不高过多的数学内容、较少的实际问题使得这门课程显得过于沉闷，学习内容枯燥无味、难懂、学不进去，学生难以感兴趣。为了解决上述问题，提高教学质量，必须对本课程进行改革，探索新的教学模式。二、教学内容的改革1.选择教材教材内容应该由浅到深，通俗易懂，同时思路清晰，概念清楚。教材还应具备适应性、新颖性、实践性等特征，便于教师讲述和学生自学，在教师讲述和学生学习理解间架设桥梁，并在处理实际工程问题时也能成为参考用书。为此，本文选择了华中科技大学出版社出版的《现代控制理论》作为教学的主要教材。该教材在内容编排上突出了现代控制理论的物理概念及工程背景，并且每章最后一节均有Matlab仿真内容。2.优化教学内容在内容的选择上不需要包罗万象、面面俱到，而是要抓住最核心、最基本的概念、原理及其相互联系，把重点放在分析线性定常系统以及稳定性分析上，而对线性时变系统以及非线性系统的分析只需略讲或让学生自学。教学过程中，在保证内容系统性的和严谨性的前提下，着重于解释证明过程和思路，增加实际物理系统的实例，不必过分追求数学证明定理的严密性。要求学生准确理解基本概念、基本原理的本质，避免学生死记硬背和生搬硬套。龙源期刊网3.注重教学内容的工程背景及实际应用在教学过程中，在讲完理论之后，还要理论联系实际，利用理论去解决工程实际问题。倒立摆是自动控制学科的教学实验设备，常被用来检验各种控制策略的有效性，许多抽象的控制概念都可通过对倒立摆的控制直观地表现出来。将倒立摆作为本课程学习中理想的实验平台，将这个复杂的多变量、非线性、不稳定系统的控制手段作为例子，在各章中深化，贯串于整个教学过程中。4.增强实验与实际工程的联系针对目前本课程的实验内容偏向软件仿真而与实际工程问