工程教育认证背景下现代控制理论课程教学分析与改革

摘 要 工程教育认证是针对高等教育机构开设的工程类专业教育实施的专门性认证，其要求本科教育落实于复杂工程问题的分析与解决。阐述现代控制理论课程的特点和目标，指出本科教学存在的普遍问题，提出一些具体的教学改革措施与途径，采用多方面综合手段来激发学生学习兴趣，改善教学效果，提高学生对复杂自动化工程问题的分析与解决能力。

关键词 工程教育认证；现代控制理论；复杂工程问题；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）18-0106-03

Abstract Engineering education certification is the professional cer-tification for the higher education institutions to set up specialized education， and it requires the undergraduate education to be aimed at the analysis and solution of complex engineering problems. In this

paper， the characteristics and purse of modern control theory course are pointed out， the problems existing in teaching this course for under-

graduates are stated， and some detailed methods of teaching reform on modern control theory are proposed. Using a multi-disciplinary method stimulates the students’ interest in learning， improves the tea-ching effect， and enhances the students’ analysis and solving ability for the complex automation engineering problem.

Key words engineering education certification； modern control theory；complex engineering problems； teaching reform

1 引言

近年来，由于我国设立工科专业的本科高校、开设的工科本科专业、工程教育本科在校生等规模比较大，工程教育认证得到越来越多工科院校的广泛关注与积极申请[1]。2015年3月，中国工程教育认证协会修订了《工程教育认证标准》，包括通用标准和各专业补充标准，并在“毕业要求”上做了重大改变，增加为12条要求，而且重点突出本科教育要落实在“复杂工程问题”的分析与解决[2]。虽然没有明确定义“复杂工程问题”，但认证标准对“复杂工程问题”特征属性进行了详细说明[2]。

作为控制理论的基础知识，现代控制理论是众多高校自动化相关专业的高年级本科生的必修课程，其课程教学也引起越来越多的重视[4-7]。江南大学自动化专业和电气工程及其自动化专业每年有近250名学生必修现代控制理论课程，所以探讨工程教育认证背景下现代控制理论课程的教学改革迫在眉睫。笔者根据多年从事现代控制理论课程教学的实践经验，深入分析该课程的特点、目的以及教学中存在的难点，针对如何提高学生对复杂工程问题的分析与解决能力，介绍一些具体的解决办法与途径。

2 课程特点及教学目的

现代控制理论是工科自动化相关专业的必选专业课程，其目的是使学生在学习自动控制原理基础上，对控制理论的有更深入、更广泛的学习与掌握。作为专业必修课程，现代控制理论的课程特点是：理论性偏强，过于抽象；内容丰富，综合性强。对于大学本科生而言，通过本课程的学习应该能够掌握状态空间分析方法的基本概念，在时域中建立控制系统的状态空间表达式数学模型的方法，求解控制系统的状态空间表达式的解，线性控制系统的能控性和能控性分析，线性控制系统的李雅普诺夫稳定性分析方法，线性定常系统的综合法，线性离散系统的分析和综合方法，并为毕业后从事自动化及其相关专业的学习和研究奠定坚实的理论基础。目前，工程教育认证要求现代控制理论课程要切实解决自动化复杂工程问题，提高学生对自动化复杂工程问题的分析与解决能力。

3 现代控制理论教学的特点与存在的问题

作为自动化、电气工程等专业的必修课程，现代控制理论是在完成自动控制原理、线性代数等基础课程之后开设的，使学生更深入了解本专业的基础理论知识、应用前景与发展方向。因此，教学过程中要注重教学内容的复杂工程应用性、实践性、针对性和专业性。参照工程教育认证标准，本科现代控制理论课程教学普遍存在如下问题，亟待改革。

理论性强，课堂教学沉闷 由于现代控制理论具有理论性强和内容抽象的特点，讲课重点通常落实在理论知识、概念和公式推导上，忽视对学生工程实践能力的引导与培养，从而学生很难将现代控制理论应用于实际工程系统的设计中，很难提高复杂工程问题的分析与解决能力。此外，很多教师采用多媒体课件进行教学，课堂上一味地播放演示文稿，缺乏与学生的交流和互动，致使课堂气氛沉闷，教学效果差。

教材内容单一，脱离工程实践 现有教材的特点主要有：内容重点关于理论概念和公式演算，通过简单示例来演示，包括RLC电路、电机系统、牛顿运动定律等[3]，其他专业相关的复杂工程示例偏少；概念抽象，公式复杂，从而缺失了工程形象感官，脱离了工程实践，教学效果往往达不到预期；与经典控制相比，现代控制理论对解决多变量复杂控制系统具有优越性，而这一特点在教学过程中往往被忽视，同时这一点也是解决复杂自动化工程问题的有力手段；此外，与经典控制理论之间的联系不够紧密。

课程时间安排滞后 以江南大学为例，在教学中，学生对该课程内容的学习效果还取决于基础数学线性代数的掌握情况，但是现代控制理论课程安排滞后于线性代数至少4个学期，大部分学生对线性代数的内容已经陌生，所以教学效果没有达到最好。

学生对仿真设计软件陌生 随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术在自动化类专业课程教学中起到越来越重要的作用，且自动化相关专业所涉及的仿真软件非常多，如MATLAB[8]、LabVIEW[9]、Multisim[10]等。现代控制理论课程中的数学模型所针对的实际对象可以通过仿真软件来模拟，如电路、水箱等，尤其针对复杂自动化工程问题，仿真实验可以加强学生对控制理论的掌握，加深对控制理论的理解，同时增强学生的学习兴趣，如四旋翼无人直升机、倒立摆控制系统、球杆控制系统等[7]。然而，大多数本科生对这些仿真软件比较陌生，很难对控制理论问题进行仿真研究，尤其无法对复杂工程问题进行仿真研究。

4 教学改革措施与途径

由于现代控制理论课程存在对数学基础要求高，理论性偏强，课程安排滞后数学基础课程，缺乏工程实践验证等问题，教与学的过程中都存在问题，尤其在学生学习过程中存在数学推导枯燥无味、缺乏工程背景、所学知识难以理解等问题。由于是自动化相关专业的本科培养计划的必修课程，现代控制理论的教学改革研究引起众多高校教师的关注[4-7]。结合多年从事现代控制理论教学工作的经验，笔者从自身实践出发，参考工程教育认证中的毕业要求，提出相应的课程教学改革研究的思路与想法。

注重理论思维，简化理论推导，选取典型示例 教材是学生学习的主要参考，现代控制理论课程的教材和教学内容的适当选择对教学效果有至关重要的影响。在教学内容的选取方面应该做到：强调控制思想的逻辑贯通，弱化数学公式的推演，演示丰富有趣的实际示例，从而激发学生的学习兴趣。针对数学模型，选择示例演示也要根据具体内容进行安排、难易适中，实际教学中可以采用学生易接触和易掌握的示例，如RLC电路、质点运动等。

呼应经典控制，切合工程实践，解决复杂工程问题 现代控制理论是基于线性代数与矩阵论的专业基础课程，旨在增强学生的控制理论基础，加强和提升学生的控制思想和控制方法。教师在教学过程中应该将现代控制理论联系经典控制理论，不时将两者进行对比、对照（如数学模型、运动轨迹、稳定性、控制器设计等），从而使学生对现代控制理论基本概念的理解得以加强。此外，任课教师须从工程应用角度来提出现代控制的重要概念，如能控性、能观性、稳定性等，增强学生对理论概念的理解和激发学生的学习热情。针对现代控制理论教学内容，再结合教师自身的科研与学术经验，应安排一定的课时来着重阐述如何利用现代控制理论来解决复杂工程问题，如四旋翼飞机的控制器设计问题、复杂过程控制系统的分析与控制器设计等。

课内课外综合教学 借助于多媒体技术的快速发展，教学方法和手段也得到不断改进，但如何采用适当的教学方法与手段来活跃课堂气氛，进而达到比较好的教学效果，仍然需要进一步探讨。获得良好教学效果的首要前提：授课者必须明确教学大纲，深刻理解与掌握教学内容，备课充分。同时，课堂教学中除了演示文稿或抄写板书，必须注重教学方法的改进，结合多种教学方法来活跃课堂气氛，从而激发学生的学习兴趣：针对教学内容，设计构造性问题来激发学生思考、讨论和回答，通过互动交流来活跃课堂气氛；随着计算机与通信等技术的发展，多媒体教学多姿多彩，不再是单一的播放幻灯片，动画、音响和录像等其他多媒体形式也得到广泛应用，尤其在复杂工程问题的引入与讲解过程中更具有生动性和真实性，多样的教学内容来吸引学生的关注和学习兴趣；为加强现代控制理论课程的掌握，教师需要学生在课后进行习题演练，利用现有的一些课后作业辅导APP，及时与学生进行辅导交流，学生能够实时与教师交流，增强学习兴趣和学习效果。

虚拟实验教学改进 现代控制理论的教学目标除了要求学生学习与掌握理论知识，还要求学生能够应用控制系统的设计方法解决实际问题，为本科毕业设计（论文）和研究生阶段学习打下坚实基础，因此，现代控制理论教学需配备相应的实验（或虚拟实验）教学。现代控制理论主要考察多变量系统，为了增强学习效果，可以通过仿真软件对多变量系统进行仿真实验，应用相对比较广泛的软件有MATLAB、LabVIEW、Multisim等仿真软件。运用MATLAB和LabVIEW软件所包含的控制工具箱和库函数，可以简单快捷地设计控制器，并应用到系统数学模型或实际模型的控制中，更能直接体会与感受控制器的性能特点与控制效果。使用LabVIEW软件可以设计前面板，模拟实际对象，更具有可观赏性；使用Multisim软件可以设计复杂电路，模拟真实电路，观察电流、电压变化情况，对系统的分析与综合更具有直观性，加强学生对所学内容的理解。同时，MATLAB软件的M语言和LabVIEW软件的G语言的程序编写控制算法程序可以加深学生对工程实践中控制算法的实质与具体实现的理解。由于课时的局限性，大部分院校都没有开设实验课程，但可以通过教师展示实验流程和提供实验方案，安排学生课后完成相应实验内容。

5 结语

针对《工程教育认证标准》中毕业要求强调的复杂工程问题的分析与解决，笔者结合现代控制理论课程的教学特点和目标，根据自身教学经验分析教学过程中的关键问题，给出相应的教学改革策略。根据本文的教学改革方案，对现代控制理论课程进行教学实践，并从教学过程中不断总结与分析，使得学生掌握现代控制理论的理论知识与设计应用，增强复杂工程问题的解决能力。

参考文献

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[9]胡乾苗.LabVIEW虚拟仪器设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2016.

[10]赵全利，李会萍.Multisim电路设计与仿真[M].北京：机械工业出版社，2016.