专题研究式教学方法在研究生现代控制理论课程教学中的应用

专题研究式教学方法在研究生现代控制理论课程教学中的应用席雷平;董海瑞;齐晓慧
【摘要】现代控制理论课程是我院研究生开设的一门重要学位课程,结合该课程的特点和教学中存在的问题,将专题研究式教学方法引入到课程教学中,具体围绕理论
与实践结合、讲授与讨论结合、教材与论文结合、内容与方法结合四方面进行了探索和实践.实践表明,专题研究式教学对于提高研究生学习的积极性,培养科研能力和创新能力具有一定的促进作用.
【期刊名称】《中国现代教育装备》
【年(卷),期】2018(000)009
【总页数】3页(P36-37,40)
【关键词】现代控制理论;研究生教学;专题研究
【作者】席雷平;董海瑞;齐晓慧
【作者单位】陆军工程大学石家庄校区河北石家庄 050003;陆军工程大学石家庄
校区河北石家庄 050003;陆军工程大学石家庄校区河北石家庄 050003
【正文语种】中文
现代控制理论课程是我院非控制类专业研究生开设的一门重要学位课程，该课程包含的内容很多，具有较强的理论性、系统性和学科交叉性，概念抽象，工程运用背景突出等特点[1]。

学生缺乏感性认识，不易理解，普遍反映学习上有一定的难度，传统的课堂讲授很难达到预期的教学效果。

结合课程特点和教学过程中发现的问题，
课程教学以专题为形式，以解决问题为目标，将专题研究教学方法引入课程教学，在理论与实践、讲授与讨论、教材与论文、内容与方法等方面进行了深入的探索和实践，旨在帮助学员转变传统的学习观念、获取知识、深化理解、并在学习知识的过程中培养科学研究的能力，提高学生的创造性思维能力和分析问题、解决问题的能力。

1 课程教学中存在的问题
笔者所在的课程教学组通过日常的教学和听课学习以及与研究生的交流等，调研了我院研究生现代控制理论课程教学过程中存在的相关问题，经梳理和总结，主要表现在以下几方面。

1.1 重理论轻实践
现代控制理论课程包括了线性系统理论、建模和系统辨识、最优滤波理论、最优控制、自适应控制5个分支，课程教学内容多，而且难以理解。

在教学过程中，教师把绝大部分时间都分配在了理论知识传授方面，忽略了实践和运用。

学生学习起来比较枯燥，对相关理论的运用背景模糊，对控制器的设计和分析只能停留在理论层面，造成了理论与实践的脱节，不利于学生学习兴趣和能力素质的培养。

1.2 重教师轻学生
在课程教学中，没有充分考虑研究生能力和素质培养的要求，保持了本科生教学的惯性思维，教师独占课堂的情况较为严重，没有给予学生更多学习和思考的空间，忽略了学生在学习中的主体地位。

在这种模式下，学生作为被动的接受者，学习上缺乏主动性和积极性，容易产生“等”和“靠”的思想，过于注重知识的学习，忽略了能力的培养，科研能力和创新思维得不到相应的训练。

1.3 重教材轻论文
受传统教学思想和教学内容的影响，课程教学在内容的选取上存在着重教材轻论文的现象。

相关教学内容主要从教材中进行选取，很少从最新发表的论文文献中进行
选取，内容较为陈旧。

教材中的内容多为一些传统的基础性理论，学生通过对教材内容的学习，只能对基本概念、理论和方法等进行学习，很难了解相关理论的最新发展动态和运用情况，不利于开阔学生的眼界，也不利于启发学生的科研思维。

1.4 重内容轻方法
在教学过程中，对教学内容的组织和设计比较精心，但对于不同教学内容所采取的教学方法缺乏合理的设计和运用。

教学内容大都采取了讲授的方法进行，缺少讨论、阅读和仿真实验等环节设计，教学方法相对比较单一，造成了课堂教学气氛不够活跃，影响了学生的积极性。

例如对于控制器的设计，采用理论分析和例题讲解的方法，费时费力，而且效果还不好；如果采用Matlab仿真的方法，则会收到事半功倍的效果。

2 专题研究式教学方法在课程教学中的运用
为了提高教学质量，调动学生主动学习的积极性，课程教学组将专题研究教学方法运用到现代控制理论课程的教学中，把研究生的科研创新能力培养向前延伸到课程学习阶段，使学生体会科学研究的一般过程和方法，培养他们课题研究的能力和素质，为后续开展课题研究奠定知识和能力基础。

根据课程教学中存在的相关问题，有针对性地从理论与实践、讲授与讨论、教材与论文、内容与方法等方面对专题研究教学方法在课程教学中的运用进行了探讨和实践。

2.1 理论与实践结合
针对课程教学重理论轻实践的问题，教学采取理论和实践相结合的方式进行，降低课程学习的难度，增强学生学习的获得感，提高学以致用和解决实际问题的能力。

具体实施过程中，对教学内容进行设计和规划，对于基本概念和理论、控制思想和原理等内容可采取讲授的方式进行，对于控制器的设计、性能分析、系统校正等内容则结合Matlab/Simulink仿真进行，这样做不仅可简化计算过程，而且能将抽
象的内容以直观图形的形式表示出来，利于学生理解，降低了学习的难度，提高了
学习的效率；此外，借助Matlab对具体实例的仿真过程，教师还可将自己的科研思路和方法传授给学生，启发学生的科研思维方式，培养学生的科研能力和创新能力，为后续课题研究奠定基础。

2.2 讲授与讨论结合
为了改变教师为中心的传统教学方法，可在专题研究式教学中采取讲授和讨论结合的方式进行，以调动研究生学习的主动性和积极性，培养他们的创新思维和解决问题的能力。

在具体的专题教学过程中，可采取“要点讲授－问题提出－文献阅读－学生讨论－教师总结”的流程进行。

首先，教师对讲授的内容要进行精心提炼，重点讲授专题中所涉及的基本原理和学习思路，并结合所讲授内容提出问题(例如为
什么采用这种方法而不用其他方法去解决问题？这种方法对系统的性能有哪些影响？有什么局限性？等)，并将事先准备好的一些文献资料发给学生。

其次，学生带着
这些问题对教材和文献进行自主学习，为后面的讨论做准备。

在后续讨论的过程中，教师要鼓励学生积极发言并给予适当的指导，及时指出相关的问题，对学生的讨论进行有益的补充和改正。

最后，教师对整个授课过程进行总结，不仅要对之前提出的相关问题进行全面的分析，而且还要对讨论过程进行讲评。

2.3 教材与论文结合
针对教学内容大多来自教材，学生很难了解该学科相关理论的发展前沿和实践运用情况，在专题内容的学习过程中，采取教材和文献相结合的方法进行内容选择。

以教材内容为基础，以相关学术论文和硕士论文为补充。

学生通过对教材内容的学习了解现代控制的基本理论知识，具体包括基本概念、相关控制方法的思想、控制器的组成和原理、系统性能分析和校正等内容，用以奠定理论基础；通过对文献的学习了解相关控制方法的工程运用背景、控制器的设计过程、控制性能的仿真分析方法等，借此了解相关理论发展和运用前沿，体会前辈的研究思路和解决问题的方法，增强自身的文献阅读能力和科研学术能力[2]。

具体实施过程中，教师要对相关专
题内容涉及的文献进行精选，并提前通过电子邮箱发送给学生，给学生留有足够的时间进行自主学习。

2.4 内容与方法相结合
针对教学方法不够灵活的问题，对不同的专题，或者同一专题的不同部分，采取多种教学手段融合的方法提高教学效果。

在具体教学过程中，将课程教学内容划分成相对独立的教学专题，针对不同的专题，灵活选择讲授、讨论、阅读、仿真实验等各种教学方法来进行授课。

例如，对于控制系统的状态空间模型，由于该部分为基础部分，主要采用讲授和讨论的方式进行，以讲授为主，以讨论为辅，通过与经典控制理论中传递函数、微分方程和结构图等数学模型的比较，深刻理解状态空间模型的本质，为后续内容的学习奠定基础；对于控制系统的稳定性分析，则采用讲授、讨论和Matlab仿真相结合的形式进行，教师先讲授李雅普诺夫第一法则，然后启发学生自学第二法则，在此基础上，讨论李雅普诺夫定理在线性系统和非线性系统稳定性判别中的应用情况，并通过Matlab对相关实例进行仿真求解，验证相关理论。

3 教学案例
课程教学过程中以状态观测器为例设计的专题研究式教学案例如表1所示。

表1 状态观测器设计专题研究教学设计表教学内容教学方法实施过程能力培养
状态重构问题讲授与讨论相结合由系统的状态变量不能精确测量引出状态重构问
题发现问题的能力状态观测器的设计全维观测器的设计理论与实践相结合教师先
讲授全维观测器的设计步骤，然后结合例题练习加深理解数学推理能力降维观测器的设计教材与论文相结合学生提前阅读相关文献，课堂进行讨论，教师进行讲评
文献阅读和科研能力基于Matlab的状态观测器设计理论与实践相结合教师讲授利用Matlab对观测器进行设计的方法和步骤，布置作业，学生课外进行编程练习解决问题的能力
状态观测器作为现代控制理论课程教学中的重要内容，在控制系统的设计中运用广泛。

在设计该教学专题时，首先由系统状态变量的物理意义不明确，状态变量无法测量给状态反馈的物理实现带来的问题入手，提出采用状态观测(状态重构)的方法解决这一问题[3]；其次，使学生在明白状态观测器设计思想的基础上，讲授和讨
论全维观测器的设计方法和步骤，并通过实例加深学生的理解；再次，与全维观测器进行对比，结合教材和相关论文，让学生自主学习降维观测器的设计方法和步骤；最后，利用Matlab对全维观测器和降维观测器进行设计和仿真。

结合专题中各部分教学内容，对教学过程中的教学方法、实施过程进行设计，以培养学生的综合能力。

4 结语
结合学院现代控制理论研究生课程的教学内容和教学特点，将专题研究教学方法引入到课程教学中，收到了较好的教学效果。

通过课程教学，学生不仅掌握了课程的基本概念、控制原理和方法，而且对相关控制方法的最新研究成果和研究方向有了一定的了解。

教学实践表明，专题研究教学提高了学生的综合素质，使学生不仅学习了知识，打牢了基础，而且启发了思维，开阔了眼界，培养了科研能力和创新思维。

在课程的学习过程中，学生在知识学习和能力培养方面的训练，将会对他们今后进行课题研究具有一定的促进作用。

参考文献
【相关文献】
[1]杨春雨,孙晓燕,陈颖.“现代控制理论”课程教学改革研究与探索[J].电气电子教学学
报,2015,37(2):17-18.
[2]王永川,齐晓慧.“线性系统理论”研究生课程的专题研究式教学[J].电气电子教学学
报,2010,32(2):109-110.
[3]谢克明,李国勇.现代控制理论[M].北京:清华大学出版社,2010:259-268.。