張慧妍+金學(xué)波+劉翠玲+蘇婷立

摘 要 線性控制系統(tǒng)課程是控制工程全日制專業(yè)研究生的專業(yè)必修課，為更好地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化基礎(chǔ)、側(cè)重實(shí)踐與應(yīng)用的教學(xué)目的，對(duì)課程進(jìn)行改革是十分必要的。從課程選材與內(nèi)容優(yōu)化出發(fā)，奠定改革的基礎(chǔ)與框架，通過課后延續(xù)與實(shí)驗(yàn)的協(xié)同配合，提升實(shí)踐教學(xué)的深度與廣度，最后提出有效的過程考核機(jī)制，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與實(shí)踐潛能具有積極的引導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 專業(yè)學(xué)位碩士；線性控制系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)；MATLAB

中圖分類號(hào)：G643.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）18-0097-03

1 引言

以1991年清華大學(xué)等九所高校開始招收工商管理碩士研究生為標(biāo)志，我國(guó)拉開了專業(yè)學(xué)位研究生教育的序幕。《教育部關(guān)于做好全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作的若干意見》（教研〔2009〕1號(hào)）指出，專業(yè)學(xué)位碩士研究生，相對(duì)于學(xué)術(shù)型碩士研究生而言，其目的是培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)，并適應(yīng)特定行業(yè)或職業(yè)實(shí)際工作需要的應(yīng)用型高層次專門人才[1]。雖然人們都理解專業(yè)學(xué)位研究生教育與學(xué)術(shù)型研究生教育面向的差異，但是培養(yǎng)過程中亟待強(qiáng)化內(nèi)涵建設(shè)，凸顯自身特色。特別是2009年后，由于專業(yè)碩士教育發(fā)展迅速，招生比例和招生專業(yè)都有大幅度增加。截至2015年的研究生報(bào)考統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，專業(yè)學(xué)位碩士招生占研究生總招生的50%以上。

因此，基于專業(yè)碩士培養(yǎng)人數(shù)不斷增多，培養(yǎng)目標(biāo)定位明晰的現(xiàn)狀，進(jìn)行有針對(duì)性調(diào)整，切實(shí)解決專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)中涉及的內(nèi)涵、特色、差異化教育問題，以專業(yè)實(shí)踐為導(dǎo)向，進(jìn)行注重應(yīng)用的教學(xué)改革探索工作是必要而緊迫的[2-3]。

控制工程專業(yè)碩士學(xué)位是設(shè)置在控制科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科下的學(xué)科領(lǐng)域，培養(yǎng)目的是以工程領(lǐng)域中的控制系統(tǒng)為主要對(duì)象，以控制理論、檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為主要工具，研究和實(shí)現(xiàn)各種控制裝置、控制策略及控制系統(tǒng)的理論與技術(shù)、應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行。

2 線性控制系統(tǒng)課程改革框架

線性控制系統(tǒng)課程作為控制工程專業(yè)碩士學(xué)位培養(yǎng)中的一門必修理論課程，如圖1所示，是后續(xù)多門主干課程的基礎(chǔ)。以往這門課程的開設(shè)較多地借鑒了學(xué)術(shù)學(xué)位研究生控制理論與控制工程的教學(xué)模型，具有一定的盲目性。近三年來，結(jié)合專業(yè)學(xué)位人才培養(yǎng)要求，進(jìn)行適當(dāng)改革與調(diào)整，主要涉及教材甄選、內(nèi)容精練、教法改革等方面。

線性控制系統(tǒng)這門課程是整個(gè)系統(tǒng)與控制科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，針對(duì)多輸入多輸出系統(tǒng)，從動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、分析和綜合三個(gè)方面，系統(tǒng)地介紹控制理論的基本概念和方法。

目前，國(guó)內(nèi)外可供選擇的相關(guān)教材非常豐富，其中清華大學(xué)鄭大鐘老師編著的教材《線性控制系統(tǒng)理論》，內(nèi)容豐富，翔實(shí)完整[4]；美國(guó)加利福尼亞大學(xué)理查德·C.多爾夫教授等人主編的教材Modern Control Systems，則一直是該類課程暢銷全球的教材范本，例子和習(xí)題大多取材于現(xiàn)代科技領(lǐng)域中的實(shí)際問題，新穎而恰當(dāng)[5]。

本文教學(xué)團(tuán)隊(duì)依據(jù)少而精的原則，最后選定西安電子科技大學(xué)李俊民老師主編的《線性控制系統(tǒng)理論與方法》[6]

作為教材，以實(shí)現(xiàn)在34學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)要求下，能夠幫助學(xué)生形成課程的主要框架（如圖2所示），并對(duì)其中的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行深入分析、計(jì)算、仿真研究。同時(shí)強(qiáng)調(diào)上述兩本經(jīng)典教材作為主要參考書目，以輔助學(xué)生從不同角度、深度去研究問題。

線性控制系統(tǒng)這門課程從狀態(tài)空間模型及其求解部分開始，給學(xué)生以應(yīng)用性強(qiáng)、需要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較多的印象，但是煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)并不適合專業(yè)型碩士。因此在講授這門課程的時(shí)候，要針對(duì)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行凝練，以強(qiáng)化關(guān)于控制系統(tǒng)的概念、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)的思考方法。穩(wěn)定性、能控性與能觀測(cè)性是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的三個(gè)主要性質(zhì)，其中穩(wěn)定與否是決定系統(tǒng)可否應(yīng)用的首要條件。利用對(duì)偶原理，課堂可重點(diǎn)講解能控性或能觀測(cè)性之一即可。線性反饋系統(tǒng)的時(shí)間域綜合，涉及的概念比較多，其中的極點(diǎn)配置、動(dòng)態(tài)解耦、跟蹤控制和擾動(dòng)抑制，對(duì)于從事控制系統(tǒng)研究的學(xué)生非常重要，也是仿真研究部分的重頭戲。

在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生網(wǎng)上查閱魯棒控制、最優(yōu)控制及自抗擾控制的相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)其中某項(xiàng)主題，如參數(shù)調(diào)試方法、穩(wěn)定范圍、響應(yīng)性能等，進(jìn)行分析、推導(dǎo)、仿真研究，形成學(xué)習(xí)報(bào)告。

3 課后延續(xù)學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)的有機(jī)協(xié)調(diào)

為了深化線性控制系統(tǒng)的相關(guān)概念、理論，僅僅依靠課堂教學(xué)是不夠的。以課后作業(yè)為手段的課后延續(xù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)相輔相成，成為鞏固知識(shí)、深化概念的有效途徑。

如圖3所示，通過第二章“線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”部分的教學(xué)引導(dǎo)，學(xué)生能夠獨(dú)立進(jìn)行對(duì)實(shí)際問題的物理認(rèn)識(shí)、理解、抽象，而后建立數(shù)學(xué)模型。具有了這些基本知識(shí)與技能后，布置作業(yè)，要求學(xué)生對(duì)具有實(shí)際應(yīng)用意義的控制系統(tǒng)進(jìn)行前期的基礎(chǔ)調(diào)研與分析，采用手工推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型與MATLAB仿真計(jì)算并行結(jié)合的方式，逐一分析研究對(duì)象的能控性、能觀測(cè)性與穩(wěn)定性，既掌握了理論知識(shí)，又提升了解決問題的能力。

最后的綜合性分組大實(shí)驗(yàn)，其設(shè)置目的是從測(cè)（能觀測(cè)）、控（能控制）兩方面結(jié)合，通過控制實(shí)際的一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)及機(jī)器魚對(duì)抗仿真演示，一方面便于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確線性控制系統(tǒng)中知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際可用性；另一方面通過編程實(shí)現(xiàn)，直觀地檢驗(yàn)控制效果，便于發(fā)現(xiàn)問題，深化研究與學(xué)習(xí)。此外，對(duì)機(jī)器魚仿真大作業(yè)完成效果較好的團(tuán)隊(duì)，建議其參加每年舉辦的機(jī)器人大獎(jiǎng)賽，以進(jìn)一步深化難度，增強(qiáng)對(duì)抗性，推廣應(yīng)用。

總之，對(duì)于控制工程專業(yè)型碩士研究生，線性控制系統(tǒng)這門理論性強(qiáng)與實(shí)踐聯(lián)系緊密的必修課的教學(xué)探索，應(yīng)基于專業(yè)學(xué)位研究生對(duì)實(shí)踐能力有較高要求這一目的，從研一開始引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)仿真軟件編程解決一些具有應(yīng)用背景的題目。這樣，通過學(xué)習(xí)和解決這些理論與實(shí)踐問題，可以使學(xué)生的創(chuàng)造性精神得到潛移默化的提升。

通過學(xué)習(xí)內(nèi)容的逐步深化、推進(jìn)，前期主要設(shè)立針對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)的演練，而后期則通過綜合性大實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分與總體的分解與綜合訓(xùn)練。其中，通過設(shè)立大綜合性應(yīng)用問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模塊分解，進(jìn)而自愿分組實(shí)驗(yàn)，通過團(tuán)隊(duì)交流、討論，協(xié)作完成本組任務(wù)；而后整個(gè)班級(jí)的幾大模塊組合，共同完成一個(gè)綜合任務(wù)。這一過程模擬了實(shí)際工程項(xiàng)目的團(tuán)體協(xié)作過程，鍛煉了學(xué)生的多方面能力。endprint

近年來，北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院也一直重視專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐基地與產(chǎn)學(xué)研工程實(shí)踐教學(xué)基地的建設(shè)，每學(xué)期開學(xué)，通過與企業(yè)導(dǎo)師交流，向?qū)W生公布目前企業(yè)需要解決且與線性控制系統(tǒng)課程相關(guān)的實(shí)際問題，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生開闊性思維、密切校企合作是非常有意義的，后續(xù)這方面的合作也是課程改革需要深入探索的一個(gè)方面。

4 有效的考核與引導(dǎo)

近年來，隨著專業(yè)學(xué)位研究生數(shù)量不斷增長(zhǎng)，在教學(xué)與科研過程中也的確遇到過個(gè)別不夠努力的學(xué)生。近年來，國(guó)家及學(xué)校也在思考并探索如何通過有效的考核手段，引導(dǎo)學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)階段利用時(shí)間與機(jī)會(huì)不斷提升自己的能力。目前，各類獎(jiǎng)學(xué)金的設(shè)置以及廣泛性的拓展，的確對(duì)研究生的學(xué)習(xí)與科研具有積極的促進(jìn)作用，學(xué)生更注重最后的學(xué)習(xí)成績(jī)與研究成果的發(fā)表。而與學(xué)術(shù)型碩士以學(xué)術(shù)研究為導(dǎo)向，偏重理論和研究的培養(yǎng)目的不同，專業(yè)碩士培養(yǎng)在專業(yè)和專門技術(shù)上受到正規(guī)、高水平訓(xùn)練的高層次人才。實(shí)踐能力在專業(yè)學(xué)位碩士研究生的學(xué)習(xí)與研究過程中備受重視，因此，過程考核與引導(dǎo)尤為關(guān)鍵。

建立以社會(huì)需求的學(xué)生能力為導(dǎo)向的考核機(jī)制，可高效引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)習(xí)能力。表1為總結(jié)的控制工程專業(yè)碩士在線性控制系統(tǒng)課程中的培養(yǎng)能力列表。在課程開展過程中應(yīng)遵循以專業(yè)能力培養(yǎng)為主，其他綜合能力培養(yǎng)為輔的原則，注重增加平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、文檔與PPT匯報(bào)在總成績(jī)中所占百分比。其中參與綜合性大實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)尤為重要，在過程中表現(xiàn)出的發(fā)現(xiàn)問題能力，通過網(wǎng)絡(luò)、書本讀物等收集資料、進(jìn)行調(diào)研的能力，團(tuán)隊(duì)合作能力及專業(yè)能力等，是多方面能力的綜合表現(xiàn)。其中考核既要考核團(tuán)隊(duì)，又要細(xì)化到個(gè)人的貢獻(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的有效監(jiān)督與鞭策。

5 結(jié)束語(yǔ)

課程居于學(xué)校教育事業(yè)的核心，是實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)的中介，一個(gè)人才培養(yǎng)類型的改革發(fā)展必須以課程的改革發(fā)展為基礎(chǔ)和先導(dǎo)[5]。線性控制系統(tǒng)作為控制工程全日制專業(yè)型研究生培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)課程，具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用性廣的特點(diǎn)，是后續(xù)眾多課程的基礎(chǔ)。本文從課程架構(gòu)、選材、內(nèi)容凝練、課后延續(xù)與實(shí)驗(yàn)的協(xié)同等方面，介紹近年來的改革探索經(jīng)驗(yàn)，特別強(qiáng)調(diào)不斷由點(diǎn)到面地逐步增強(qiáng)課程理論教學(xué)與實(shí)踐的聯(lián)系，是本門課程建設(shè)的關(guān)鍵。最后指出，為了突出實(shí)踐能力的切實(shí)培養(yǎng)，可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的階段性學(xué)習(xí)成果進(jìn)行多角度、分階段的考核。依據(jù)社會(huì)對(duì)專業(yè)型控制工程研究生的能力需求，確定需要注意培養(yǎng)的能力，并對(duì)學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行全面考查，目的是引導(dǎo)學(xué)生改善學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)方式，能夠自主探究，不斷提高學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，提高綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[5]Dorf R C， Bishop R H. Modern Control Systems[M].12th edition.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6]李俊民，李靖，等.線性控制系統(tǒng)理論與方法[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.endprint