摘 要 數(shù)字化和智能化技術(shù)的發(fā)展對“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)提出新要求。文章在分析“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題的基礎(chǔ)上，以智慧教學(xué)平臺為載體，從改進教學(xué)模式、強化實踐探索和融入新興技術(shù)等多方面進行教學(xué)改革探索。通過優(yōu)化教學(xué)資源、加強教學(xué)互動、改善學(xué)習(xí)體驗、工程應(yīng)用和專業(yè)深度融合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動機，增強對學(xué)生創(chuàng)新思維和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，課程教學(xué)效果得到有效提升。

關(guān)鍵詞 數(shù)智化；現(xiàn)代控制理論；教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.039

Teaching Reform Exploration of Modern Control Theory Course

under the Background of Digitalization and Intelligence

Abstract The development of digital and intelligent technologies has put forward new requirements for the teaching of "Modern Control Theory" course. Based on the analysis of the current situation and existing problems in the teaching of "Modern Control Theory" course， this article explores teaching reform from multiple aspects， such as improving teaching modes， strengthening practical exploration， and integrating emerging technologies， using a smart teaching platform as a carrier. By optimizing teaching resources， strengthening teaching interaction， improving learning experience， integrating engineering applications and professional depth， students' learning interest and motivation have been stimulated， and the cultivation of students' innovative thinking and engineering literacy has been enhanced. The teaching effectiveness of the course has been effectively improved.

Keywords digitalization and intelligence; modern control theory; teaching reform

以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息技術(shù)飛速發(fā)展，社會建設(shè)向“數(shù)字化+智能化”方向轉(zhuǎn)型，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向數(shù)智融合方向轉(zhuǎn)型升級，產(chǎn)業(yè)革新對高校人才培養(yǎng)也提出新需求[1]。近年舉辦的產(chǎn)教融合發(fā)展戰(zhàn)略、數(shù)智教育發(fā)展等國際論壇深入探討了數(shù)智化時代高等教育發(fā)展的新趨勢[2]，教育數(shù)智化轉(zhuǎn)型不僅是技術(shù)層面的更新，也是教育理念和教學(xué)模式的深度變革[3]。

作為連接不同工程領(lǐng)域的橋梁，控制技術(shù)在數(shù)智化時代呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢，與之對應(yīng)的控制類專業(yè)人才培養(yǎng)和課程教學(xué)也應(yīng)進行適應(yīng)性改革[4]?，F(xiàn)代控制理論是控制類專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，對于學(xué)生控制學(xué)科知識體系的構(gòu)建至關(guān)重要[5]。中國民航大學(xué)現(xiàn)代控制理論課程的授課對象為自動化、電氣工程及其自動化等具有顯著民航行業(yè)特色的本科專業(yè)，面對行業(yè)發(fā)展新需求，如何結(jié)合數(shù)智化時代背景和行業(yè)特色，有針對性地提高課程教學(xué)質(zhì)量以適應(yīng)新時代復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型，已成為課程教學(xué)改革的重點。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀與主要問題分析

1.1 現(xiàn)代控制理論課程具有概念抽象、理論深奧、內(nèi)容繁雜等特點

控制理論中的基本概念和方法涉及較多數(shù)學(xué)知識，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和抽象思維能力提出了較高的要求[6]。同時，控制理論的發(fā)展和應(yīng)用與其他學(xué)科產(chǎn)生廣泛交叉，進一步強調(diào)了跨學(xué)科知識的重要性，學(xué)生的相關(guān)知識儲備對學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生了顯著影響。課程知識點多、分布零散、難度高，而當(dāng)前教學(xué)實施中未充分關(guān)注學(xué)生在前續(xù)知識儲備、學(xué)習(xí)能力等方面的個體差異，導(dǎo)致部分學(xué)生在面對復(fù)雜理論講解時感到力不從心，影響其學(xué)習(xí)動力和學(xué)習(xí)成效，課程的整體教學(xué)效果一般。

1.2 課程總學(xué)時有限而知識點繁多

本課程多采用教師為主導(dǎo)、學(xué)生被動接受知識的傳統(tǒng)方式進行教學(xué)設(shè)計，未充分運用現(xiàn)代化教學(xué)資源和工具。單一化的教學(xué)方式限制了課堂教學(xué)的互動性和靈活性，單向的信息傳遞方式導(dǎo)致學(xué)生缺乏主動探索和自主學(xué)習(xí)的動力，教學(xué)效率不高，教師也難以及時獲得學(xué)習(xí)效果反饋。此外，教學(xué)過程中僅采用基礎(chǔ)的驗證性實驗作為理論教學(xué)的補充，缺乏足夠的案例分析和實踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生僅關(guān)注于理論計算解題，而忽視了對基本概念的深入思考以及與實際應(yīng)用的結(jié)合，在培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決實際問題的能力方面存在不足。

1.3 課程注重講授控制理論中的基本概念和分析設(shè)計方法等基礎(chǔ)知識[7]

隨著人工智能、云計算、系統(tǒng)互聯(lián)等技術(shù)的飛速發(fā)展，控制領(lǐng)域的新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，而現(xiàn)有課程內(nèi)容相對陳舊、更新較慢，尤其缺乏對數(shù)智化背景下控制領(lǐng)域新興技術(shù)的介紹，未能及時反映控制領(lǐng)域最新的研究進展和技術(shù)革新，存在與前沿技術(shù)脫節(jié)的情況，導(dǎo)致學(xué)生所構(gòu)建的知識體系無法與行業(yè)的實際應(yīng)用需求緊密對接，不利于培養(yǎng)學(xué)生對新興技術(shù)和行業(yè)趨勢的快速學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。

2 課程教學(xué)改革措施

借助數(shù)字信息技術(shù)的優(yōu)勢，教學(xué)團隊以人才培養(yǎng)需求為牽引，綜合運用多種媒介，如圖1所示，開展了可視化好、互動性強的數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，構(gòu)建了能夠滿足教師線上/線下混合式教學(xué)和學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求的智慧教學(xué)平臺。

以此為支撐，教學(xué)團隊進行了現(xiàn)代控制理論課程的多元化教學(xué)改革探索，以發(fā)揮學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)適應(yīng)性方面的正向作用，實現(xiàn)線上線下教學(xué)活動的有機融合，形成了以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)、問題為導(dǎo)向的課程改革方案。

2.1 改進教學(xué)模式

課程理論難度高、概念抽象不易理解，而傳統(tǒng)教學(xué)雖然使用多媒體課件作為輔助教學(xué)工具，但課件中多是數(shù)學(xué)公式和理論概念的文字描述，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易陷入純數(shù)學(xué)推導(dǎo)而難以建立工程概念。課程內(nèi)容較為枯燥，課堂氣氛沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高。針對這一問題，教學(xué)團隊開展了互動式教學(xué)模式改革，通過優(yōu)化教學(xué)手段，豐富教學(xué)過程等措施，實現(xiàn)教學(xué)效果的提升。

對現(xiàn)有多媒體課件進行優(yōu)化改進，豐富理論知識的輸出方式。增加原理動畫展示、視頻介紹以及模擬實驗演示等內(nèi)容，將抽象的理論概念轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^生動的視覺信息。例如，在講授反饋控制與極點配置這一內(nèi)容時，播放“飛機自動駕駛儀是如何運作的”原理視頻，并利用虛擬仿真展示不同控制律作用下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程，通過視頻和動態(tài)演示輔助理論概念講解，有助于學(xué)生深化對理論知識的理解。

在課堂教學(xué)中，改變教師為主導(dǎo)、學(xué)生被動接受知識的傳統(tǒng)教學(xué)方式，增加教師與學(xué)生的互動交流活動。利用智慧教學(xué)平臺發(fā)起彈幕、投票、即時問答等活動，在豐富教學(xué)過程的同時，幫助教師追蹤學(xué)生對課堂內(nèi)容的掌握情況，形成實時的教學(xué)效果反饋，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生不易掌握的知識點或理解上的誤區(qū)，有針對性地微調(diào)后續(xù)課堂的教學(xué)側(cè)重點，形成教學(xué)過程的有效閉環(huán)。在課堂教學(xué)中以問題為導(dǎo)向，教師從理論知識的單純講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，在控制系統(tǒng)分析和設(shè)計等章節(jié)，以飛機自動駕駛儀、機場無人牽引車等實際系統(tǒng)為工程應(yīng)用背景，設(shè)置開放性問題，展開課堂討論和分組設(shè)計，促使學(xué)生通過主動思考和合作交流給出解決方案。此外，借助智慧教學(xué)平臺打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時間和空間限制，學(xué)生隨時通過在線論壇分享學(xué)習(xí)中的問題，并在線討論及時獲得反饋和解答。這種持續(xù)性互動教學(xué)能夠為學(xué)生提供更靈活更具個性化的學(xué)習(xí)方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和協(xié)作解決問題的能力。

2.2 強化實踐探索

課程強調(diào)理論知識與工程實踐的緊密結(jié)合，開設(shè)實驗環(huán)節(jié)是促進學(xué)生理解和應(yīng)用控制理論的重要途徑[8]。但傳統(tǒng)教學(xué)中僅采用模擬實驗箱開展驗證性實驗，實驗箱集成度較高且出于安全性考慮，學(xué)生僅能按照規(guī)定步驟進行操作，靈活性不高，限制了學(xué)生的深入思考和自由探索。此外，受限于實驗室的空間和時間安排，實驗教學(xué)難以與理論教學(xué)同步進行，降低了兩者的結(jié)合度。這導(dǎo)致學(xué)生對于課程實驗認(rèn)可度不高，難以將課堂所學(xué)理論知識有效應(yīng)用于實際系統(tǒng)，與設(shè)置實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的初衷背道而馳。

為了突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的局限性，打破學(xué)生“重理論計算、輕實踐思考”的學(xué)習(xí)慣性，課程團隊將基于MATLAB的虛擬仿真平臺引入課程教學(xué)全過程，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化實驗資源，將仿真實驗與傳統(tǒng)實物實驗有效融合，以充分發(fā)揮實驗教學(xué)在課程整體教學(xué)中的作用。將控制系統(tǒng)仿真技術(shù)融入課程教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上注重理論知識與虛擬仿真實驗的緊密銜接，教師預(yù)先在智慧教學(xué)平臺在線推送與當(dāng)前課程內(nèi)容對應(yīng)的仿真教學(xué)課件、示例程序和微課視頻，學(xué)生能夠在課外隨時觀看、自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的靈活性。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師進行理論概念講授后，將控制系統(tǒng)的建模和分析設(shè)計等過程進行MATLAB仿真演示，學(xué)生能夠直觀地觀察控制系統(tǒng)的響應(yīng)過程，理解控制設(shè)計的實際作用和效果，通過仿真實驗將抽象的控制理論概念具體化。此外，引入飛機自動駕駛儀、機場無人牽引車等與行業(yè)緊密相關(guān)的典型控制系統(tǒng)案例，增加開放性實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生以小組為單位，借助虛擬仿真平臺提供的便捷安全的實驗環(huán)境，在計算機上模擬復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，并進行性能分析和綜合設(shè)計。學(xué)生可以測試和優(yōu)化不同的控制算法，自由探索控制理論的多種可能性。通過這種教學(xué)方式激發(fā)學(xué)生的獨立思考能力，深化其對控制理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力。

2.3 融入新興技術(shù)

課程旨在使學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)化的控制理論知識框架并用以解決實際工程問題?？刂评碚撟鳛檫B接不同工程領(lǐng)域的橋梁，在航空航天、電力電氣等多個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。而在數(shù)智化背景下，多種新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些技術(shù)既拓寬了控制理論的應(yīng)用場景，也推動了控制理論的發(fā)展。教學(xué)團隊從課程內(nèi)容與教學(xué)實施等方面探索了控制理論基礎(chǔ)知識與新興技術(shù)的融合途徑，以保證課程教學(xué)能夠適應(yīng)技術(shù)革新趨勢和行業(yè)應(yīng)用需求。

在確保涵蓋學(xué)科專業(yè)規(guī)范核心知識點的基礎(chǔ)上，將控制領(lǐng)域的最新技術(shù)動態(tài)融入課程內(nèi)容，針對性地引入大數(shù)據(jù)、云計算、智能感知等與控制理論結(jié)合的前沿技術(shù)和工程實例。課程教學(xué)中，在詳細(xì)講授必要知識點的同時，輔以擴展的技術(shù)熱點，保證教學(xué)內(nèi)容的合理組織，例如：在講授狀態(tài)觀測器設(shè)計時，結(jié)合智能駕駛車輛控制案例，介紹狀態(tài)觀測器與智能感知技術(shù)在車輛狀態(tài)信息精確估計和監(jiān)控中的融合應(yīng)用。

利用智慧教學(xué)平臺發(fā)布與先進控制技術(shù)相關(guān)的科普視頻、技術(shù)講座等在線資源，并鼓勵學(xué)生充分利用校內(nèi)開放教育資源查閱學(xué)術(shù)文獻和在線課程，以豐富學(xué)生獲取前沿控制技術(shù)的途徑。同時，以現(xiàn)代控制理論課程為契機，鼓勵學(xué)生在課程之外積極參與教師的科研工作，并支持學(xué)生申報開展與控制理論相關(guān)的小型科研項目，學(xué)生通過在科研實踐中直接接觸領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點和前沿技術(shù)，實現(xiàn)課程所學(xué)基礎(chǔ)知識與工程實踐應(yīng)用的深度融合。

3 課程教學(xué)改革實踐效果

自開展教學(xué)改革實踐以來，學(xué)生實際到課率和課堂參與度有顯著提高，據(jù)智慧教學(xué)平臺統(tǒng)計，線上資源訪問覆蓋率在90%以上，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力得到有效提升。課程結(jié)課后的匿名問卷調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生在課程內(nèi)容實用度、課程資源豐富度、個性化學(xué)習(xí)支持多個方面給出較高評價，學(xué)生對教學(xué)改革措施的認(rèn)可度較高。改革后本課程的平均成績和課程目標(biāo)達成度呈上升趨勢，尤其在知識綜合運用能力和獨立分析推理能力等方面的達成度提升明顯，課程改革措施已在課程教學(xué)實踐中取得一定成效。

4 結(jié)語

在數(shù)智化時代背景下，教學(xué)團隊針對“現(xiàn)代控制理論”課程教學(xué)中存在的主要問題與不足之處，結(jié)合人才培養(yǎng)需求和行業(yè)特色，以智慧教學(xué)平臺為載體，形成以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)、問題為導(dǎo)向的課程改革方案，圍繞教學(xué)模式改進、實踐探索強化和新興技術(shù)融入等角度對課程改革途徑進行了探索。根據(jù)教學(xué)改革實踐效果反饋，學(xué)生對課程改革措施認(rèn)可度較高，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維和工程素養(yǎng)得以增強，在后續(xù)教學(xué)中將依據(jù)教學(xué)效果反饋持續(xù)推進教學(xué)改革，保證課程教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

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