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摘 要：为了促进学生对《现代控制理论》课程内容的理解，提高学生分析问题、解决问题的能力，激发学生探索科学的积极性，全面提高课程的教学质量，本文从教学内容、教学方法上进行了一些探讨,给出了实施教学改革的主要思路和具体措施。
关键词：现代控制理论；教学内容；教学方法；教学改革
中图分类号：G64 文献标识码：A
文章编号：1009-0118（2012）08-0106-02
《现代控制理论》课程内容广泛，包括建立系统状态空间表达式的数学模型，分析系统状态的运动规律，分析系统的可控性、可观性、稳定性等基本特性，设计基于状态反馈和输出反馈的控制器等内容［1,2］。课程具有跨学科、理论性强等特点及概念抽象、难于掌握等问题。为了促进学生对课程内容的学习，培养学生掌握知识的能力和运用理论指导实践的能力，提高学生创新能力和综合素质，本文探讨了以实际的物理对象为背景，紧密联系工程实际，学以致用的理论与实践相结合的教学模式，并相应地对教学内容、教学方法进行了配套改革。
一、课程教学的改革
（一）激发学习的兴趣，坚持课程地位
《现代控制理论》课程不但是高校本科自动化专业、电气工程及其自动化专业的重要专业基础课程，并且将为学生今后从事各种实际控制系统的分析、设计工作提供理论基础，其在教学上的地位可见一般。
如何让学生真正理解和体会到这一点，从而主动地、积极地学好该课程呢？子曰：知之者，不如好之者；好之者，不如乐之者。兴趣是最好的老师，从第一堂课开始就应该着重激发、培养学生对课程的兴趣。在绪论中，摒弃了传统教学中发展历史的简单罗列，取而代之的是声情并茂的图文、视频展示。根据自动控制系统在工业、农业、交通、国防、航空航天等多个领域的应用，组成多个视频资料，包括工厂自动化、自动化喷灌系统，城市智能交通系统、海陆空天一体的指挥体系、月球探测机器人、中国第一个目标飞行器“天宫一号”等，既融入了大量专业信息，又激发了学生的求知的欲望、探索的兴趣和激情。使学生感觉到控制理论在生产、生活和国防等方面的重要作用，体会到控制理论对于个人职业发展的美好前景，从而明确自己学习的目标，提高課程学习的主动性，由被动地“听”转变成主动地“看”，转变成积极地“探索”，牢固地树立了该课程在专业学习中所处的重要地位。
（二）理论联系实践
《现代控制理论》是一门理论性很强的课程，如何做到深入浅出、通俗易懂，避免繁琐公式机械的推导，复杂理论苍白的陈述呢？所谓“实践是认识源泉”，“理论来源于实践”，所以在授课过程中，紧密结合工程实践是非常必要的［3-5］。
比如，在讲述第一章节控制系统的状态空间表达式的时候，我们引入倒立摆系统。倒立摆就其本身而言是一个不稳定的非线性多变量复杂系统，如何保持小车上的倒立摆杆不倒是一个集控制技巧性与趣味性于一体的课题。倒立摆本体主要由小车和摆杆组成。因此，我们可以运用牛顿力学原理，分别建立小车、摆杆两部分的微分方程模型［5］。由于倒立摆是一个非线性系统，因此当我们采用线性方法进行控制器设计时，需要将非线性的模型在其工作点附近进行线性化，根据线性化后的微分方程，建立倒立摆本体的状态空间表达式。通过倒立摆的状态空间表达式建立，状态方程、输出方程、系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵及直接转移矩阵等基本概念及建立状态空间表达式的机理更有利于学生掌握并理解。然后再推广到一般的线性定常系统状态空间表达式，考虑到参数矩阵与时间的关系，再引深到线性时变系统。通过这样由实践到理论的授课方式，不但避免了复杂理论苍白的陈述，繁琐公式机械的推导，并且加深了学生对理论知识的理解、掌握和记忆，增强了学生分析问题、解决问题的能力及探索科学的积极性。
（三）强调课程知识单元之间的逻辑性
课程过程中注重各个知识单元之间的衔接，强调各个知识单元之间的逻辑性，避免死记硬背、生搬硬套，帮助学生构建出本课程的知识体系整体结构。比如在讲述系统的运动分析过程中，可以以倒立摆为例，首先建立倒立摆的数学模型，然后讨论如果施加一个恒定的推力（相当于输入一个阶跃信号），结果会怎么样，显然小车的位移是一直增加的，摆杆的角度也是增加的。这就说明施加恒定的推力作为输入是不合适的，那么什么样的输入是合适的，这就是控制器设计问题了，这就涉及到状态反馈、输出反馈以及极点配置的课程内容了。在设计控制器之前，我们首先要判断所建立的倒立摆系统模型是否可控，这就是涉及到系统可控性、可观性的课程内容了。通过这样的授课方式，加强了课程各个知识单元之间的顺承性、连贯性及逻辑性，形成一个系统的知识体系，前后章节的课程内容相互依存，相互渗透，不但有利于记忆，还有利于培养系统的思维方式。
（四）加强数学基础
控制理论学科，通常又被视为一门应用数学学科。可见，良好的数学基础对于学好现代控制理论课程是非常重要的。所以在教学过程中，教师应当根据课程的进度，有计划地给学生补习诸如线性代数、微分方程、矩阵分析、拉普拉斯变换等数学知识，尤其是前期学习教科书中没有介绍但必须用到的数学知识。比如课程中多次用到的约当标准型矩阵，矩阵指数函数以及最优控制部分所需的变分法基础。通过加强数学基础，帮助学生跨过“数学关”，更有利于专业课程的学习，同时给学生创造一个轻松的心理环境。
（五）重视“学就是为了用”
如果学习仅仅停留在学知识表面，则课程的教学效果、教学目的将大打折扣。所谓“学而不思则罔”，学习就是为了应用，所以要给学生“活学活用”的机会和平台，真正地将知识传授、能力培养、素质教育融为一体。比如，我们提供一个恒温箱控制系统实例，给出控制性能指标的要求。由学生自己建立数学模型，分析其运动特性，判断其可控性、可观性及稳定性，继而设计合适的控制器，最后应用MATLAB仿真来验证系统分析和设计的效果。这种理论指导应用的过程不仅使学生综合使用了所学知识，更使其能力向深层次拓展，并进一步衍生出新的学习和研究的动力。
二、结束语
本文根据现代控制理论课程的特点和目前在教学方面存在的问题，探讨了教学内容和教学方法上的一些改革措施。教学实践表明，新的教学方式提高了教学质量和效率，培养了学生掌握知识和运用理论指导实践的能力，增强了学生创新能力和综合素质，为培养自动化领域高水平人才打下了坚实的基础。
参考文献：
［1］刘豹.现代控制理论［M］.北京:机械工业出版社,2006.
［2］谢克明.现代控制理论基础(第一版)［M］.北京:北京工业大学出版社,2000.
［3］张梅,苏为洲,刘海明.控制理论基础课程改革实践［J］.高教探索,2007,(S1):99-100.
［4］王卫红,袁少强,吴云洁.现代控制理论研究型自主性综合实验教学方法［J］.实验室研究与探索,2006,25(6):673-675.
［5］刘海龙.倒立摆实验系统的设计与研究［M］.大连:大连理工大学,2006.
关键词：现代控制理论；教学内容；教学方法；教学改革
中图分类号：G64 文献标识码：A
文章编号：1009-0118（2012）08-0106-02
《现代控制理论》课程内容广泛，包括建立系统状态空间表达式的数学模型，分析系统状态的运动规律，分析系统的可控性、可观性、稳定性等基本特性，设计基于状态反馈和输出反馈的控制器等内容［1,2］。课程具有跨学科、理论性强等特点及概念抽象、难于掌握等问题。为了促进学生对课程内容的学习，培养学生掌握知识的能力和运用理论指导实践的能力，提高学生创新能力和综合素质，本文探讨了以实际的物理对象为背景，紧密联系工程实际，学以致用的理论与实践相结合的教学模式，并相应地对教学内容、教学方法进行了配套改革。
一、课程教学的改革
（一）激发学习的兴趣，坚持课程地位
《现代控制理论》课程不但是高校本科自动化专业、电气工程及其自动化专业的重要专业基础课程，并且将为学生今后从事各种实际控制系统的分析、设计工作提供理论基础，其在教学上的地位可见一般。
如何让学生真正理解和体会到这一点，从而主动地、积极地学好该课程呢？子曰：知之者，不如好之者；好之者，不如乐之者。兴趣是最好的老师，从第一堂课开始就应该着重激发、培养学生对课程的兴趣。在绪论中，摒弃了传统教学中发展历史的简单罗列，取而代之的是声情并茂的图文、视频展示。根据自动控制系统在工业、农业、交通、国防、航空航天等多个领域的应用，组成多个视频资料，包括工厂自动化、自动化喷灌系统，城市智能交通系统、海陆空天一体的指挥体系、月球探测机器人、中国第一个目标飞行器“天宫一号”等，既融入了大量专业信息，又激发了学生的求知的欲望、探索的兴趣和激情。使学生感觉到控制理论在生产、生活和国防等方面的重要作用，体会到控制理论对于个人职业发展的美好前景，从而明确自己学习的目标，提高課程学习的主动性，由被动地“听”转变成主动地“看”，转变成积极地“探索”，牢固地树立了该课程在专业学习中所处的重要地位。
（二）理论联系实践
《现代控制理论》是一门理论性很强的课程，如何做到深入浅出、通俗易懂，避免繁琐公式机械的推导，复杂理论苍白的陈述呢？所谓“实践是认识源泉”，“理论来源于实践”，所以在授课过程中，紧密结合工程实践是非常必要的［3-5］。
比如，在讲述第一章节控制系统的状态空间表达式的时候，我们引入倒立摆系统。倒立摆就其本身而言是一个不稳定的非线性多变量复杂系统，如何保持小车上的倒立摆杆不倒是一个集控制技巧性与趣味性于一体的课题。倒立摆本体主要由小车和摆杆组成。因此，我们可以运用牛顿力学原理，分别建立小车、摆杆两部分的微分方程模型［5］。由于倒立摆是一个非线性系统，因此当我们采用线性方法进行控制器设计时，需要将非线性的模型在其工作点附近进行线性化，根据线性化后的微分方程，建立倒立摆本体的状态空间表达式。通过倒立摆的状态空间表达式建立，状态方程、输出方程、系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵及直接转移矩阵等基本概念及建立状态空间表达式的机理更有利于学生掌握并理解。然后再推广到一般的线性定常系统状态空间表达式，考虑到参数矩阵与时间的关系，再引深到线性时变系统。通过这样由实践到理论的授课方式，不但避免了复杂理论苍白的陈述，繁琐公式机械的推导，并且加深了学生对理论知识的理解、掌握和记忆，增强了学生分析问题、解决问题的能力及探索科学的积极性。
（三）强调课程知识单元之间的逻辑性
课程过程中注重各个知识单元之间的衔接，强调各个知识单元之间的逻辑性，避免死记硬背、生搬硬套，帮助学生构建出本课程的知识体系整体结构。比如在讲述系统的运动分析过程中，可以以倒立摆为例，首先建立倒立摆的数学模型，然后讨论如果施加一个恒定的推力（相当于输入一个阶跃信号），结果会怎么样，显然小车的位移是一直增加的，摆杆的角度也是增加的。这就说明施加恒定的推力作为输入是不合适的，那么什么样的输入是合适的，这就是控制器设计问题了，这就涉及到状态反馈、输出反馈以及极点配置的课程内容了。在设计控制器之前，我们首先要判断所建立的倒立摆系统模型是否可控，这就是涉及到系统可控性、可观性的课程内容了。通过这样的授课方式，加强了课程各个知识单元之间的顺承性、连贯性及逻辑性，形成一个系统的知识体系，前后章节的课程内容相互依存，相互渗透，不但有利于记忆，还有利于培养系统的思维方式。
（四）加强数学基础
控制理论学科，通常又被视为一门应用数学学科。可见，良好的数学基础对于学好现代控制理论课程是非常重要的。所以在教学过程中，教师应当根据课程的进度，有计划地给学生补习诸如线性代数、微分方程、矩阵分析、拉普拉斯变换等数学知识，尤其是前期学习教科书中没有介绍但必须用到的数学知识。比如课程中多次用到的约当标准型矩阵，矩阵指数函数以及最优控制部分所需的变分法基础。通过加强数学基础，帮助学生跨过“数学关”，更有利于专业课程的学习，同时给学生创造一个轻松的心理环境。
（五）重视“学就是为了用”
如果学习仅仅停留在学知识表面，则课程的教学效果、教学目的将大打折扣。所谓“学而不思则罔”，学习就是为了应用，所以要给学生“活学活用”的机会和平台，真正地将知识传授、能力培养、素质教育融为一体。比如，我们提供一个恒温箱控制系统实例，给出控制性能指标的要求。由学生自己建立数学模型，分析其运动特性，判断其可控性、可观性及稳定性，继而设计合适的控制器，最后应用MATLAB仿真来验证系统分析和设计的效果。这种理论指导应用的过程不仅使学生综合使用了所学知识，更使其能力向深层次拓展，并进一步衍生出新的学习和研究的动力。
二、结束语
本文根据现代控制理论课程的特点和目前在教学方面存在的问题，探讨了教学内容和教学方法上的一些改革措施。教学实践表明，新的教学方式提高了教学质量和效率，培养了学生掌握知识和运用理论指导实践的能力，增强了学生创新能力和综合素质，为培养自动化领域高水平人才打下了坚实的基础。
参考文献：
［1］刘豹.现代控制理论［M］.北京:机械工业出版社,2006.
［2］谢克明.现代控制理论基础(第一版)［M］.北京:北京工业大学出版社,2000.
［3］张梅,苏为洲,刘海明.控制理论基础课程改革实践［J］.高教探索,2007,(S1):99-100.
［4］王卫红,袁少强,吴云洁.现代控制理论研究型自主性综合实验教学方法［J］.实验室研究与探索,2006,25(6):673-675.
［5］刘海龙.倒立摆实验系统的设计与研究［M］.大连:大连理工大学,2006.