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摘要：笔者在研读华盛顿协议11条能力培养标准的基础上，从学生毕业就业方向出发，挖掘能力要素，构建能力培养体系，改革理论教学、实践教学与自主学习内容，完善考核办法，体现自主学习要求，实现从知识输入为主向能力输出为主的培养模式改革。三届学生实践表明教学效果良好。
关键词：现代控制理论；教学；改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0123-02
《现代控制理论》课程是自动化专业本科生必修的一门专业基础课，是具有一般方法论性质的技术理论基础课。本课程以控制系统为研究对象，既综合运用了本专业前期开设的数学、物理、电路、电子技术、电机与拖动基础、自动控制原理等课程知识，又将信息论、控制论与系统论的许多概念和理论与工程实际相结合，拓宽和引进了许多新概念、新知识，为本专业学生学习后续课程进一步增强了理论基础与工程意识，提高了综合运用所学知识分析问题的能力。经典控制理论使用微分方程、传递函数等描述系统的运动规律，而现代控制理论采用的是状态空间法，就是用一组状态变量的一阶微分方程组作为系统的数学模型，广泛使用矩阵等高等代数知识，使许多学生认为这门课就是一门数学课。为了提高学生的学习兴趣以及加强能力培养，我们在教学过程中做了一系列的教学改革。
一、教学内容的改革
学习《现代控制理论》课程，合肥学院自动化专业学生一直使用机械工业出版社的“十一五”国家级规划教材《现代控制理论基础》（王孝武教授主编）作为教材，全书共6章，前5章为课堂讲授内容，第6章为自学内容，主要掌握最优控制问题的提法、最优控制问题的定义，了解常用的解法和我国航空航天工程的成就。改革之前该课程3.5学分，42学时理论教学，6学时实验；改革后该课程5学分，140学时学习总量，包括：40学时理论教学、8学时实验、8学时仿真、1周实训、60学时自主学习。从学时分配和内容变化上就可以看出对能力培养的重视。
1.理论教学。从第1章开始，除了书中的例题外，把实验室一阶倒立摆、三容水箱实验装置引入课堂教学，建立了这两个实验装置的数学模型；基于齐次状态方程、非其次状态方程，分析系统的运动规律；采用多种方法判断系统的能控性、能观性，在适当调整系统参数的基础上，可对系统进行结构性分解；针对系统的非线性模型、线性化模型分析系统的Lyapunov稳定性、BIBO稳定性；采用状态反馈、输出反馈，对系统极点进行配置；设计内膜控制器，实现渐近跟踪与干扰抑制；对三容水箱设计解耦控制器，实现多输入多输出系统的解耦控制。在整个理论教学过程中，明确理论的工程价值与应用背景，强调理论的应用与应用的理论。
2.实践教学。在课程教学改革中，强化了实践教学，8学时实验分为1个验证性实验和2个设计性实验；8学时仿真分为4个上机实验，在Matlab环境下对书中所有例题进行编程验证；1周实训要求同学们能将三容水箱实验系统运行起来，并能排除老师设置的运行故障；在自主学习中也安排了3个实训项目。
3.自主学习内容。传统的自主学习包括课前预习、课后复习、做作业、实验前预习、编写实验报告等；在课程教学改革中，规定了自学内容，明确纳入闭卷考试范围，还增加了三个项目。项目一：一阶倒立摆系统的建模。针对实验室一阶倒立摆实验装置，考察学生对控制系统的观察能力、认知能力、机理分析与数学建模能力，提交项目报告。项目二：一阶倒立摆系统的控制设计与实现。根据项目一的结果，在Matlab/Simulink环境下，实现对控制系统的性能分析与控制实现以及变量的图形表示，重点考察学生对控制理论的理解，培养控制系统设计能力和编程能力。项目三：三容水箱的建模、控制设计与实现。就是把项目一和项目二的内容重做一遍。项目一和项目二的考核成绩各占课程成绩的15%。
二、工程能力体系的构建与实现
能力包括一般能力和特殊能力。一般能力指在一项活动中表现出来的思维能力、学习能力、观察力、记忆力等。特殊能力是指在特定的实践活动中所必须具备的分析能力、组织能力、协调能力、创新能力等。高等工程教育中学生的工程能力特指学生的综合素质在工程实践活动中表现出的实际本领和能量。自动化专业学生的工程能力内涵包括五个方面。①控制工程的认知能力，包括熟悉生产流程与工艺、自动化设备与设备操作；②自动控制工程设计能力，包括设计指标、设计原则、设计方法与工程计算方法；③控制工程实施能力，包括项目管理、电路连接、机电设备连接、系统联调与测试；④表达、交流与学习能力，具有广泛交流、文字处理和语言表达与交流能力，具备终生学习的能力；⑤创造创新能力，具有设计和开发较复杂技术系统的创造创新能力，能适应和胜任多变的职业领域，了解工程与社会间的复杂关系，能胜任跨学科合作的协调和合作能力。《现代控制理论》课程的工程能力包括：控制工程认知能力、自动控制工程设计能力、工程实践与项目管理能力、表达交流与自学能力、创造创新能力等，其体系结构如图1所示。
用状态空间法对MIMO复杂系统建模，并进一步通过状态方程求解分析、研究线性控制系统的运动规律，培养学生观察问题、机理分析与建模的能力；研究线性系统的能控性、能观性与结构分解以及一般系统的稳定性，培养学生知识学习与应用能力、逻辑思维能力、创新与创造能力；研究线性定常系统的综合问题，包括状态反馈和输出反馈、极点配置、镇定、状态观测器、解耦控制以及渐近跟踪和干扰抑制等，培养学生的控制工程认知能力、设计能力、解决问题与创新能力；最优控制的基本思想以及最优控制问题的提法、解法等，培养学生的自主学习能力；实验、仿真和实训培养学生的编程能力，系统维护维修与运行管理能力，工程实践与项目管理能力，自主学习能力，表达交流与团队精神。如在项目学习中，每班分成15组，每组3人，分工明确，在实践不同项目时要重新组队，不允许几个人在一起做不同的项目。现在的项目和实验都来自于实验室设备，将来要加强与企业的合作，项目内容与企业深度融合，把学生的作品应用于生产。在教学方法上，重点引入项目牵引教学法、基于问题的研究性教学法、讨论式教学法、实验实践法和自主学习法。
三、考核方法的改革
改革前该课程的考核基本上都是采用课程结束后的闭卷考试加实验成绩的办法，这种方法不能很好地体现对学生能力培养的要求。改革以后课程成绩由下面5个部分组成。
1.项目一：一阶倒立摆系统的建模，提交项目报告，占15%；由学生自主学习完成。
2.项目二：一阶倒立摆系统的控制设计与实现，提交项目报告，占15%；由学生自主学习完成。
3.项目三：三容水箱的控制、故障检测与系统维护、维修与运行（1周实训），提交项目报告，分组答辩，占15%。
以上三个项目，全部通过，且实验、仿真和作业全部完成的同学才能参加最后的闭卷考试！
4.学习笔记：重点检查学生学习过程中的预习情况、自主学习情况、学习内容的分析、总结与固化水平，占10%。
5.结束后闭卷考试：重点检查学生对本课程基础知识的掌握与应用情况，占45%，最低控制线60分。
四、总结
该课程在第六学期开设，从2012年开始改革，已经历了三届学生，学生普遍反映这门课的教学内容与实验设备密切结合，增加了学习兴趣，也培养了自己的动手实践能力，学生课程成绩不断提高。特别是学习了现代控制理论以后，学生在各类科技竞赛活动中成绩不断提高，如2014年7月在第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛安徽赛区比赛中，获一等奖2项、二等奖5项，并有1支队伍入围全国总决赛；2014年7月有一个队代表学院首次参加全国大学生“西门子杯”工业自动化挑战赛，取得华东三分赛区二等奖、安徽赛区三等奖的好成绩，并将参加全国赛。
下一步逐渐将一些典型的自动化产品引入教材、引入课堂教学、引入实践教学，把应用型人才培养落在实处。
参考文献：
[1]蔡敬民.基于能力导向的模块化教学体系构建——以合肥学院为例[M].中国科技大学出版社，2012.
[2]杜晓冬，王俊，等.工程应用型自动化专业学生能力培养模式研究与体系构建[J].教育教学论坛，2011，（7）：59-51.
[3]岳继光，余有灵.等.坚持控制理论特色，注重工程能力培养[J].长春工业大学学报（高教研究版），2011，（32）：1-3.
关键词：现代控制理论；教学；改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0123-02
《现代控制理论》课程是自动化专业本科生必修的一门专业基础课，是具有一般方法论性质的技术理论基础课。本课程以控制系统为研究对象，既综合运用了本专业前期开设的数学、物理、电路、电子技术、电机与拖动基础、自动控制原理等课程知识，又将信息论、控制论与系统论的许多概念和理论与工程实际相结合，拓宽和引进了许多新概念、新知识，为本专业学生学习后续课程进一步增强了理论基础与工程意识，提高了综合运用所学知识分析问题的能力。经典控制理论使用微分方程、传递函数等描述系统的运动规律，而现代控制理论采用的是状态空间法，就是用一组状态变量的一阶微分方程组作为系统的数学模型，广泛使用矩阵等高等代数知识，使许多学生认为这门课就是一门数学课。为了提高学生的学习兴趣以及加强能力培养，我们在教学过程中做了一系列的教学改革。
一、教学内容的改革
学习《现代控制理论》课程，合肥学院自动化专业学生一直使用机械工业出版社的“十一五”国家级规划教材《现代控制理论基础》（王孝武教授主编）作为教材，全书共6章，前5章为课堂讲授内容，第6章为自学内容，主要掌握最优控制问题的提法、最优控制问题的定义，了解常用的解法和我国航空航天工程的成就。改革之前该课程3.5学分，42学时理论教学，6学时实验；改革后该课程5学分，140学时学习总量，包括：40学时理论教学、8学时实验、8学时仿真、1周实训、60学时自主学习。从学时分配和内容变化上就可以看出对能力培养的重视。
1.理论教学。从第1章开始，除了书中的例题外，把实验室一阶倒立摆、三容水箱实验装置引入课堂教学，建立了这两个实验装置的数学模型；基于齐次状态方程、非其次状态方程，分析系统的运动规律；采用多种方法判断系统的能控性、能观性，在适当调整系统参数的基础上，可对系统进行结构性分解；针对系统的非线性模型、线性化模型分析系统的Lyapunov稳定性、BIBO稳定性；采用状态反馈、输出反馈，对系统极点进行配置；设计内膜控制器，实现渐近跟踪与干扰抑制；对三容水箱设计解耦控制器，实现多输入多输出系统的解耦控制。在整个理论教学过程中，明确理论的工程价值与应用背景，强调理论的应用与应用的理论。
2.实践教学。在课程教学改革中，强化了实践教学，8学时实验分为1个验证性实验和2个设计性实验；8学时仿真分为4个上机实验，在Matlab环境下对书中所有例题进行编程验证；1周实训要求同学们能将三容水箱实验系统运行起来，并能排除老师设置的运行故障；在自主学习中也安排了3个实训项目。
3.自主学习内容。传统的自主学习包括课前预习、课后复习、做作业、实验前预习、编写实验报告等；在课程教学改革中，规定了自学内容，明确纳入闭卷考试范围，还增加了三个项目。项目一：一阶倒立摆系统的建模。针对实验室一阶倒立摆实验装置，考察学生对控制系统的观察能力、认知能力、机理分析与数学建模能力，提交项目报告。项目二：一阶倒立摆系统的控制设计与实现。根据项目一的结果，在Matlab/Simulink环境下，实现对控制系统的性能分析与控制实现以及变量的图形表示，重点考察学生对控制理论的理解，培养控制系统设计能力和编程能力。项目三：三容水箱的建模、控制设计与实现。就是把项目一和项目二的内容重做一遍。项目一和项目二的考核成绩各占课程成绩的15%。
二、工程能力体系的构建与实现
能力包括一般能力和特殊能力。一般能力指在一项活动中表现出来的思维能力、学习能力、观察力、记忆力等。特殊能力是指在特定的实践活动中所必须具备的分析能力、组织能力、协调能力、创新能力等。高等工程教育中学生的工程能力特指学生的综合素质在工程实践活动中表现出的实际本领和能量。自动化专业学生的工程能力内涵包括五个方面。①控制工程的认知能力，包括熟悉生产流程与工艺、自动化设备与设备操作；②自动控制工程设计能力，包括设计指标、设计原则、设计方法与工程计算方法；③控制工程实施能力，包括项目管理、电路连接、机电设备连接、系统联调与测试；④表达、交流与学习能力，具有广泛交流、文字处理和语言表达与交流能力，具备终生学习的能力；⑤创造创新能力，具有设计和开发较复杂技术系统的创造创新能力，能适应和胜任多变的职业领域，了解工程与社会间的复杂关系，能胜任跨学科合作的协调和合作能力。《现代控制理论》课程的工程能力包括：控制工程认知能力、自动控制工程设计能力、工程实践与项目管理能力、表达交流与自学能力、创造创新能力等，其体系结构如图1所示。
用状态空间法对MIMO复杂系统建模，并进一步通过状态方程求解分析、研究线性控制系统的运动规律，培养学生观察问题、机理分析与建模的能力；研究线性系统的能控性、能观性与结构分解以及一般系统的稳定性，培养学生知识学习与应用能力、逻辑思维能力、创新与创造能力；研究线性定常系统的综合问题，包括状态反馈和输出反馈、极点配置、镇定、状态观测器、解耦控制以及渐近跟踪和干扰抑制等，培养学生的控制工程认知能力、设计能力、解决问题与创新能力；最优控制的基本思想以及最优控制问题的提法、解法等，培养学生的自主学习能力；实验、仿真和实训培养学生的编程能力，系统维护维修与运行管理能力，工程实践与项目管理能力，自主学习能力，表达交流与团队精神。如在项目学习中，每班分成15组，每组3人，分工明确，在实践不同项目时要重新组队，不允许几个人在一起做不同的项目。现在的项目和实验都来自于实验室设备，将来要加强与企业的合作，项目内容与企业深度融合，把学生的作品应用于生产。在教学方法上，重点引入项目牵引教学法、基于问题的研究性教学法、讨论式教学法、实验实践法和自主学习法。
三、考核方法的改革
改革前该课程的考核基本上都是采用课程结束后的闭卷考试加实验成绩的办法，这种方法不能很好地体现对学生能力培养的要求。改革以后课程成绩由下面5个部分组成。
1.项目一：一阶倒立摆系统的建模，提交项目报告，占15%；由学生自主学习完成。
2.项目二：一阶倒立摆系统的控制设计与实现，提交项目报告，占15%；由学生自主学习完成。
3.项目三：三容水箱的控制、故障检测与系统维护、维修与运行（1周实训），提交项目报告，分组答辩，占15%。
以上三个项目，全部通过，且实验、仿真和作业全部完成的同学才能参加最后的闭卷考试！
4.学习笔记：重点检查学生学习过程中的预习情况、自主学习情况、学习内容的分析、总结与固化水平，占10%。
5.结束后闭卷考试：重点检查学生对本课程基础知识的掌握与应用情况，占45%，最低控制线60分。
四、总结
该课程在第六学期开设，从2012年开始改革，已经历了三届学生，学生普遍反映这门课的教学内容与实验设备密切结合，增加了学习兴趣，也培养了自己的动手实践能力，学生课程成绩不断提高。特别是学习了现代控制理论以后，学生在各类科技竞赛活动中成绩不断提高，如2014年7月在第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛安徽赛区比赛中，获一等奖2项、二等奖5项，并有1支队伍入围全国总决赛；2014年7月有一个队代表学院首次参加全国大学生“西门子杯”工业自动化挑战赛，取得华东三分赛区二等奖、安徽赛区三等奖的好成绩，并将参加全国赛。
下一步逐渐将一些典型的自动化产品引入教材、引入课堂教学、引入实践教学，把应用型人才培养落在实处。
参考文献：
[1]蔡敬民.基于能力导向的模块化教学体系构建——以合肥学院为例[M].中国科技大学出版社，2012.
[2]杜晓冬，王俊，等.工程应用型自动化专业学生能力培养模式研究与体系构建[J].教育教学论坛，2011，（7）：59-51.
[3]岳继光，余有灵.等.坚持控制理论特色，注重工程能力培养[J].长春工业大学学报（高教研究版），2011，（32）：1-3.