摘要：为了提高教学效率，文章首先阐述了现代控制理论课程特点及教学现状，然从教学过程改革和教学考核评价体系改革两个方面论述了基于工程教育专业认证的现代控制理论课程教学改革。

　　关键词:现代控制理论课程教学,工程教育专业认证,评价机制

　　随着我国于2016年6月正式成为国际工程教育专业认证体系《华盛顿协议》的缔约成员，越来越多的高校积极参与我国工程教育专业认证工作，申请并通过认证的专业数量逐年增加。工程教育专业认证将专业培养目标分解为若干条具体的毕业要求指标点，由此建立专业教育课程体系[1]。现代控制理论作为经典控制理论向智能控制等控制前沿学科过渡的桥梁课程，在自动化专业课程体系中占据重要地位。在自动化专业认证过程中，该课程是毕业要求指标点1.2（掌握物理学的基础知识和基本原理，运用物理学的理论、观点和方法分析自动控制工程问题）的主要支撑课程之一。因此，在专业认证大背景下，对于该课程进行教学改革显得尤为必要。

　　本文结合笔者近几年在现代控制理论课程教学中的实践经验，以工程教育专业认证为契机，根据学校定位和社会需求，结合自动化专业新版人才培养方案，通过分析课程特点和课程教学现状，从课程教学和课程考核两个方面提出了现代控制理论课程教学改革的方法，仅供各位同行参考借鉴。

　　一、现代控制理论课程特点及教学现状

　　现代控制理论是自动化专业开设的一门理论性和实践性都很强的核心课程。通过对现代控制理论的基本理论和研究方法的学习，学生在学习自动控制原理的基础上，能够更加深入地理解和掌握控制理论知识，进一步形成控制逻辑思维，系统掌握现代控制理论中状态空间分析法的相关知识和概念，能够应用状态空间分析法对控制系统运行过程进行性能分析，并针对控制过程中的复杂控制问题提出解决方案，具备利用控制手段满足控制系统性能指标要求的能力，掌握分析和提高控制系统性能的方法。作为自动化专业的核心课程，现代控制理论以微分方程、差分方程和线性代数作为数学理论基础和分析工具，理论性和综合性较强。现有教材和大多数教师将教学重点放在了理论知识和概念的讲解上，缺乏理论在实际工程中如何应用的实例展示及讲解，这就造成了学生难以理解枯燥的理论知识，或者空有理论而不知在何处使用及如何使用的现状，这也正是学生感到课程枯燥乏味，很难产生学习兴趣的原因。同时，作为自动控制原理的后续课程，现代控制理论教学中，如果教师在讲解理论和概念时只是一味地播放演示文稿，缺乏与前期课程相关知识的联系和对比，以及该课程内容在后续课程中的应用，就会使学生思维混乱，无法将相关课程知识点联系起来，形成完整的知识体系[2]。这样使得学生上课时的积极性和主动性都很难被调动起来，课堂教学沉闷，最终造成课程学习效果不佳。

　　二、基于工程教育专业认证的现代控制理论课程教学改革

　　（一）教学过程改革

　　工程教育专业认证制定的关于自动化专业毕业要求的12条通用标准中，有8条都提到了复杂工程问题的研究、分析与解决，并且围绕学生毕业能力达成这一核心任务，强调以学生为中心，专业课程的课程目标应该以培养学生的毕业能力达成为依据，在教学过程中需要对学生现有的学习情况进行分析，根据学生的学情展开教学。由于现代控制理论课程涉及大量的公式推导，内容抽象，对前期课程内容的综合应用程度较高，这对应用型本科院校的学生提出了较高的要求。以陕西理工大学为例，自动化专业在大学第六学期开设现代控制理论课程，距离前期开设的数学基础课程（线性代数课程开设得最晚，在大学第三学期开设）时间间隔较长，大部分学生已经遗忘了数学基础知识，导致数学基础普遍偏弱，如果教师再采用注重理论推导的传统授课方式，缺乏灵活多变的教学手段相匹配，就很难激发学生的学习兴趣，进而达成课程培养目标[3-4]。笔者根据近几年的教学经验，从教学实践出发提出教学改革的思路，以激发学生的学习兴趣，增加与学生的互动交流，活跃课堂气氛，提高学生的课堂参与度。

　　第一，整体上弱化理论公式推导，注重使学生形成控制思维逻辑。针对现代控制理论课程公式推导多、理论性强的特点，从应用型本科学生的实际情况出发，在教学过程中对授课内容进行优化，围绕课程培养目标，弱化控制理论及数学公式的推导，强调控制思维逻辑的形成，通过增加实例教学强化学生对控制理论的应用[5]。例如，在建立系统的空间表达式时，教师可以选取学生经常接触或容易掌握的实例，也可以根据自身的教学科研实际与学术经验选取合适的教学案例，像电学实验中常用的RLC电路或电机学中的电机模型等。同时在教学时，教师可以通过对比自动控制原理和现代控制理论课程的相关章节来建立控制问题分析、解决的方法体系，使学生形成控制逻辑思维。例如，自动控制原理和现代控制理论的章节设置都是从建立数学模型、系统的性能分析到控制器设计，完全是根据实际控制工程问题的解决过程来安排的。自动控制原理和现代控制理论的课程结构及章节对比如图1所示。如此通过对比相关内容的联系与区别，可以加深学生对课程内容的理解，同时使学生建立分析、解决控制问题的思维逻辑。

　　第二，在授课手段上，任课教师可以基于多媒体技术的发展，通过适当改变教学方法和教学手段来增加与学生的互动交流，活跃课堂气氛。对此，教师可依托多媒体技术，充分利用雨课堂、学堂在线或泛雅超星学习通等教学平台和网络教学资源将部分课堂讲授的内容转移到课下，让学生合理利用课余时间进行自学。课堂上，任课教师可以结合授课前的学情分析，设计一些与教学内容相关的问题，以此进行提问式讲解，这些问题要根据学生的实际情况来设计，既不能让学生对提出的问题完全没有思路，无从下手，又不可以太简单，很容易回答出来。在这一过程中，教师可灵活运用多媒体提供的图形、声音、影像等交互界面及其交互操作辅助开展教学活动，通过层层递进式提问与引导，与学生进行交流互动，同时吸引学生的注意力，活跃课堂气氛，从而提高教学效率。例如，在讲授现代控制理论中线性系统的运动分析时，教师可依托多媒体技术，向学生展示与之相关的动画、图像、视频等，并配以讲解和提问，如可以提出“在自动控制原理中学习过的分析系统动态性能指标有哪些？这些在系统的时域响应中都代表什么含义？对于现代控制理论中的运动分析中的状态响应和输出响应是否可以使用自动控制原理中学习的动态性能指标来分析，如果可以使用，应该怎么分析？如果不可以使用，又应该如何分析系统的动态性能？”等问题。如此，将自动控制原理中的时域响应与现代控制理论中状态方程和输出方程的解进行对比分析，既可以使学生加深对于状态的理解，体现与传递函数描述法相比状态空间分析法的优越性，又可以让学生得出时域分析中经典控制理论和现代控制理论的区别和联系。同时，教师还可以对现代控制理论中的相关知识点进行比较和分析，包括分析系统能控性和能观性的区别和联系、状态反馈和输出反馈的区别和联系等。这样，在多媒体技术的辅助下，结合提问，教师可帮助学生把孤立、零散的知识点进行梳理、联系，进而加深学生对课程内容的理解，使其更好地掌握相关知识点的内在联系和规律。

　　第三，教学方式上，可以根据授课内容灵活采用启发式教学、互动式教学、讨论式教学、研究式教学等教学方法。在教学中，教师要以学生为中心，以调动学生的学习主动性、积极性为手段，以提高学生的学习兴趣、学习能力和创新意识为宗旨，在激发学生潜能、启迪学生思维的过程中传授知识与技能，促进学生知识、能力、素质的综合协调发展[6-7]。具体来说，教师可以将学生分成固定的学习小组，并确定小组负责人。课前，教师可根据学生网上学习、测试及作业完成情况确定讨论主题，并要求学生完成相关内容资料的搜集。之后，由小组负责人根据讨论主题安排组内的组员负责相关内容，并组织组员完成主题讨论，形成讨论结果。比如，针对线性控制系统的能控性这一部分内容，教师可要求各小组在课前按要求完成资料查找，并通过小组讨论完成对于系统能控性定义及判别方法等的分析，最终形成指定形式的汇报材料。课上，每组指定一名组员汇报本组对于该主题的理解及讨论结果，同组的其他组员可以在最后进行相关内容的补充。学生汇报结束后，班级其余学生和任课教师可以就该主题进行提问，由汇报组的学生来回答，也可以指定其他学生来回答问题。通过这种“提问—回答”的方式，既锻炼了汇报小组学生的自学能力和表达能力，又可以使教师了解学生对于知识点的掌握情况，同时也可以通过提出问题的质量了解听汇报学生的知识掌握程度。对于学生整体掌握较好的部分，教师可以不再花时间或花较少的时间进行讲解；对于学生掌握相对薄弱的知识点，教师需要进行着重讲解，并在课后布置相应的练习任务，以便学生更好地掌握该内容。

　　第四，教学环节上，应适当增加实验教学或课程设计等实践环节。在工程教育认证中，围绕学生毕业能力达成这一核心任务，应强调产出导向，同时所有课程的理论教学都是为了使学生能在实践中解决实际问题。因此，为了达成学生的毕业要求，实现课程的教学目标，突出课程的理论概念和工程应用，提高学生分析、解决复杂控制工程问题的能力，在现代控制理论课程教学过程中，教师应该根据教学实际，适当增加实践教学环节，开设相应的实验或课程设计环节。同时应尽量减少验证性实验项目的数量，多开设一些物理概念和工程背景明确的设计性实验项目，使学生了解相应的工程理论具体应用场景。例如，可以引入倒立摆实验平台、四旋翼飞行器、机器人控制等实验项目或教师的科研实践项目，其中倒立摆控制是控制领域广泛应用的控制算法应用平台，许多复杂的控制工程问题都可以在该平台中得到解决。通过指导学生完成倒立摆系统的数学模型的建立、控制系统性能分析和控制器设计等环节，可以加深学生对于课程相关内容的理解，同时让学生熟悉控制系统问题的分析、解决过程，进而提高学生解决复杂控制问题的能力。

　　第五，紧密结合高校专业教学课程思政要求，落实立德树人根本任务。根据培养方案和课程目标的要求，将思想政治教育贯穿整个现代控制理论课程教学过程，将学生的价值塑造和能力培养结合起来，做到价值引领和知识传授的和谐统一，在课程教学的各个环节培养学生精益求精的工匠精神和科学严谨的逻辑思维能力，塑造学生爱国情怀，以及崇尚科学和追求真理的信念，实现立德与树人、育人与育才的有机结合。例如，教师可介绍控制理论的性质、发展和应用，以及近年来控制理论中的各种方法在航空航天、电力生产、智能制造等各领域的应用，使学生对控制理论有更加深入的认识，进而树立文化自信心、专业自信心。在控制理论的应用现状教学中，教师可通过介绍我国相关领域取得的巨大成就（神舟十五号、火星探测器天问一号、北斗卫星导航系统），增强学生的爱国情怀、使命感和责任感[8]。在系统的能控能观性部分教学中，教师可组织学生讨论中国政府在突发公共卫生事件中采取的人民至上、生命至上的联防联控措施对于保障中国人民的生命健康和安全起到的巨大作用，帮助学生建立道路自信、制度自信、文化自信[9]。

　　此外，在教学过程中，教师可以融入MATLAB语言等来解决课程中的矩阵运算多、运算难等问题，同时可以把抽象的理论用图像等形式直观表示出来，便于学生理解和运用，以此提高学生的学习兴趣，培养学生应用计算机辅助分析实际控制系统的能力。

　　（二）教学考核评价体系改革

　　第一，建立合理的考核方式。现代控制理论课程的理论性较强，但各部分的教学内容又与工程实践密切相关，仅用一张试卷对学生进行考核，很难准确且全面地反映学生对于该课程内容的理解、掌握和应用水平。传统教学考核中的课程成绩由30%的平时成绩与70%的期末考试成绩构成，这种考核方式明显更注重期末考试成绩，而学生能力的培养、课程目标的实现，往往更体现在平时教学过程中。因此，在这次的专业认证中，笔者所在学校把现代控制理论课程的考核体系调整为“50%的平时成绩+50%的期末考试成绩”，极大地提高了平时成绩在总成绩中的占比。平时成绩重点考查学生日常学习中的课堂表现（15%）、作业完成情况（15%）、实验（包含预习实验、实验过程和实验报告）（20%）环节的学习效果。同时，还要充分利用现有的各类教学平台，采用随堂测试、工程应用讨论等形式，对学生在作业和实验过程中是否存在抄袭现象及抄袭程度等形成客观的统计数据，从而对学生的平时成绩进行考核评价。此外，期末考试灵活采用各种考试题型，考试内容要支撑课程目标与对应的毕业要求指标点中的概念的理解和知识应用的考核[10]。

　　第二，建立常态化的评价机制。工程教育专业认证要求各专业应“建立教学过程质量监控机制，各主要教学环节有明确的质量要求，定期开展课程体系设置和课程质量评价”。对于课程本身而言，应该建立具有可执行性的常态化评价机制并能够对其进行持续改进[11]。从任课教师的角度来说，在日常的教学过程中，除对学生的阶段性学习成果进行评价与反馈外，还要不定期地通过各种形式（如座谈、专题讨论、问卷、个别谈话等）实时了解学生在该阶段的学习情况与需求，并进行集中答疑或个别辅导，以保障学生按时按质量完成对每一个课程目标内容的理解与应用；课程结束后，任课教师还要汇总学生每个课程目标的考核项目的考核结果，形成课程目标达成评价表[12]。另外，任课教师要通过座谈、问卷调查等形式及时了解学生对于课程的满意程度与对自身要求等情况，收集学生对课程教学质量的评价信息，并以产出为导向，及时调整课程目标和授课内容，进而形成良好的可持续改进机制。从学校层面来说，教学督导机构、学生信息员和教学管理人员等应从不同角度对教师的课程教学进行考查评价，并及时地将考查结果反馈给相关教学单位和任课教师，以便更好地完善教学过程。在课程考核方面，构建“学校—学院—系（部）”三级审查机制，采用课程考核及评价依据进行审查，促使课程负责人和任课教师必须挑选能够反映学生课程目标达成情况的考核方式和结果。课程组成员共同讨论课程目标的达成情况，分析某些课程目标达成情况较差的原因，有针对性地提出课程质量改进的具体措施，并根据讨论结果完成课程质量评价与持续改进报告。由学院负责审查评价结论或改进措施的合理性，课程组应根据审查意见再次讨论并修改评价报告，直至审查通过，学校要组织教学督导对课程考核的结果和改进措施定期进行抽查，并根据抽查结果和跟踪毕业生的反馈信息提出意见和建议。授课教师在下一个轮次的授课过程中要根据改进意见和改进措施修正课程的授课方式，完成课程考核，进而分析课程目标达成度，完成课程评价，如此就形成了完整的“课程教学—课程考核—达成度评价—意见反馈—改进教学”闭环评价机制。

　　三、结语

　　本文在工程教育专业认证及深化高等教育改革的背景下，针对现代控制理论课程的特点和教学现状，从教学实践出发，依据专业认证的理念和要求，以传授专业知识和培养控制思维方法为目标，从课程教学方式和课程考核评价等方面进行了教学改革探索，通过教学实践反馈可知，学生在这种教学方式下的学习效果得到有效提升，提高应用控制理论思维和解决控制领域复杂工程问题的能力，进而为专业人才培养目标的实现和培养标准的落实提供了有力支撑。

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