现代控制理论荣誉课程教学设计

摘  要：为贯彻深圳大学荣誉学士学位的总体要求，进一步推动自动化专业本科教学改革，培养自动化行业的高素质卓越创新拔尖技术人才，开展自动化专业核心基础课程现代控制理论的荣誉课程建设。在基础课程基础上，设计难度提高的四大专题教学内容，提出一种“实际问题驱动+自主设计+互动研讨”的教学方法，采用学生自主学习和互动讨论为主、教师引导为辅的授课方式，应用全面评价学生综合能力的多元化考核方式，从而提高学生的学习兴趣、课堂参与积极性、自主学习、团队合作以及分析、研究与解决复杂自动化控制系统工程问题的能力，为现代控制理论和其他荣誉课程建设提供科学参考。

关键词：现代控制理论;荣誉课程;自动化;教学设计;教学方法

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）26-0102-04

Abstract： In order to implement the overall requirements of bachelor honour degree of Shenzhen University， to further promote the reform of undergraduate teaching of automation major， and to cultivate high-quality， outstanding， and innovative top-notch technical talents in automation industry， the honors course of Modern Control Theory that is one of the core basic courses of automation major is carried out. Based on the basic course of Modern Control Theory， teaching contents on four special topics with higher difficulty are designed. A teaching method combining with actual problem-driven， independent design， and interactive discussion is proposed， in which a classroom teaching that mainly focuses on students' self-study and interactive discussion and supplements by teacher guidance is used as well as a diversified assessment approach that comprehensively evaluates students' synthetic abilities is applied. Therefore， for the students， the learning interest， positivity of classroom participation， self-study， team-work ability and the ability to analyze， research， and solve complex engineering problems of automatic control systems improve. The proposed teaching method will provide scientific reference for the course construction of Modern Control Theory and other honors courses.

Keywords： Modern Control Theory; honors course; automation; teaching design; teaching method

荣誉教育19世纪初起源于英国，20世纪20年代在美国兴起并得到大力推广和成熟发展[1-3]。近年来，我国山东大学、深圳大学和对外经贸大学等少数高校试行了荣誉学士学位制度[4]。为进一步推动本科教学改革，使学生更大限度地利用学校各类学术资源，开展卓有成效的学习，引导学生挑战自我，在知识、能力和综合素质方面得到全面提升，2019年9月深圳大学印发了《深圳大学荣誉学士学位管理办法 （试行）》（深大校发〔2019〕244号），并于2021年上半年对21个学院相关专业本科生授予了荣誉学士学位，并计划进一步推广。高质量荣誉课程是荣誉教育的基础，如何建设符合要求的高水平、高质量荣誉课程是荣誉教育亟需解决的首要任务。深圳大学机电与控制工程学院遵循高等教育发展规律，坚持“以学生为中心”的教育理念，以培养学生宽厚的基础知识、高度的创新思维能力、深厚的学术研究素养和广泛的实践应用技能为目标，以学生个性化和多样化的学术兴趣和发展需要为导向，以高难度、高挑战性为要求，以小班化教学为基础，以名师优教为手段，开展了包含10门核心课程的自动化专业荣誉课程体系，学生获取本专业荣誉课程学分不低于24学分且成绩均为B+以上才可申请自动化专业荣誉学位[5]。

现代控制理论是深圳大学机电与控制工程学院自动化专业开设的一门荣誉课程，在常规现代控制理论课程的基础上进行教学设计探索。现代控制理论是自动化专业的核心基础课程[6]，具有理论性强、概念抽象、逻辑性强、矩阵公式繁多和与实际系统结合度低等特点[7-9]，进而容易使学生对课程产生畏惧心理、难以产生学习兴趣，从而导致学生对课程的积极参与度低且难以深入掌握课程知识[10]。针对上述问题并基于荣誉课程特点，以论文研读形式开展“实际问题驱动+自主设计+互动研讨”的教学方法。

一、教学目标

课程目标1：能够记忆控制理论性质、发展与应用，使用系统状态空间模型的建立及求解方法，识别自动化控制系统的输入、输出和状态，应用状态空间方法解决输入、输出和状态的内部描述问题。

课程目标2：能够使用基于状态空间模型的系统能控性、能观性、稳定性与系统综合方法，列举自动化控制系统的数学模型和实际控制问题，检验系统能控性、能观性和稳定性，实施控制系统综合，识别系统输入、输出和状态，检验系统性能。

课程目标3：能够针对复杂自动化控制系统工程问题选择现代控制系统研究路线、设计现代控制系统方案，能够选择和采用现代控制理论和方法，进行现代控制系统的数据收集、分析与解释。

二、教学设计

《深圳大学荣誉学士学位管理办法（试行）》（深大校发〔2019〕244号）第二条规定“荣誉课程由基础部分和提升部分组成，两个部分作为两门课程分别单独考核，记入学生成绩单，成绩单中对提升部分进行荣誉标注。荣誉课程体系原则上由不低于36学分的荣誉课程组成，荣誉课程教学内容的广度和深度须高于普通课程，注重知识的跨学科性、前沿性。荣誉课程提升部分主讲教师原则上应具有高级职称。”第三条规定“荣誉课程在主修专业中设置，双学位不设置荣誉课程。”第六条规定“荣誉课程学分为基础部分和提升部分之和，基础和提升有任何部分的成绩低于B+，则两部分的学分均不得计入荣誉课程学分。荣誉课程不接收学生重修。”基于上述管理办法，对现代控制理论荣誉课程进行教学设计。

（一）荣誉课程学分

现代控制理论荣誉课程学分是基础课程2学分和荣誉课程1学分的总和，基础课程和荣誉课程有任何部分的成绩低于B+，则两部分的学分均不得计入荣誉课程学分。

（二）教学内容设计

在基础课程总学时进行到2/3时，开展3学时/周共18学时的荣誉课程教学，以专题形式设计教学内容，共设计了4个专题，所设计的专题教学内容见表1。

针对现代控制理论课程内容抽象难懂、与实践联系不紧密的问题，紧密联系控制领域工程实际，以实际复杂控制系统为例开展控制系统的建模、求解、分析与综合的理论教学，并借助专业软件MATLAB实现复杂控制系统的建模、求解、分析和综合设计的实践教学。此外，荣誉课程是在基础课程基础上开展的拔尖创新能力的提升教学，因此，相对于基础课程的教学，提高了教学内容难度，使其更适用于培养解决复杂自动化控制系统工程问题的能力。具体教学内容描述如下。

（1）复杂系统状态空间表达式建模与求解的教学内容。以实际工程应用中涉及到的多输入多输出复杂非线性控制系统为研究对象，讲解如何理解与识别自动化控制系统的输入、输出和状态变量，深入解析线性化的状态空间模型、线性时变状态空间模型和非线性状态空间模型的建模方法，并讲授如何联合理论方法和MATLAB软件求解所建立的状态空间模型。

（2）复杂系统能控性与能观性分析的教学内容。以实际工程应用中涉及到的复杂控制系统为研究对象，根据第一个专题教学内容所讲授的状态空间模型知识，讲授如何结合理论方法和MATLAB软件分析与检验复杂控制系统能控性与能观性，并讲解如何构建数学模型明确系统能控性、能观性与系统结构和参数的内在关联关系。

（3）复杂系统李雅普诺夫稳定性分析的教学内容。以实际工程应用中涉及到的复杂控制系统为研究对象，根据第一个和第二个专题教学内容所讲授的状态空间模型和系统能控性与能观性分析知识，讲解如何联合理论方法和MATLAB软件识别和检验复杂系统的稳定性，讲授如何利用李雅普诺夫稳定性理论设计复杂控制系统的控制器，解析复杂控制系统结构、参数与稳定性之间的内在联系。

（4）复杂系统综合的教学内容。以实际工程应用中涉及到的复杂控制系统为研究对象，根据前三个专题教学内容所讲授的状态空间模型、系统能控性与能观性分析以及李雅普诺夫稳定性分析知识，介绍复杂闭环控制系统的结构和复杂控制系统的设计方案，讲授如何利用状态反馈、极点配置、状态观测器和最优控制方法及MALTAB软件进行复杂控制系统的综合，解析复杂控制系统结构、参数与控制性能之间的关联关系，并讲解如何利用理论方法和MATLAB软件对复杂控制系统进行数据分析与解释。

（三）教学方法设计

（1）授课方式。在现代控制理论基础课程讲授主要理论和方法的基础上，荣誉课程采用图1的“实际问题驱动+自主设计+互动研讨”教学方法，课堂上通过论文研读方式引入实际控制系统需解决的工程问题，进而给定某一个实际控制系统，将抽象的现代控制理论与具体的实际控制系统相融合，采用现代控制理论与MATLAB软件对实际控制系统进行建模、分析与综合，通过小组形式对实际控制系统的建模、分析与综合结果进行互动讨论，根据小组讨论结论再与老师进行互动探讨。通过教师提问、学生自主设计、学生互动讨论和师生互动探讨等环节，实现以学生自主学习和互动讨论为主、教师引导为辅的课堂授课。该授课方法可提高学生的学习兴趣、课堂参与积极性、自主学习、团队合作及解决复杂自动化控制系统工程问题的能力。

（2）作业方式。针对复杂系统状态空间表达式建模与求解、复杂系统能控性与能观性分析、复杂系统李雅普诺夫稳定性分析、复杂系统综合四个专题，分别布置四次作业。每一个专题教学内容均会解决某一个实际控制系统的某一个或几个工程问题，基于课堂上经过推导、仿真和讨论的相关工作，课后继续深入研究完成相应专题的学习工作，并通过课程报告的方式总结和探讨相应专题的研究工作，从而提升学生选择和采用现代控制理论和方法进行复杂自动化控制系统的数据收集、分析与解释的能力，提高学生对复杂自动化控制系统工程问题的表达、分析与归纳能力。

（3）考核方式。期末闭卷考试的考核方式单一，难以全面评价学生解决复杂自动化控制系统工程问题的能力，因此，建立多元化的考核方式，以突出学生的综合能力。采用的考核方式见表2，包括期末报告、论文研讨、理论推导、软件仿真、课程作业及课堂考勤六种考核方式。六种考核方式都是以小组为单位合作完成，2～3人一组，教师根据每位学生的具体情况评定相应的考核成绩。