摘 要 结合自动控制学科专业特点，针对教学过程中存在的理念落后、课堂形式陈旧、学生主观能动性调动不足、考核方式缺乏以实践为导向等问题，依托工程实践案例，以抗干扰作为理论联系实际的切入点，革新授课理念，改良授课形式，充分调动学生的主观能动性和创造性，培养学生从“理科思维”到“工科思维”的转变，有效地提升该课程的教学质量。
关键词 自动控制课程;抗干扰控制系统;研究生;数学工具
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）17-0084-03
1 前言
“抗干扰控制系统设计：从概念到实际”课程的开设目的是通过介绍基于干扰观测器的抗干扰控制技术和复合分层抗干扰控制技术的方法实现及应用情况，培养学生综合运用所学经典控制与现代控制理论的基础知识，提高学生分析问题和解决问题的能力，为从事控制理论与控制工程领域的学习和工作打下坚实的基础。本课程开设的初衷是希望解决现有自动控制课程教学中理论与实践脱节的问题，为学生在基础理论知识学习与工程实践应用之间铺设一座桥梁。
2 自动控制课程教学中存在的问题
自动控制课程缺乏以实际应用作为落脚点 目前，我国自动控制课程的设置主要遵循控制理论的历史发展轨迹，从19世纪的经典控制理论，到20世纪中叶的现代控制理论，再到20世纪末21世纪初逐步发展起来的智能控制。教材通常从实际中常见的反馈控制系统入手，理论由浅显走向深入，逐步引入矩阵理论、微分方程、复变函数等先进数学工具[1]。这种课程设计的方式符合自动化专业本科生及研究生的认知规律，也符合科研人员的研究路线。但是，自动控制归根到底是一门实践科学，学生所学的理论知识需要付诸应用，并在实践中巩固、完善、升华，而当下自动控制课程教学明显存在“深入有余、浅出不足”的弊端：通常，学生掌握了自动控制理论中所涉及的先进数学工具，却无法灵活运用它们去处理当初引入这些工具所要解决的实际工程问题。不少学生反映，自动控制理论曲高和寡，不再是一门实践科学，而是沦为象牙塔里的数学游戏，这已经明显背离了这门学科产生的初衷[2]。
课程未能突出控制工程实践中的主要矛盾 理论与实践之间的鸿沟，主要体现在理论研究人员和工程师之间的视角不同。理论研究人员关注的是数学上的完备性、公式的简洁性和正确性以及相比于现有理论结果的新颖性，而工程师更加关注的是经济效益、运行成本、工程实现的便捷性、系统的可靠性和安全性等。通常，我国的研究生经历了漫长的校园生涯和应试教育，在数学、物理方面的理论基础十分牢固，且养成追求理论结果的完备性和正确性的习惯，其视角与理论研究人员较为接近。然而，对于自动控制专业的研究生，需要培养他们从“理科视角”向“工科视角”的转变。现有自动控制课程追求理论的正确性和严谨性，这本无可厚非，但问题在于，缺乏了工程实践案例作为支撑，学生往往无法抓住工程实践中的主要矛盾，难以将艰涩的数学符号与庞大复杂的控制系统建立联系，导致在面对实际问题时举手无措。
考核指标陈旧，不利于学生发挥主观能动性 现有自动控制课程通常采用传统的期末考试的形式对学生的知识掌握程度进行考核，这种“教师出题、学生做题”的考核方式适于检验学生的理论知识的系统性和正确性，但无法反映出学生解决实际工程问题的能力。事实上，自动控制系统设计往往不是照本宣科、一成不变的，它需要学生充分运用所学理论知识，结合自身经验，发挥主观能动性和创造性来解决问题。任务完成情况也不能仅从理论正确性的角度来评价，需要根据实际工程需求、成本预算和系统可靠性等多个角度来综合衡量[3]。
3 “从实践中来、到实践中去”的课程设计理念和教学思路
依托工程实践案例，培养学生应用所学理论知识的能力 课程设计理念是以理论联系实际为导向，以实际工程问题为切入点，引导学生将所学的自动控制理论知识活学活用。采取启发式教学，通过将课堂授课、问题讨论与案例实践相结合的方式开展，课内外學时比例大体为5：1，要求学生合作完成案例分析与设计，并独立完成实验报告和课外自习。
在课堂教学过程中，以“学生主体”，进行课堂讲解与试验相结合，进而提高学生团队合作、解决实际工程问题的能力，并且将以研究专题的形式进行探究式学习、基于问题的教学、基于项目的学习与文献阅读等。通过引入自动控制系统设计的实践案例，培养学生围绕任务指标制订解决方案、规划任务解决路线、运用所学理论工具分析系统行为、编程实现控制算法、结合系统反馈信息评价任务质量、对控制系统进行迭代优化等方面的工程能力。其中，对数学工具的合理、灵活运用贯穿始终。
工程问题的解决往往不是一个闭门造车的过程，而是涉及不同技术人员、环节、链条之间的沟通与协调。为此，在每堂课中都为学生留出自由思考和讨论的时间，使他们能从彼此的交流中获得灵感和启发，同时提升总结自己想法、归纳问题、理解他人想法的能力，并建立以服务用户为导向的系统设计理念[4]。
以抗干扰为核心，使学生把握自动控制系统设计的主要矛盾 经历过漫长应试教育的研究生往往习惯于由别人提出问题，而自己只需要解决问题即可。在实际工程中，面对庞大复杂的控制对象和往往由非自动控制专业人士所提出的需求指标，自动控制专业的学生通常会不知从何下手。因此，本课程抓住控制系统设计中的核心问题——抗干扰，引导学生从“干扰—性能”这一控制系统的主要矛盾出发，从工程问题中提炼科学问题，根据干扰类型和影响的不同，运用不同的理论结果解决问题。以抗干扰为线索，帮助学生重新梳理控制理论的发展历史，使学生发现原本艰涩的各类控制理论实际上都可以从抗干扰这一角度与实际工程问题联系起来。
在课程教学中，重点介绍基于干扰观测器的抗干扰控制技术和复合分层抗干扰控制技术的方法实现及应用情况，让学生了解工程中对高精度控制技术提供理论基础和工程解决办法的迫切需要，培养学生综合运用所学经典控制与现代控制理论的基础知识，提高学生分析问题和解决问题的能力，为从事控制理论与控制工程领域的学习和工作打下坚实的基础。通过分析航天器、电机、机器人等控制领域的常见对象，加深学生对于干扰的认识;剖析最新控制理论文献中的经典抗干扰方法，帮助学生逐步形成抗干扰控制系统的设计与分析思路。从抗干扰这一思路出发，有助于学生在解决实际问题时迅速抓住主要矛盾，使得理论知识能够有的放矢。
采用“平时成绩+大作业”的考核方式，促进学生学以致用 本课程采用结课报告提交为主、课堂作业为辅的考核形式[5]。在每节课上会为学生布置课堂作业，课堂作业由各学生独立完成或将学生分成若干小组，每个小组成员合作完成。课堂作业主要反映本堂课所涉及的控制对象、控制方法或控制系统，要求学生在课堂作业中能够将理论知识应用到实际问题的解决中去，并总结出某一类特定对象、某一类需求或某一类特定问题的设计与分析规律。当以小组为单位完成时，小组成员需要在明确分工的基础上各司其职，同时做到相互之间充分交流沟通，共同完成技术报告，进行设计成果演示和口头答辩等。结课报告由每名学生独立完成，内容涉及复杂控制系统的抗干扰设计问题。
具体地，学生被要求针对一类较为复杂的控制对象，根据用户实际需求，给出“干扰量化—能力分析—抗干扰控制系统设计与实现—系统性能评估与迭代优化”全链条设计方案，从问题提炼能力、解决思路与问题分析能力、任务品质评价能力等角度综合衡量学生的工程实践能力，并在期末成绩上予以合理体现[6-8]。
4 教学反馈与效果评价
教学效果主要由从学生能力的提升、学生提交课程报告的质量、同行授课专家听课反馈以及学生导师反馈这四方面体现。笔者发现，课改之后，学生对自动控制学科有了新的认识与体会，不再拘泥于书本上的理论知识和公式推导，而是更多地以一名工程实践人员的角度看待问题。从学生提交的课程报告来看，学生已经具备基本的抗干扰控制系统设计能力，能够充分利用相关控制理论知识对系统进行行为分析和品质分析。在设计控制系统时，学生的主观能动性被充分调动起来，提出很多新颖且实用性强的解决思路和解决方案，效果甚至超出预期。接受课改教育的学生纷纷表示，从本课程的学习过程中有效提高了自己提炼问题、分析问题、解决问题的工程实践能力，对日后走上工作岗位，应对更加复杂的实际问题起到很大的帮助作用。
5 结语
随着自动控制专业的不断发展，学以致用已成为自动控制学科设置的最终目标。通过开设“抗干扰控制系统设计：从概念到实际”这门课程，引入更加先进的授课理念和教学内容，能够充分发挥学生的主观能动性，培养学生的工程思维和解决实际问题能力，进一步满足了工业界对自动控制专业研究生的要求。
參考文献
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