基于便携式倒立摆平台的现代控制理论教学改革初探

　　摘 要 针对目前现代控制理论课程教学中存在的理论与实践相脱节，课程知识概念抽象、难以理解等问题，引入任务驱动法教学理念，将便携式倒立摆的建模、分析、设计及控制实现贯穿于整个课程教学中，从而激发学生主动学习热情。该教学方法具有较好的操作性，教学效果良好。
　　关键词 便携式倒立摆；现代控制理论；任务驱动法
　　中图分类号：G642.0 文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2016）24-0018-03
　　Educational Reform for Modem Control Theory based on Por-table Inverted Pendulum//PAN Juntao， LIU Fang， ZHANG Bai， WEI Haicheng
　　Abstract This paper presents a teaching reform method in view of the existing problems among curriculum of modem control theory. With idea of task-driving， the modeling， analysis and control of por-
　　table inverted pendulum are introduced in the whole teaching process
　　which effectively inspiring students’ passion. The proposed method is workable which yields excellent teaching results.
　　Key words portable inverted pendulum； modem control theory； task-
　　driving
　　1 前言
　　自动控制技术是衡量一个国家现代化发展程度的重要指标之一。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行[1]。作为当前信息技术领域的重要内容之一，自动控制技术在现代科学技术的众多领域起着越来越重要的作用。时至今日，在生产、军事、管理、生活等各个领域，随处可见自动控制的身影。
　　随着国家现代化进程的不断深入，全社会对自动控制技术人才的需求量也日益增长。为此，全国各高校相继设立自动化专业，以期为社会培养具有一定工程素质，掌握自动化学科基本理论和应用技术的自动控制技术人才。同时，各高校根据自身的办学定位，制订诸多特色鲜明的自动化专业人才培养方案。需要指出的是，各高校自动化专业人才培养方案虽有一定的差别，但都会把现代控制理论课程作为其课程体系中不可或缺的核心内容[2-4]。
　　北方民族大学作为一所委属民族院校，根据旨在服务我国少数民族和民族地区经济社会发展的办学目的，培养优秀少数民族人才的办学定位，针对高年级自动化专业的学生开设了48课时的现代控制理论课程，其中理论课时数为40，实验课时数为8。该课程在教学要求上对高等数学、线性代数、大学物理等数理基础课程有较强的依赖，并且课程中的抽象概念繁多，加之民族院校学生基础薄弱，使得学生在学习过程中普遍感觉吃力。此外，课程实践课时数少，在一定程度上限制了对学生创新实践能力和工程素养能力的培养。因此，如何在国家高等教育改革的新形势下，高质量地完成现代控制理论课程的教学任务，并培养出具备一定工程素养的合格自动化专业技术人才，是摆在任课教师面前亟待解决的重要难题之一。
　　本文以北方民族大学自动化专业开设的现代控制理论课程为背景，针对当前课程教学过程中普遍存在的问题，在课程教学中引入便携式倒立摆实验平台，并在该平台下提出一种以任务驱动法[5]为核心思想的控制理论类课程教学改革方法，以改善现有现代控制理论课程的教学效果，在夯实自动控制理论知识基础的同时，进一步加强学生实践创新能力和工程素养的培养。
　　2 课程特點及教学现状分析
　　课程特点 现代控制理论是北方民族大学自动化专业人才培养方案中开设的一门重要的专业课程。该课程以状态空间为核心，培养学生分析和设计一般自动控制系统的能力。鉴于学校地处西部偏远地区，综合考虑区域性学科发展，民族院校人才培养、教育科研的特点，将现代控制理论的教学目标定为了解自动控制的基本原理，掌握多输入多输出控制系统的建模方法，具备一定运用基本数理知识和MATLAB辅助设计软件对控制系统进行分析与设计的能力。相比其他专业课程，该课程具有如下特点。
　　1）课程理论性强。控制理论类课程是一类理论性很强的专业课程。其主要目的是培养学生运用书本知识定性、定量分析与设计一般控制系统的基本能力。课程教学内容对高等数学、线性代数、大学物理、复变函数、电路原理、模拟电子基础、数字电路逻辑设计等基础课程有较强的依赖，这就要求学生在课程的学习过程中必须具备一定的数、理、电三方面的基本知识。
　　2）课程知识概念抽象。由于控制理论类课程是以数理知识为基础的，因此，课程所涉及的许多重要控制概念，如系统稳定性、能控性、能观性、鲁棒性等，都以数学形式给出，致使相当一部分学生在学习理解掌握课程内容上较为吃力。
　　课程教学现状分析
　　1）学生基础薄弱。作为一所民族院校，有相当一部分比例的学生来源于边疆少数民族地区和边远贫困地区，基础较弱。因此，在学习控制理论类课程的时候，学生很难对该课程涉及的数理基础知识及抽象的课程概念做到基本的掌握，从而一定程度上增加了学生对该课程学习的难度，学习积极性不高，学习兴趣降低。

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