《现代控制论》作为信息与计算科学专业的一个研究方向, 其教学效果直接影响这个专业学生的进一步发展, 也影响这个专业的进一步发展。该课程是多学科交叉, 有着广泛应用的课程。在课时紧的情况下, 如果教学模式和手段不更新, 其内容不与其它学科交融, 很难达到预期效果。
1 现代控制论的特点
控制理论有两个目标, 即了解基本控制原理和设计自动控制系统;控制领域中有两个不同的分支又相互联系的主题, 一个是反馈, 另一个是最优控制, 因而它有着以下几个特点。
1.1 深厚的理论基础
《现代控制论》是研究如何改进动态系统的性能以达到理解、设计控制系统的目标。它以高等数学线性代数、微分方程、普通物理等课程为基础, 在它的发展史上, 代数在发展更有效的线性控制理论上有多方面的建树, 为分析反控制理论和变分析提供了新方法, 以非线性常微分方程描述的反控制系统的研究引入微分方程、李代数、非线性动力学等方法, 随着人工智能的发展和引入了新的计算机结构, 控制理论和计算机科学的联系愈来愈密切。随着智能控制的发展, 其发展目标之一是将当前的控制理论与智能合并成一体。它包括现代控制论中最基础的内容——状态空间方法。该方法不仅是控制理论的基础, 也是现代网络分析和线性系统理论的基础。
1.2 内容广泛涉及许多学科
控制论是多学科的交叉, 除传统的函数、代数几何外, 还有非线性方程、随机理论等, 控制论、信息论、系统论作为独立的学科, 各自都有自己的研究重点、研究方式和发展方向, 同时又有内在联系。控制的研究对象是系统, 它对于进一步考察系统内部的组织, 控制和调节功能是不可缺少的。信息是组织系统的一个重要特征, 它使系统得以实现自我调节, 系统、信息、控制是不可分离的。
1.3 存在大量的计算问题
系统控制要用在一个动态系统上观察输入与输出数据来确定它的模型, 用计算技术来处理数据。《现代控制论》中要由建立物理系统的动态方程, 求出系统状态方程的空间表达式, 求线性状态方程的解, 确定系统的稳定性, 确定系统的能控性和能观性及系统最优控制等等, 都需要大量的计算, 从而得到定量分析。
1.4 应用非常广泛
《现代控制论》有丰富的内容, 有一个较完整的理论体系, 并有广泛的应用, 在建筑工程界现在流行对结构进行主动控制, 许多轻型高飞行性能的飞机的最主要的部件是数字飞行控制系统, 大型望远镜采用反馈算法使其对目标聚焦, 工业应用自动控制的范围更广, 举不胜举。在航天、医学、电力生产上都有成功的应用。
2《现代控制论》专业课双语教学的必要性
2.1《现代控制论》课程特点的需要
我国高校的课程教材中有相当一部分内容陈旧, 跟不上时代发展的要求, 尤其是在经管、纳米、基因、信息等新兴学科、交叉学科、边缘学科等领域与国外著名高校的名牌课程教材有较大差距;在教学内容, 课程体系方面与国外一流大学也存在沟通与交流的不足。适当引进和借鉴国外名牌大学的原版教材, 采用双语教学, 无疑是一条捷径。从计算与信息专业来讲, 许多基本的概念, 定义, 理论, 方法源自发达国家, 通过双语教学, 引进国外先进的教材, 可更好地追述理论的来源, 更好地了解当前技术的发展动态, 为学生进一步的学习, 研究乃至今后走上工作岗位打下坚实的基础。双语教学不仅可以开阔学生视野, 也是提高学生竞争力及发展后劲的一个重要途径。
2.2 检索专业文献的需要
在教学过程中。经常发现学生检索专业文献的能力很弱, 其中一个主要方面的原因在于学生的专业外语水平相对较低。在检索和使用计算机专业相关文献时, 大部分学生仅限于中文, 外文检索及利用的能力很差, 而外文检索是在进行论文写作或研究中必不可少的工作, 只有这样, 才能了解和掌握计算机专业的最新动态, 才能形成较好的研究成果。通过双语教学, 可以很好地弥补学生的这一缺失。
3《现代控制论》双语教学的实践
3.1 做好双语教学前的准备工作
教师要作好教学的计划, 要深入研究教材的体系结构和章节的衔接, 根据教学大纲备好课。在实施双语教学前, 要求学生一定要养成预习, 复习的习惯。英语基础不好的同学, 要抽时间学习英语。为促使同学之间相互帮助, 应将学生按英语水平及专业水平综合分组, 在学习中互相帮助, 共同完成一些活动项目。
3.2 加强《现代控制论》双语教学研究, 着重培养学生的能力
(1) 借鉴原版教材内容和体系, 强调建模思想。
借鉴国外名牌大学的原版教材内容和体系, 在教学上强调建模思想。当系统是不完全清楚的动力系统时, 建立一个数学模型是特别困难的。
教学中, 可采用学生分组讨论, 每组提出解决问题的方法, 建立建模。每组的模型一般是不一样的, 教师要总结, 讲评, 逐步提高学生的分析问题, 解决问题的能力。例如:有时可用十分简化的模型上用反馈控制得到成功, 或把非线性的系统用一个线性的系统来近似, 通过教学, 可使学生更加深入地了解数学建模, 对控制理论的理解不仅在定理上, 更在应用上。信计专业的学生虽然有两年的数学, 物理作为基础, 但要为控制工程选择一个数学模型还是有一定的挑战性。对状态变量的选择要推敲, 对状态空间表达式的分析讨论要精讲, 多练。
只强调控制理论的重要性, 忽视建模, 是不对的;而只强调建模的重要性, 忽视控制理论, 也是不对的。通过《现代控制论》双语的教学, 既学到了控制理论, 又对数学建模的方法进一步掌握, 特别是分析问题、解决问题的能力得到提高, 学生都反映是一举多得。
(2) 提倡问题驱动的案例教学法。
问题的实质应当是认识本身的内在矛盾, 亦即认识的局限性, 相对性和不足之处, 问题的解决就是要克服已有的局限性, 相对性和不足之处, 因而它就能带来认识上的更新和进步。这就是一个创新的过程。
《现代控制论》双语教学中处处有问题, 如模型的选择, 系统的稳定性、能控性、能观性的问题, 最优控制问题这些都可以激发学生的求知欲。有些问题是已有现成答案的 (称为相对问题) , 有些是没有现成答案的 (称为绝对问题) 。问题驱动的案例教学中, 问题是教学活动的开端, 问题是贯穿整个教学的主线。为了全面的学习和掌握知识以解决案例问题, 需要主动查找相关的资料, 学习有了明确的方面, 就会提高学生学习的积极性和主动性。这样可以激发学生的创造动机和创造性思维, 进而促使学生投身于创造活动之中。
在教学中, 我们找来学生感兴趣的经济控制论中的“动态‘投入-产出’”模型的案例, 及计算机硬件中的“磁盘控制系统”案例等, 再结合提出的问题, 指导学生掌握现代控制理论, 效果良好。
3.3 加强教学各环节监控, 保障双语教学质量
双语教学实施过程中可能会出现一些问题, 因此, 必须加强课堂教学, 考试等多环节质量监控, 教师要针对学生反馈意见及时对教学方法, 教学手段做出调整。我在教学中, 经常采用与学生交谈互动的方式, 了解学生对教学的观点和意见, 随时对教学效果进行总结, 对教学方法进行适当的调整。例如, 在双语教学的初始阶段, 不宜强调全部英语授课, 用一段时间让学生教师相互熟悉, 让学生熟悉教材的叙述习惯和词汇, 然后慢慢减少汉语的讲授。从学生接受程度出发安排课堂授课汉英比例, 作业初期要求是:概念性的作业采用英语方式, 分析, 论述等试题鼓励学生用英语作答 (能写多少算多少) 并附完整汉语。期末考试拟采用英语试卷, 英语答题。
3.4 挖掘现代教育技术潜能
计算机辅助教学, 现代化教学工具的使用是教学改革, 提高课堂教学效果的用力保障。《现代控制论》双语课程, 除了较完整的理论体系外还有大量的计算, 现代化教学工具的使用是必不可少的。我们从教学目的出发, 围绕双语教学大纲这一中心, 进行教学过程的设计, 可将整个教学过程模块化。把抽象的概念用形象的图形, 动态的演示来讲解。比如, 讲解李雅诺夫稳定性时, 可通过动画设计把渐进稳定性, 大范围渐进稳定性来演示出来, 采用生动友好的界面, 活跃多样的形式使内容更丰富。再比如, 通过绘制每一章节结构框图, 有机地把每一章的知识相互联系起来, 而且易操作, 克服了传统教学的不足, 又避免把多媒体当作简单的文字演示。
3.5 加强交叉学科的交融
双语教学时, 不仅要从学生的实际情况出发, 由浅入深, 还需要紧密结合原版教材的特点, 把概念讲述清楚, 要在方法上有所提高, 还要加强其应用性。控制理论思想不仅广泛用于军事、航天航空、化工生产等装备和生产的控制, 也可以对人文、社会等方面的管理控制中得到应用。教学中所涉及到的问题可以是广泛的, 使这一交叉学科更具应用性。把控制论、信息论、系统论这三个独立的学科有机的结合起来讲。例如, 我们挑选了“经济控制论”中的“宏观经济模型”, 来介绍控制论在经济分析中的应用, 学生很感兴趣。
摘要：信息与计算科学专业的《现代控制论》双语教学, 要根据专业培养目标和该课程的特点确定讲授内容和授课方式, 使学生掌握现代控制论的思考方法、培养分析问题, 解决问题和综合应用的能力。文章主要讨论《现代控制论》双语教学中的特点, 从加强建模思想、现代教学技术、交叉学科的交融及案例, 问题教学法的使用等方面的问题, 以提高学生的综合素质。
关键词：双语教学,数学建模思想,交叉学科,问题教学法
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