項目驅動教學在“自動控制原理”課程中的實踐

摘要：“自動控制原理”是自動化學科重要的專業基礎課，不僅理論性強，實踐性也很強。根據項目驅動的教學方法，在“自動控制原理”課程教學中，以項目為主線，以學生為主體，以注重實踐的方法組織教學，讓學生掌握自動控制理論所需的基本知識和技能，促進其工程實踐能力和團結協作能力的提高。

關鍵詞：項目驅動教學；自動控制理論；工程實踐能力

作者簡介：任金霞（1970-），女，山西孝義人，江西理工大學電氣與自動化學院，副教授；王祖麟（1954-），男，江西南昌人，江西理工大學電氣與自動化學院，教授。（江西 贛州 341000）

基金項目：本文系江西省教育廳教學研究項目（項目編號：JXJG-11-6-16）、“基于‘3個緊密結合+全面素質教育’的自動化專業人才培養模式創新實驗區”（文件號：教高函[2009]27號）的研究成果。

中圖分類號：G624.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0090-02

“自動控制原理”是自動化學科重要的專業基礎課，該課程內容結構緊密，概念抽象，計算繁雜，與工程實際聯系緊密，是學習后續專業課的重要基礎。長期以來，該課程采用“課堂講授+驗證性實驗”的教學方法，學生感到難學，而且學習后不知道如何應用控制理論解決實際問題。因此，探索項目驅動教學在該課程教學方法中的應用，對提高學生應用控制理論知識解決實際問題的能力和工程實踐能力具有現實意義。

一、項目驅動教學法

項目教學是圍繞項目而開展的教學活動，將學生解決問題的能力和社會責任感的培養融入項目過程中，讓學生積極地學習，自主地進行知識的建構。將所有需要學習和掌握的專業知識都圍繞項目這個核心展開，并與這個核心融合在一起，形成一個有機整體。項目過程分為學生組建團隊、教師引導、小組協作和公開答辯四個部分。組建團隊按照企業研發項目的模式，按照項目的內容和成員的特長進行分工，明確每個成員的職責和任務，通過項目小組團隊的學習，在團隊合作的環境下，使學生的自學能力、個人能力、人際交往能力、知識運用能力及開發能力得到全面鍛煉和提高。教師引導的作用主要是組織和督促，學生遇到困難時給與指導，給學生提出問題，驅動學生去探究，發揮學生的主體作用。團隊成員完成各自的任務，還要小組協作，相互協調交流和質疑探討，看到問題的解決途徑，共同完成項目。最后按照項目完成的情況，編制文檔，公開答辯，講解項目的實現過程，展示設計方案和創新之處，接受大家的質疑，總結和提高。

二、“自動控制原理”的教學目標

“自動控制原理”課程要求培養學生建立起專業知識與理論的框架，使學生具備建立控制工程項目的模型分析、建模的能力，具備綜合分析和設計自動控制系統的基本能力，具備使用計算機輔助分析和設計自動控制系統的能力，構建項目驅動的能力，進行實物工程設計實踐的能力和創新能力，并為運動控制、過程控制的能力培養提供理論支撐。

“自動控制原理”課程不僅理論性強而且實踐性也很強，將項目驅動教學法引入到“自動控制原理”課程，將過去以傳授知識為主的傳統教學理念改變為以解決問題、完成任務為主的互動式教學，有利于實現教學目標。

三、“自動控制原理”項目驅動教學實踐

1.項目的選擇

項目的好壞直接影響到教學的效果，要圍繞控制理論的教學目標，提高學生對具體系統建立數學模型的能力、分析系統的能力和設計控制系統的能力，同時提高文檔編寫能力和組織協調能力來選擇合適的項目。讓學生從解決實際工程問題出發來進行專業知識的學習，激發學生對實際工程問題的興趣，掌握該門課程的知識和研究手段、方法，引導他們探索并掌握解決問題的途徑和方法，培養學生項目的組織和管理能力以及溝通能力和團隊意識。項目的大小和難度要適中。

筆者在教學實踐中選擇電爐溫度控制系統為項目，因為溫度是一個非常重要的過程變量，溫度控制在工業領域應用非常廣泛，由于其具有工況復雜、參數多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調節器要求較高。因此該項目具有廣泛的應用前景，而且體現了自動控制理論的教學目標，學生自己能動手實現，提高了學生的工程實踐能力和綜合素質。

2.項目要求

這部分由老師提出。老師綜合學生所學理論和實踐知識，以及學生的理解能力來提出項目要求。設計一個爐溫自動控制系統，控制對象為電爐，里面有加熱功能。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環境溫度降低時實現自動調整，以保持設定的溫度基本不變。系統設計具體要求：溫度設定范圍為20℃～70℃；環境溫度降低時溫度控制的靜態誤差≤0.5℃；采用適當的控制方法，當設定溫度突變（由40℃提高到60℃）時，減小系統的調節時間和超調量；用十進制數碼管顯示水的實際溫度；在設定溫度發生突變時，溫度能達到指定溫度并維持指定溫度。

3.系統分析

由于學生剛接觸爐溫控制系統，對系統的分析方法和總體設計步驟不是很清楚，這個部分由老師引導學生對系統進行分析，中間包括對系統要求的分析、數學模型的建立、控制方案的確定、軟件仿真、硬件軟件功能的劃分。

4.組建團隊，收集資料和學習，做出決策

教師將一個班級劃分為多個項目小組，實行組長負責制。項目小組的同學討論項目的實現方法，根據老師的分析，結合自己的理解來畫出系統的硬件設計總體框圖。在這個過程中學生可以通過查找文獻、上網搜索等不同的方式來搜集資料，老師進行講解，向同學提出各種各樣的問題來了解學生對知識的掌握程度，使學生充分理解系統的性能、控制方案等要求，然后小組成員一起討論，選擇各個小組認為合適的硬件結構系統，并按照選擇的結構系統設計該溫度控制系統。

5.系統控制方案的確定

電爐溫度控制系統控制的效果主要取決于控制器的設計?？刂品桨钢锌刂破鞯倪x擇有三種，分別是比例控制器、比例-積分控制器和比例-積分-微分控制器。要求學生學習這三種控制器的特點、作用和設計方法，根據項目的需求選擇合適的控制器?？刂破髦械膮荡_定是一個重要的問題，參數確定的方法很多，學生搜集資料學習討論確定。

6.系統軟硬件設計

在確定系統硬件結構后，設計系統的軟件和硬件部分。每個項目小組按照項目的內容和成員的特長進行分工，明確每個成員的職責和任務。硬件電路的設計主要有主機系統的設計、鍵盤和顯示電路設計、測溫電路設計、電爐控制電路設計、電源設計、A/D轉換，根據幾個部分的特點及要求，結合學生對系統的理解程度，proteus環境下畫出相應的電路圖，最后把各部分的硬件電路整合。軟件部分主要完成溫度檢測、溫度控制、定時、溫度顯示等環節，這些環節可以由不同的學生獨立編程完成。碰到問題時，老師可以講解或者學生自己查資料來解決。各環節程序完成后，再設計系統的主程序和中斷程序，這部分內容由大家集體完成。

7.系統硬件調試

本系統的硬件調試分為以下階段進行調試：邏輯錯誤調試、器件調試、可靠性調試、電源故障。這部分內容由大家集體完成，發現問題小組成員協調交流共同解決。

8.系統的聯機調試

聯機調試即軟件結合硬件的整體調試，在調試過程中，不僅要檢查硬件的問題，還要檢查軟件問題。在檢查硬件沒有問題后，然后結合硬件修改軟件程序，逐步檢查問題，直到調試出結果。這個過程需要小組成員的協作甚至老師的指導，共同完成。

9.系統數學模型的建立及軟件仿真

系統調試成功后，對電爐系統施加不同的控制信號，得到電爐溫度的輸出信號，從而對電爐進行建立數學模型。根據得到的數學模型，通過MATLAB 仿真軟件進行仿真實驗，得到控制器的參數。數學模型的建立方法可以由老師講解。

10.電爐溫度控制系統的在線控制

在程序中給定電爐的期望溫度，將仿真結果講到的控制器參數寫入程序中，在線對系統進行控制。通過觀察數碼管顯示的爐溫結果，確定控制的效果是否達到要求。如果沒有達到，或者性能指標不好，要學生分析原因，并且找出解決方法。

11.總結答辯

系統設計完成以后，各小組要討論系統設計過程中出現的各種問題，并討論通過這次的項目掌握比較好的知識點有哪些，還有哪些方面沒有掌握好，師生共同總結知識點和技能點。最后學生提交報告和作品，進行成果展示，進行公開答辯，接受大家的質疑和教師的評價。最后，在總結的基礎上，對設計成果進行改進與完善。

四、結束語

項目驅動教學應用在“自動控制原理”課程中，激發了學生的學習興趣，明確了學習目標，促進了學生學習動力的形成和學習方法的養成。學生主體作用明顯，得到了充分的工作體驗，實現學生知識到技能的遷移，實現教與學、理論與實踐的緊密結合，使學生掌握自動控制的專業知識，具備建立控制工程項目的能力，培養學生的個人能力與團體協作能力，尤其是項目組織、設計、開發和實施能力，從而培養學生的創新意識、工程實踐能力和理論聯系實際的學風，學生的綜合能力得到了提高。

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（責任編輯：王意琴）