市場經濟背景下控制理論課程群教學改革探索

●孟嬌茹 于宗艷

市場經濟背景下控制理論課程群教學改革探索

●孟嬌茹 于宗艷

控制理論課程群是自動化相關專業重要的基礎理論課程。文章針對當前市場經濟背景下控制理論課程存在的問題，設計了基于“項目驅動”教學模式的課程改革方案，對課程體系、教學方法、考核方式等提出改革的方法和措施。經過教學改革實踐，提高了教學效果和教學質量，探索了一種學生主動參與、自主協作、探索創新的新型學習模式。

項目驅動 控制理論 分層分類

一、背景

控制理論課程群包括自動控制原理、計算機控制技術、現代控制理論、智能控制技術等專業基礎理論課，重點研究自動控制系統的一般規律，包括控制系統的模型建立、系統分析、系統設計的基本理論和相關技術。其特點是概念多、抽象，理論分析和數學計算比重大。在講授過程中，若不注重教學理念、方法和手段的改革，就會讓學生感覺似乎在學一門“數學”課①。特別是在以信息化帶動工業化的進程中，信息技術日新月異，作為電氣信息類本科專業重要基礎的控制理論類課程教育如何應對,如何講授好“理論性強”的課程？讓學生不僅僅學習、掌握好基礎知識、基本理論和基本方法，更應該注重應用知識的能力與創新思維的培養，這也成為自動化及其相關專業教育研究和改革的重點。

針對于此，國內外很多高校對控制理論類課程的教學改革進行了積極的探索。②③其中，將“項目驅動”引入控制理論教學是教學改革的一種大膽嘗試，“項目驅動”教學法也成為近年來控制理論課程教學研究的熱點之一。④⑤

二、“項目驅動”在控制理論課程群中的教學改革實踐

項目驅動教學法是以項目任務為教學單元、通過完成項目來開展的一種教學方式。“項目驅動”教學法將傳統的學科體系中的知識內容轉化為若干個“教學項目”，圍繞著項目組織和開展教學，使學生全程參與，體驗、感悟、論證和探究。⑥黑龍江科技大學自動化專業是黑龍江省重點專業，專業教學組歷來非常重視控制理論課程群的教學改革。多年來教學組以“面向工程、項目驅動，夯實理論、能力培養、全面發展”的教育理念為指導，著力對控制理論課程群的課程體系，教學模式、教學內容、考核模式和成績認定方式等方面進行了多方位的深化改革。建立了現階段符合本校特色的“項目驅動”模式下分層分類的控制理論課程群的課程體系，充分把學生轉為學習的主動體，提高學生自主學習能力、實踐操作技能和創新應用能力，使學生具備在控制領域和相關工作中的工程應用能力，促進學生個人發展，為社會用人單位培養應用性和適用性人才。

1.科學合理地選擇項目。項目要和生產或生活實際密切聯系，具有探索的價值。項目所涵蓋的理論知識要能夠反映課程教學內容。項目的難度要適中。項目太簡單，學生會感到乏味，沒有興趣；項目難度太大，不僅會超出課程教學要求,還將打擊學生學習知識的信心和積極性，產生消極影響。學生通過翻閱資料、調查研究、總結分析等提出自己的觀點，要求這些觀點具有創新性，不能抄襲別人的觀點，學生完成作業的情況最后要和該學科的考試成績掛鉤。授課教師要認真控制理論課程的教學內容和教學目標，深入分析教學內容和目標，并結合學生的能力水平，精心選擇合適的研究項目。例如，自動控制原理部分的教學，選擇了“永磁式直流電動機PID閉環調速控制系統”項目設計。該項目要求利用電阻、電容等無源器件和運算放大器等有源器件搭接針對固定被控對象的PID控制器，并根據計算出的性能指標分析系統的控制性能。項目涉及了控制系統建模、系統分析及系統校正等方面的知識，完全可以覆蓋教學內容，且難度適中，學生興趣很大。

又如計算機控制部分的教學,選擇了“畢昇杯”全國大學生電子設計創新大賽題目——“自動循跡小車控制裝置設計”項目，要求用數字PID、最少拍控制等算法完成控制任務。對大滯后被控對象的控制，我們采用“某熱電廠二級鍋爐汽包溫度控制”項目，通過設計Smith預估補償器、達林算法控制器等驗證控制算法的有效性。為降低設計的難度，可將部分項目采用Matlab仿真的方式說明設計方案。設計較好地覆蓋了課程教學內容。學生感覺通過努力可以完成工作,應用效果較好。

2.優化構建“項目驅動”模式下分層分類的課程體系。實施“項目驅動”教學必須合理調整現有的課程體系，構建從簡至繁，從基礎到應用的分層分類的課程體系，否則學生會感覺無從下手。“分層分類”的課程體系是將“項目驅動”按課程性質及學生類型分為三個層次，層次一：控制理論基礎通識教育；層次二：面向專業的控制技術教育；層次三：拓展學習與創新能力教育。每個層次都有其基礎教學內容和目標，形成一個完整、獨立的控制理論課程體系。課程設置如表1所示。

表1 課程體系與培養目標

3.針對不同課程層次改革課程教學模式。“項目驅動”教學法是一種探究式教學方法，根據建構主義學習理論，學生掌握知識不是通過教師傳授得到的，而是學生在一定的情境下，借助老師和同學的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構方式獲得的。⑦因此，必須改革以往的“填鴨式”教學模式，讓學生自己去構建仿真、實踐系統開發的知識框架，才能真正掌握知識，形成能力。

（1）第一層次課程。第一層級課程主要針對剛入學的新生開展教學，因此教學中可采用“課堂理論教學為主，項目仿真為輔”的教學模式，重點內容精講精練，目的是夯實控制理論分析和設計所需的數學基礎，熟練運用控制理論分析仿真和設計工具，根據項目任務要求，學生將所學數學知識利用MATLAB仿真的形式完成項目的數學建模、性能分析、項目設計等過程，最后由教師對項目效果進行驗證。

（2）第二層次課程。在教學設計上，把項目實驗實習貫穿于整個課程的教學過程中。采用“項目導學+理論研究+仿真、實踐助學”三位一體的教學模式。所謂的項目導學，就是使學生接觸一個典型的研究項目，讓學生帶著問題學習所需的控制理論，明確項目任務、設計方案后，循序漸進地過渡到實驗仿真及實踐操作過程中。例如，在現代控制理論教學中，可引入倒立擺控制案例，教學前引導學生思考“如何設計控制器使一階倒立擺能保持平衡？”在該項目驅動下學生將學習和理解建立狀態空間模型，狀態空間求解、可控性、可觀性、李雅普諾夫穩定性判據，極點匹配、狀態觀測器設計等相關知識。在理論分析的基礎上，利用MATLAB控制系統仿真工具箱LTI進行項目驗證。有能力的學生還可以到國家級精品課教學基地——電氣工程實踐基地中現場設計和調試倒立擺控制器。

（3）第三層次課程。對于已經完成第一、第二層次課程的學習、具備了一定專業理論基礎的學生，應將第三層次課程的教學由課堂內拓展到課堂外，可采用基于“課堂+機房+實踐基地+網絡”的立體化教學資源的混合式教學模式，滿足起點不同、學習方式不同、學習能力不同的各專業、各層次學生的學習需要，提高學生自主學習的能力、創新應用能力、協作學習能力與自我管理能力，可進一步保障和提高課程教學質量。

4.改革課程考核與成績認定方式。考核方式采用單項考核與綜合考核、形成性考核與終結性考核相結合的方式。學生成績包括平時學習紀律、職業道德、學習情境考核、理論考試等方面。課程性質不同，考核方式也可以不同。

考試課：增加項目設計在總成績中的比重，課程成績=筆試成績+項目設計成績；選修課：選擇性考核，對于設計能力強的學生可采用“項目設計+答辯演示”的方式，“以評代考”；對于理論基礎比較扎實的學生可參考考試課成績評定方式改革。課程免修：素質高，能力強的學科可將技能競賽成績、參與導師科研情況與課程成績結合，采取自愿申請參加課程免修通過考核，以競賽成績、參加科研表現作為考核的依據。

三、項目驅動教學法的實施效果

幾年來，控制理論課程群課題組通過在授課過程中實施“項目引導、任務驅動”教學改革，取得了較為滿意的效果，控制理論教育教學質量有了明顯的提高。以黑龍江科技大學自動化專業為例，課題組在自動控制原理、現代控制理論、計算機控制技術等課程中分別引入了“電阻絲溫度自動控制系統設計”、“一階倒立擺控制器設計”、“煤礦井下通風機變頻控制系統設計”等十余項工程項目。在此過程中，學生自覺地參加到教學中來，從任務的理解，資料的收集，問題的分析和解決，學生都能獨立思考和獨立工作，而后再小組討論拿出解決方案。學生從原來的不敢發言到現在的主動發言，學生從被動學習變為主動學習，同時提高了搜索資料能力和自學能力。既鞏固了項目研究所需的控制理論知識，又激發了學生的鉆研精神。在2013年“瑞薩杯”全國大學生電子設計競賽中，我校自動化專業選送的參賽隊伍共獲國家獎3項，省一等獎8項、二等獎5項、三等獎6項。競賽獲獎率在獲獎的17所省內院校中排名第一，總成績全省排名第二。在全校評選的10篇電類專業優秀畢業設計論文中自動化專業優秀畢業設計4篇，占總數的25%。可見，這種教學模式不但使學生深刻理解控制理論的知識內涵，提高理論聯系實際、動手操作和解決實際問題的能力，而且有利于畢業生提前進入科研或工作狀態，直接獨擋一面地承擔科研或工作任務。畢業生深受用人單位歡迎，就業率在黑龍江省一直處于首位。

四、結論

“項目驅動”教學法創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型學習模式。通過在課程中實施“項目驅動”教學法，不但鞏固了學生的控制理論專業基礎，而且讓學生接受工程和團隊工作的實際訓練，提高了應用專業理論知識解決實際問題的能力和創新能力，探索出了控制理論教學的新模式。

注釋:

①李昌春，韓力.自動控制原理課程建設的體會與思考.電氣電子教學學報，2010（2）：74-78.

②趙可外.國外大學實踐教育的理念與實踐.國教育研究，2005（11）：33-38.

③李東旭.對斯坦福大學的課堂教學模式的思考.高等教育研究學報，2000（4）：81-82.

④梁曉明.項目驅動在《過程控制技術》課程中的應用.科技信息，2010（28）：215.

⑤張正強.現代控制理論課程的教學探討.電氣電子教學學報，2009 （31）：31-32.

⑥傅四保.建構主義學習理論指導下的項目教學法初探.中國大學教學，2011（2）：56-58.

⑦戚克強.項目教學法在《數控編程》課程中的應用.黑龍江教育，2012（4）：42-43.

（責編：若佳）

F01,G642.0

A

1004-4914（2014）08-247-02

黑龍江科技大學校內科學研究基金項目，課題名稱：“項目驅動”教學法在控制理論課程群教學中的改革探索（項目編號：JY13-21）]

孟嬌茹，副教授，黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，研究方向：控制理論與控制工程；于宗艷，講師，黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，研究方向：智能控制 黑龍江哈爾濱 150027）