基于PBL的“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽實戰(zhàn)”課程教學(xué)應(yīng)用案例研究

付興建 侯 明

（北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100192）

0 引言

項目工程學(xué)習(xí)教學(xué)（Project-Based Learning，PBL）通常指師生雙方共同進(jìn)行一個或多個“項目工程”案例而采取的教學(xué)進(jìn)程。它最初思想產(chǎn)生于西方教育領(lǐng)域，該思想最早出現(xiàn)于18世紀(jì)歐洲的工科教育，經(jīng)過多年發(fā)展到20世紀(jì)中后期逐漸成熟，并發(fā)展成為一類具有重要意義的教育思想潮流[1-2]。

按照北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的總體要求，自動化學(xué)院越來越重視實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，在修訂培養(yǎng)計劃時，對各類實踐性環(huán)節(jié)，比如實習(xí)、社會實踐活動、課程設(shè)計和綜合實踐環(huán)節(jié)等都增加了學(xué)時數(shù)。當(dāng)然特別注重學(xué)生獲取新知識的能力培養(yǎng)，希望在培養(yǎng)過程中學(xué)生能靈活運用知識分析和解決實際問題，鍛煉創(chuàng)新能力。

“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽實戰(zhàn)”課程，是2016年自動化專業(yè)修訂本科生培養(yǎng)方案時，新增加的一門獨立實踐課。這是一門高級專業(yè)技術(shù)綜合運用的實踐課程，以綜合的、類型豐富的實戰(zhàn)項目為內(nèi)容，對涉及專業(yè)領(lǐng)域的各種信息技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用訓(xùn)練。該門課程授課內(nèi)容寬泛，形式多樣，比如有專業(yè)的創(chuàng)新項目案例、創(chuàng)業(yè)項目和國家、省市級學(xué)科競賽等。

1 基于PBL的教學(xué)應(yīng)用實例探索

在“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽實戰(zhàn)”教學(xué)活動進(jìn)程中，引入基于PBL的案例式教學(xué)，在教學(xué)中加入學(xué)院教師的科研成果作為案例項目，來培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、操作等實踐能力[3-5]。下面，給出一個筆者在“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽實戰(zhàn)”教學(xué)過程中指導(dǎo)的教學(xué)項目實例。

在高階柔性直線系統(tǒng)的魯棒控制項目案例教學(xué)過程中，引入團(tuán)隊最新成果柔性直線系統(tǒng)的魯棒控制。

本實例項目內(nèi)容是通過熟悉柔性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，根據(jù)采用質(zhì)量模塊數(shù)多少，對系統(tǒng)建模。之后再用PID控制、LQG優(yōu)化控制、魯棒控制，實現(xiàn)直線式柔性系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。

教學(xué)進(jìn)程中，每組的導(dǎo)師先講解項目實踐目的、原理等。然后該實踐項目由2人組成，進(jìn)行實驗，為期2周（但實際上常常完不成項目，許多項目需要4～6周）。

分組后，每組學(xué)生要先熟悉案例實踐用的設(shè)備，如圖1所示。該設(shè)備主要包括直線彈簧滑動模塊、滑動模塊后面的傳感器、可以減少或添加的滑動塊、阻尼系數(shù)能調(diào)節(jié)的阻尼器和直流無刷伺服電機(jī)，系統(tǒng)的模型可以根據(jù)需要進(jìn)行重構(gòu)。當(dāng)在直線柔性系統(tǒng)輸入端加入干擾時，就像是存在外部的不確定性。當(dāng)改變滑動塊個數(shù)時，就像是內(nèi)部參數(shù)變化了。而魯棒控制思想正是本著解決系統(tǒng)中存在的不確定性，以提高系統(tǒng)的抗擾動。因此，本案例目的就是讓每組學(xué)生自己設(shè)計魯棒控制器，進(jìn)行實驗研究，并和其他的控制方式進(jìn)行對比。

圖1 柔性直線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)項目教學(xué)平臺

熟悉基本原理基礎(chǔ)上，學(xué)生就可以對系統(tǒng)進(jìn)行自主調(diào)試。在此進(jìn)度過程中，希望學(xué)生能解決出現(xiàn)的一些難題，教師也要及時指導(dǎo)。在案例控制方法設(shè)計實施中，教師應(yīng)該鼓勵大家發(fā)揮自己的創(chuàng)造力。學(xué)生通過算法學(xué)習(xí)、編制程序、系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試后，得到的PID、LQR及魯棒H∞控制實驗波形如圖2所示。

圖2 PID、LQR及魯棒H∞控制波形圖

對實踐中得到的曲線進(jìn)行比較，會發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑動塊變化時，PID控制方法的振蕩幅值比較明顯，而采用魯棒控制時，雖然也會有一定程度振蕩，但柔性系統(tǒng)整體上能較好跟隨信號，具有較好的穩(wěn)定性。

在項目過程中，需要學(xué)生自己設(shè)計控制方案，需要的理論知識、編程工具設(shè)計程序等，都在完成這個項目過程中來獲得知識和技能。在整個案例教學(xué)進(jìn)程中，學(xué)生們都深度參與問題的解決，也鍛煉了團(tuán)隊協(xié)作、溝通和管理能力。

運用這種PBL方式，學(xué)生們的主動性大大提高，學(xué)術(shù)視野也提升了。教學(xué)內(nèi)容也體現(xiàn)了控制科學(xué)研究的前沿性，培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力。

2 考核評價

案例考核評價主要是看學(xué)生對于先進(jìn)控制方法的理解。在分析問題及解決問題的能力方面，是否有所收獲，使實踐案例教學(xué)這種方式真正落實到學(xué)生能力培養(yǎng)和素質(zhì)的提高上。項目學(xué)習(xí)PBL教學(xué)模式下，“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽實戰(zhàn)”實踐課程的考核評價，主要由課堂理論學(xué)習(xí)的出勤、提問等，以及在具體項目設(shè)計、調(diào)試過程中表現(xiàn)出來的項目設(shè)計方案、理論與實踐相結(jié)合分析和解決問題的能力、項目完成效果、項目報告、答辯等情況。通過這種綜合評定評價，達(dá)到比較全面的評價學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和對知識的掌握情況。

在PBL項目驅(qū)動的教學(xué)方法中，小組的2名學(xué)生，應(yīng)該合作完成實驗項目設(shè)計，理論算法的推導(dǎo)，編程調(diào)試等。并在撰寫項目報告時，明確同學(xué)分工。最后由項目指導(dǎo)教師等組成答辯小組，系統(tǒng)科學(xué)地評價學(xué)生綜合能力素質(zhì)，解決實際問題的能力。

3 結(jié)語

“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽實戰(zhàn)”借鑒項目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，按照“應(yīng)用型”自動化人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，通過整合課程學(xué)習(xí)與實戰(zhàn)訓(xùn)練的有效機(jī)制，建立起較好的引導(dǎo)學(xué)生分析和解決問題的模式，既能夠使得學(xué)生全身心投入工程項目問題中，又可以增強(qiáng)學(xué)生自主研究的能力和團(tuán)隊合作溝通的能力，以解決工程實際問題。實現(xiàn)對學(xué)生理論知識型教育向?qū)嵺`能力型教育轉(zhuǎn)變。