基于項目化教學(xué)的應(yīng)用型本科院校教學(xué)方法探索

孟 琳，高 陽，張嘉超，劉洋洋

（南京工程學(xué)院人工智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 江蘇 南京 211167）

項目化教學(xué)是通過一個完整的項目貫穿一門課程的教學(xué)，是“行為導(dǎo)向”教學(xué)法的一種，要求學(xué)生同時用腦、手、心進(jìn)行學(xué)習(xí)，以職業(yè)活動為導(dǎo)向，知識的傳授和應(yīng)用取決于學(xué)生個體能力的培養(yǎng)[1]。課程以工作任務(wù)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，以項目為載體組織內(nèi)容，并以項目活動為主要學(xué)習(xí)方式。項目化教學(xué)離不開工作任務(wù)分析與項目設(shè)計兩個核心環(huán)節(jié)，工作任務(wù)分析能準(zhǔn)確把握工作崗位的要求，為課程內(nèi)容選擇提供依據(jù)，建立課程學(xué)習(xí)與項目工作的直接聯(lián)系，從而建立學(xué)習(xí)與工作、理論與實(shí)踐的一體化。項目化教學(xué)是在工作任務(wù)分析的基礎(chǔ)上，以專業(yè)技能為主要學(xué)習(xí)目標(biāo)，在圍繞實(shí)際工作核心內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分解課程主題內(nèi)容，按照項目原則進(jìn)行重新選擇與項目化設(shè)計。設(shè)計的項目包含學(xué)生需要掌握的理論知識、實(shí)踐技能和職業(yè)素養(yǎng)，并以逐層遞進(jìn)的方式深入講解職業(yè)技能要求，以確保學(xué)生的理論學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐學(xué)習(xí)能力可以獲得雙重進(jìn)步。因此，項目化教學(xué)是根據(jù)職業(yè)人才培養(yǎng)需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求構(gòu)建的一種新型教學(xué)模式。在新工科視域下，要以培養(yǎng)行業(yè)需要的應(yīng)用型人才為導(dǎo)向，提高學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識儲備、專業(yè)設(shè)備操作能力、工程實(shí)踐能力和科學(xué)創(chuàng)新能力[2]。1“控制技術(shù)及應(yīng)用”教學(xué)現(xiàn)狀“控制技術(shù)及應(yīng)用”課程是自動化專業(yè)、測控專業(yè)、電子信息專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，集理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用性于一體，以提高學(xué)生對專業(yè)知識的掌握水平和強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)能力為目的[3]。涉及的專業(yè)知識包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)性能三大分析方法、控制器設(shè)計等內(nèi)容，其中三大性能分析方法指的是時域分析法、頻域分析法和根軌跡法，要求學(xué)生能夠依據(jù)各分析方法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能，在此基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。該課程除了基礎(chǔ)理論的分析介紹，更是對學(xué)生掌握處理復(fù)雜工程問題的方法，提高科學(xué)素質(zhì)、工程精神和實(shí)踐能力以及后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)能力具有重要的奠基作用，是學(xué)生形成科學(xué)世界觀的重要催化劑[4-5]。該課程雖然具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，但課程理論與實(shí)踐應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，主要存在以下幾個方面的問題：

1.1 課程概念比較抽象，理論性與專業(yè)性較強(qiáng)

“控制技術(shù)及應(yīng)用”作為一門專業(yè)必修課程，要求學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)知識和較強(qiáng)的抽象思維能力，相對來說學(xué)生學(xué)習(xí)難度大。理論知識較為深奧空洞，公式推導(dǎo)較為復(fù)雜，教學(xué)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，很多概念過于抽象不易理解和掌握，使得教材內(nèi)容變得枯燥乏味[6]。例如控制系統(tǒng)建模部分，學(xué)生看到的是大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)，無法在腦中建立直接的模型概念，這不僅難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還會使學(xué)生產(chǎn)生畏難心理，難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)方式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高

傳統(tǒng)“控制技術(shù)及應(yīng)用”教學(xué)模式主要是課堂理論講授，教師純理論的推導(dǎo)、分析和計算，讓學(xué)生機(jī)械地記住書本上的公式，忽略了學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)，學(xué)生缺乏自己的思考，這種教學(xué)模式下難以引起學(xué)生的興趣。單一的課堂教學(xué)教授方式，導(dǎo)致學(xué)生的參與度和積極性不高，無法對所學(xué)知識形成系統(tǒng)全面的認(rèn)識，因此難以激發(fā)學(xué)生主動思考的動力，更難以調(diào)動學(xué)生深入探究的學(xué)習(xí)源動力。

1.3 課程實(shí)踐設(shè)備老舊，可操作性不強(qiáng)

現(xiàn)有課程教學(xué)主要是理論教學(xué)，部分相關(guān)課程存在一些實(shí)驗(yàn)，但大多演變成連接導(dǎo)線的機(jī)械性實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐內(nèi)容較少，且配套實(shí)踐課程與理論課程在授課時間上是分開的，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也是以封裝好的實(shí)驗(yàn)臺或者實(shí)驗(yàn)箱為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是課程理論知識的驗(yàn)證，實(shí)踐項目固定，實(shí)驗(yàn)形式單一，學(xué)生大多跟著老師的講解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，僅僅機(jī)械地重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，很難做到理論聯(lián)系實(shí)踐。由于缺乏真正可實(shí)際創(chuàng)新操作的實(shí)踐課程內(nèi)容，致使學(xué)生對“控制技術(shù)及應(yīng)用”課程的重要性、實(shí)用性和基礎(chǔ)支撐性無法理解到位，學(xué)到的知識也只是流于表面，使得學(xué)生喪失持續(xù)、深入學(xué)習(xí)和探究的動力。

1.4 考核形式固化，無法全面評價學(xué)生能力

傳統(tǒng)的“控制技術(shù)及應(yīng)用”課程最終考核僅僅是學(xué)生的平時成績加上最后的期末考試成績，很多能夠拿高分的同學(xué)也不具備依靠所學(xué)理論知識獨(dú)立設(shè)計控制系統(tǒng)的能力，對學(xué)生實(shí)踐能力和項目化訓(xùn)練的培養(yǎng)明顯不足，很難達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)的最終目標(biāo)。而實(shí)際工作后的環(huán)境不僅需要自主解決問題，同時需要團(tuán)隊協(xié)作和協(xié)調(diào)的能力，卷面的高分無法全面評價學(xué)生未來的職業(yè)素養(yǎng)。

2 基于項目化教學(xué)的“控制技術(shù)及應(yīng)用”課程設(shè)計

“控制技術(shù)及應(yīng)用”理論性很強(qiáng)，因此教學(xué)中首先要做到的是理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的無縫銜接，使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程理論的同時，通過實(shí)踐加深對理論知識點(diǎn)的理解，從而強(qiáng)化學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。力求達(dá)到在教學(xué)過程中理論教學(xué)、專業(yè)工具軟件使用教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)“三位一體”的授課成效。本文以扇翼飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計為基本項目基礎(chǔ)，貫穿整個課程知識點(diǎn)的授課，具體課程架構(gòu)如圖1 所示：

圖1 課程項目化教學(xué)架構(gòu)

2.1 理論教學(xué)與實(shí)踐相融合

“控制技術(shù)及應(yīng)用”理論性很強(qiáng)，要求學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如果理論教學(xué)過程中能夠讓學(xué)生邊學(xué)理論邊實(shí)踐，通過項目融入課程知識點(diǎn)的方式開展教學(xué)，并針對學(xué)生實(shí)際情況，以小組組合形式開展，每組不超過4 人，確保所有同學(xué)的參與度。

對于課程的理論部分，采用講授法、演示法、問題導(dǎo)向法、討論法教學(xué)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力。采用項目實(shí)踐與理論交替的課程學(xué)習(xí)方式，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自我能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過課堂討論，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知中的誤區(qū)，有針對性地通過項目演示和實(shí)際操作，幫助學(xué)生理解課程難點(diǎn)。

2.2 理論教學(xué)與軟件學(xué)習(xí)同步

Matlab 具有強(qiáng)大的繪圖和運(yùn)算功能，簡單易學(xué)，是自動化專業(yè)從業(yè)人員必須掌握的一門常用編程工具，將Matlab基礎(chǔ)工具軟件的教授嵌套進(jìn)“控制技術(shù)及應(yīng)用”授課中，讓學(xué)生在掌握Matlab 軟件的同時，加深對課堂內(nèi)容的理解，同時可以有效解決煩瑣枯燥的計算問題，把更多的精力投入工程實(shí)際問題的解決上。Matlab 的可操作性、可演示性帶給學(xué)生不一樣的課堂體驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，積極主動投入對課程內(nèi)容的研究理解中，相較于印在書本上的純文字信息，其形式更為生動易接受。Matlab/Simulink構(gòu)建了一個模塊圖環(huán)境，提供自定義的模塊庫和圖形編輯器，能夠直觀展現(xiàn)飛機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，易于學(xué)生有針對性地查找和理解一個控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

2.3 課程組織與實(shí)施方式

本課程以“飛機(jī)縱向姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計”為項目主線，將“控制技術(shù)及應(yīng)用”課程中控制系統(tǒng)模型建立、時域分析法、頻域分析法、根軌跡分析法和控制系統(tǒng)的校正和設(shè)計五個部分的理論知識融合進(jìn)項目中，學(xué)生通過項目演示和實(shí)操嘗試促進(jìn)對課程理論知識的理解，以及通過課程前后的聯(lián)系貫穿從而加深對所學(xué)知識的掌握。通過這種理論教學(xué)和實(shí)踐項目穿插進(jìn)行的方式，鼓勵同學(xué)參與和討論，從而及時把握學(xué)生對理論知識的掌握程度和運(yùn)用能力，通過及時反饋不斷總結(jié)，教師和學(xué)生都能夠不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，彌補(bǔ)項目驅(qū)動教學(xué)活動過程中的不足，從而促進(jìn)教學(xué)效果的進(jìn)一步提高。

在“控制技術(shù)及應(yīng)用”課程的教學(xué)過程中，涉及項目化教學(xué)內(nèi)容的部分有：飛機(jī)六自由度狀態(tài)方程的建立，對應(yīng)于控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型章節(jié)；飛機(jī)性能分析，對應(yīng)于三大分析方法；飛機(jī)縱向飛行控制系統(tǒng)設(shè)計，對應(yīng)于控制系統(tǒng)校正與設(shè)計章節(jié)。下面以根軌跡法進(jìn)行控制系統(tǒng)性能分析為例，簡單介紹課程實(shí)施步驟。

課程理論教學(xué)要求學(xué)生了解系統(tǒng)根軌跡的概念和原理，熟悉根軌跡繪制法則，掌握用根軌跡分析系統(tǒng)性能的方法，并能理解增加開環(huán)零極點(diǎn)對系統(tǒng)性能的影響，初步掌握對控制系統(tǒng)的分析能力。首先課堂教授根軌跡概念并與前面時域性能分析相結(jié)合，知識點(diǎn)前后串聯(lián)，在有概念基礎(chǔ)的前提下進(jìn)行飛控系統(tǒng)根軌跡的繪制。

實(shí)踐基礎(chǔ)教學(xué)部分包括：根軌跡的繪制及性能分析、依據(jù)時域性能指標(biāo)用根軌跡法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。實(shí)踐應(yīng)用部分內(nèi)容包括：用根軌跡法分析飛機(jī)縱向姿態(tài)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的性能，并能通過根軌跡法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計以滿足期望的時域性能指標(biāo)。此部分可以使學(xué)生更好地串聯(lián)前后所學(xué)知識，結(jié)合第二章時域性能分析方法，即系統(tǒng)性能指標(biāo)分析（快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性），設(shè)計滿意的控制律。

如圖2 所示為飛機(jī)縱向姿態(tài)控制系統(tǒng)，縱向姿態(tài)控制采用PD控制，俯仰角和俯仰角速率雙反饋回路，回顧前面頻域分析法，微分環(huán)節(jié)俯仰角速率反饋的加入，使控制系統(tǒng)相位超前90°，提早發(fā)現(xiàn)輸入信號的變化趨勢，并做出相應(yīng)修正，進(jìn)而增大縱向短周期運(yùn)動的阻尼，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。飛機(jī)的高度控制采用PI 控制結(jié)構(gòu)——高度與高度積分的雙回路反饋，將俯仰角內(nèi)回路作為高度控制的阻尼項，項目中扇翼飛機(jī)的動力來源于機(jī)翼上的扇翼，扇翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的升力和附加低頭力矩，使得高度變化時首先伴隨著俯仰角運(yùn)動，因此可以采用俯仰角控制系統(tǒng)代替高度變化率進(jìn)行高度增穩(wěn)。積分環(huán)節(jié)是為了提高飛行高度控制的精度，結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計部分教學(xué)內(nèi)容，積分環(huán)節(jié)的加入使系統(tǒng)增加了一個型別，進(jìn)而改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。通過飛機(jī)縱向控制系統(tǒng)的設(shè)計將課程前后知識串聯(lián)總結(jié)，通過控制系統(tǒng)設(shè)計部分內(nèi)容，加深掌握前面幾章中頻域分析和時域分析方法，加深對前期理論課程的理解，使學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)和理解控制的精髓——反饋。

圖2 飛機(jī)縱向姿態(tài)控制系統(tǒng)

結(jié)合高度控制根軌跡圖、幅頻特性曲線、時域響應(yīng)曲線，講解控制系統(tǒng)設(shè)計方法、零極點(diǎn)添加的作用以及三種性能分析方法的對應(yīng)聯(lián)系，使學(xué)生學(xué)習(xí)的知識更為具體，易于對知識點(diǎn)的消化吸收。例如拖動根軌跡圖上的根軌跡點(diǎn)對應(yīng)觀察時域中的高度階躍響應(yīng)，對應(yīng)理解什么是過阻尼、欠阻尼和無阻尼的概念，以及在根軌跡上點(diǎn)位置對應(yīng)的系統(tǒng)性能關(guān)系，比課堂上的公式推導(dǎo)更易于學(xué)生理解和掌握。

2.4 考核方式

課程考核依據(jù)教學(xué)目標(biāo)制訂，本課程教學(xué)主要包括兩個大類目標(biāo)：知識目標(biāo)和能力目標(biāo)。知識目標(biāo)是希望學(xué)生掌握常規(guī)課程中的基本理論，包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制模型、三大分析方法等，能力目標(biāo)主要指學(xué)生的實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)、提出、分析和解決問題的科研精神以及團(tuán)隊協(xié)作、協(xié)調(diào)、表達(dá)能力的提升。對應(yīng)于此，各考核環(huán)節(jié)的具體要求及成績評定方法如下：

①平時成績考核學(xué)生出勤、作業(yè)完成情況。平時課成績占總成績的30%。

②期末考試采用閉卷筆試考核，期末考試占總成績的40%。

③項目實(shí)踐成績，以討論課的形式開展項目訓(xùn)練考核，要求學(xué)生依據(jù)課程內(nèi)項目分組查閱資料，制作PPT 并匯報，成績評定時先評定小組成績，再評定個人成績。小組成績評價綜合考慮學(xué)生團(tuán)隊的基本概念掌握程度、針對工程問題方案制訂、成果展示等內(nèi)容，個人成績評價以小組成績?yōu)榛A(chǔ)分，再依據(jù)個人貢獻(xiàn)度打分。項目實(shí)踐成績占總成績的30%。

3 小結(jié)

針對“控制技術(shù)及應(yīng)用”教學(xué)中存在的問題，依托扇翼飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計項目開展項目化教學(xué)，將教學(xué)的重點(diǎn)放在對于知識要點(diǎn)、難點(diǎn)的理解上，以及將理論知識運(yùn)用在實(shí)際控制系統(tǒng)分析與綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)上。實(shí)施項目化教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，深化學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和消化。突出對學(xué)生自學(xué)能力和知識遷移能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和工程素養(yǎng)，鍛煉工程實(shí)踐能力，成為真正能適應(yīng)社會發(fā)展需要的應(yīng)用型人才。