市場經(jīng)濟(jì)背景下控制理論課程群教學(xué)改革探索

●孟嬌茹 于宗艷

市場經(jīng)濟(jì)背景下控制理論課程群教學(xué)改革探索

●孟嬌茹 于宗艷

控制理論課程群是自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)重要的基礎(chǔ)理論課程。文章針對當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)背景下控制理論課程存在的問題，設(shè)計(jì)了基于“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式的課程改革方案，對課程體系、教學(xué)方法、考核方式等提出改革的方法和措施。經(jīng)過教學(xué)改革實(shí)踐，提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，探索了一種學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型學(xué)習(xí)模式。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng) 控制理論 分層分類

一、背景

控制理論課程群包括自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、智能控制技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)理論課，重點(diǎn)研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，包括控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論和相關(guān)技術(shù)。其特點(diǎn)是概念多、抽象，理論分析和數(shù)學(xué)計(jì)算比重大。在講授過程中，若不注重教學(xué)理念、方法和手段的改革，就會(huì)讓學(xué)生感覺似乎在學(xué)一門“數(shù)學(xué)”課①。特別是在以信息化帶動(dòng)工業(yè)化的進(jìn)程中，信息技術(shù)日新月異，作為電氣信息類本科專業(yè)重要基礎(chǔ)的控制理論類課程教育如何應(yīng)對,如何講授好“理論性強(qiáng)”的課程？讓學(xué)生不僅僅學(xué)習(xí)、掌握好基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和基本方法，更應(yīng)該注重應(yīng)用知識(shí)的能力與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，這也成為自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)教育研究和改革的重點(diǎn)。

針對于此，國內(nèi)外很多高校對控制理論類課程的教學(xué)改革進(jìn)行了積極的探索。②③其中，將“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”引入控制理論教學(xué)是教學(xué)改革的一種大膽嘗試，“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法也成為近年來控制理論課程教學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。④⑤

二、“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”在控制理論課程群中的教學(xué)改革實(shí)踐

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是以項(xiàng)目任務(wù)為教學(xué)單元、通過完成項(xiàng)目來開展的一種教學(xué)方式?！绊?xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法將傳統(tǒng)的學(xué)科體系中的知識(shí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個(gè)“教學(xué)項(xiàng)目”，圍繞著項(xiàng)目組織和開展教學(xué)，使學(xué)生全程參與，體驗(yàn)、感悟、論證和探究。⑥黑龍江科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)是黑龍江省重點(diǎn)專業(yè)，專業(yè)教學(xué)組歷來非常重視控制理論課程群的教學(xué)改革。多年來教學(xué)組以“面向工程、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，夯實(shí)理論、能力培養(yǎng)、全面發(fā)展”的教育理念為指導(dǎo)，著力對控制理論課程群的課程體系，教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、考核模式和成績認(rèn)定方式等方面進(jìn)行了多方位的深化改革。建立了現(xiàn)階段符合本校特色的“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”模式下分層分類的控制理論課程群的課程體系，充分把學(xué)生轉(zhuǎn)為學(xué)習(xí)的主動(dòng)體，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐操作技能和創(chuàng)新應(yīng)用能力，使學(xué)生具備在控制領(lǐng)域和相關(guān)工作中的工程應(yīng)用能力，促進(jìn)學(xué)生個(gè)人發(fā)展，為社會(huì)用人單位培養(yǎng)應(yīng)用性和適用性人才。

1.科學(xué)合理地選擇項(xiàng)目。項(xiàng)目要和生產(chǎn)或生活實(shí)際密切聯(lián)系，具有探索的價(jià)值。項(xiàng)目所涵蓋的理論知識(shí)要能夠反映課程教學(xué)內(nèi)容。項(xiàng)目的難度要適中。項(xiàng)目太簡單，學(xué)生會(huì)感到乏味，沒有興趣；項(xiàng)目難度太大，不僅會(huì)超出課程教學(xué)要求,還將打擊學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的信心和積極性，產(chǎn)生消極影響。學(xué)生通過翻閱資料、調(diào)查研究、總結(jié)分析等提出自己的觀點(diǎn)，要求這些觀點(diǎn)具有創(chuàng)新性，不能抄襲別人的觀點(diǎn)，學(xué)生完成作業(yè)的情況最后要和該學(xué)科的考試成績掛鉤。授課教師要認(rèn)真控制理論課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，深入分析教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，并結(jié)合學(xué)生的能力水平，精心選擇合適的研究項(xiàng)目。例如，自動(dòng)控制原理部分的教學(xué)，選擇了“永磁式直流電動(dòng)機(jī)PID閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)”項(xiàng)目設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目要求利用電阻、電容等無源器件和運(yùn)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(jù)計(jì)算出的性能指標(biāo)分析系統(tǒng)的控制性能。項(xiàng)目涉及了控制系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析及系統(tǒng)校正等方面的知識(shí)，完全可以覆蓋教學(xué)內(nèi)容，且難度適中，學(xué)生興趣很大。

又如計(jì)算機(jī)控制部分的教學(xué),選擇了“畢昇杯”全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽題目——“自動(dòng)循跡小車控制裝置設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，要求用數(shù)字PID、最少拍控制等算法完成控制任務(wù)。對大滯后被控對象的控制，我們采用“某熱電廠二級(jí)鍋爐汽包溫度控制”項(xiàng)目，通過設(shè)計(jì)Smith預(yù)估補(bǔ)償器、達(dá)林算法控制器等驗(yàn)證控制算法的有效性。為降低設(shè)計(jì)的難度，可將部分項(xiàng)目采用Matlab仿真的方式說明設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)較好地覆蓋了課程教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生感覺通過努力可以完成工作,應(yīng)用效果較好。

2.優(yōu)化構(gòu)建“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”模式下分層分類的課程體系。實(shí)施“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)必須合理調(diào)整現(xiàn)有的課程體系，構(gòu)建從簡至繁，從基礎(chǔ)到應(yīng)用的分層分類的課程體系，否則學(xué)生會(huì)感覺無從下手?！胺謱臃诸悺钡恼n程體系是將“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”按課程性質(zhì)及學(xué)生類型分為三個(gè)層次，層次一：控制理論基礎(chǔ)通識(shí)教育；層次二：面向?qū)I(yè)的控制技術(shù)教育；層次三：拓展學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力教育。每個(gè)層次都有其基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，形成一個(gè)完整、獨(dú)立的控制理論課程體系。課程設(shè)置如表1所示。

表1 課程體系與培養(yǎng)目標(biāo)

3.針對不同課程層次改革課程教學(xué)模式?！绊?xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法是一種探究式教學(xué)方法，根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)生掌握知識(shí)不是通過教師傳授得到的，而是學(xué)生在一定的情境下，借助老師和同學(xué)的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)方式獲得的。⑦因此，必須改革以往的“填鴨式”教學(xué)模式，讓學(xué)生自己去構(gòu)建仿真、實(shí)踐系統(tǒng)開發(fā)的知識(shí)框架，才能真正掌握知識(shí)，形成能力。

（1）第一層次課程。第一層級(jí)課程主要針對剛?cè)雽W(xué)的新生開展教學(xué)，因此教學(xué)中可采用“課堂理論教學(xué)為主，項(xiàng)目仿真為輔”的教學(xué)模式，重點(diǎn)內(nèi)容精講精練，目的是夯實(shí)控制理論分析和設(shè)計(jì)所需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，熟練運(yùn)用控制理論分析仿真和設(shè)計(jì)工具，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求，學(xué)生將所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)利用MATLAB仿真的形式完成項(xiàng)目的數(shù)學(xué)建模、性能分析、項(xiàng)目設(shè)計(jì)等過程，最后由教師對項(xiàng)目效果進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）第二層次課程。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，把項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)貫穿于整個(gè)課程的教學(xué)過程中。采用“項(xiàng)目導(dǎo)學(xué)+理論研究+仿真、實(shí)踐助學(xué)”三位一體的教學(xué)模式。所謂的項(xiàng)目導(dǎo)學(xué)，就是使學(xué)生接觸一個(gè)典型的研究項(xiàng)目，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)所需的控制理論，明確項(xiàng)目任務(wù)、設(shè)計(jì)方案后，循序漸進(jìn)地過渡到實(shí)驗(yàn)仿真及實(shí)踐操作過程中。例如，在現(xiàn)代控制理論教學(xué)中，可引入倒立擺控制案例，教學(xué)前引導(dǎo)學(xué)生思考“如何設(shè)計(jì)控制器使一階倒立擺能保持平衡？”在該項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下學(xué)生將學(xué)習(xí)和理解建立狀態(tài)空間模型，狀態(tài)空間求解、可控性、可觀性、李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)，極點(diǎn)匹配、狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)。在理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB控制系統(tǒng)仿真工具箱LTI進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)證。有能力的學(xué)生還可以到國家級(jí)精品課教學(xué)基地——電氣工程實(shí)踐基地中現(xiàn)場設(shè)計(jì)和調(diào)試倒立擺控制器。

（3）第三層次課程。對于已經(jīng)完成第一、第二層次課程的學(xué)習(xí)、具備了一定專業(yè)理論基礎(chǔ)的學(xué)生，應(yīng)將第三層次課程的教學(xué)由課堂內(nèi)拓展到課堂外，可采用基于“課堂+機(jī)房+實(shí)踐基地+網(wǎng)絡(luò)”的立體化教學(xué)資源的混合式教學(xué)模式，滿足起點(diǎn)不同、學(xué)習(xí)方式不同、學(xué)習(xí)能力不同的各專業(yè)、各層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力、協(xié)作學(xué)習(xí)能力與自我管理能力，可進(jìn)一步保障和提高課程教學(xué)質(zhì)量。

4.改革課程考核與成績認(rèn)定方式。考核方式采用單項(xiàng)考核與綜合考核、形成性考核與終結(jié)性考核相結(jié)合的方式。學(xué)生成績包括平時(shí)學(xué)習(xí)紀(jì)律、職業(yè)道德、學(xué)習(xí)情境考核、理論考試等方面。課程性質(zhì)不同，考核方式也可以不同。

考試課：增加項(xiàng)目設(shè)計(jì)在總成績中的比重，課程成績=筆試成績+項(xiàng)目設(shè)計(jì)成績；選修課：選擇性考核，對于設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的學(xué)生可采用“項(xiàng)目設(shè)計(jì)+答辯演示”的方式，“以評(píng)代考”；對于理論基礎(chǔ)比較扎實(shí)的學(xué)生可參考考試課成績評(píng)定方式改革。課程免修：素質(zhì)高，能力強(qiáng)的學(xué)科可將技能競賽成績、參與導(dǎo)師科研情況與課程成績結(jié)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(xiàn)作為考核的依據(jù)。

三、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)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(shí)施“項(xiàng)目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)改革，取得了較為滿意的效果，控制理論教育教學(xué)質(zhì)量有了明顯的提高。以黑龍江科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)為例，課題組在自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程中分別引入了“電阻絲溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“一階倒立擺控制器設(shè)計(jì)”、“煤礦井下通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等十余項(xiàng)工程項(xiàng)目。在此過程中，學(xué)生自覺地參加到教學(xué)中來，從任務(wù)的理解，資料的收集，問題的分析和解決，學(xué)生都能獨(dú)立思考和獨(dú)立工作，而后再小組討論拿出解決方案。學(xué)生從原來的不敢發(fā)言到現(xiàn)在的主動(dòng)發(fā)言，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，同時(shí)提高了搜索資料能力和自學(xué)能力。既鞏固了項(xiàng)目研究所需的控制理論知識(shí)，又激發(fā)了學(xué)生的鉆研精神。在2013年“瑞薩杯”全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，我校自動(dòng)化專業(yè)選送的參賽隊(duì)伍共獲國家獎(jiǎng)3項(xiàng)，省一等獎(jiǎng)8項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、三等獎(jiǎng)6項(xiàng)。競賽獲獎(jiǎng)率在獲獎(jiǎng)的17所省內(nèi)院校中排名第一，總成績?nèi)∨琶诙?。在全校評(píng)選的10篇電類專業(yè)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文中自動(dòng)化專業(yè)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)4篇，占總數(shù)的25%?？梢?，這種教學(xué)模式不但使學(xué)生深刻理解控制理論的知識(shí)內(nèi)涵，提高理論聯(lián)系實(shí)際、動(dòng)手操作和解決實(shí)際問題的能力，而且有利于畢業(yè)生提前進(jìn)入科研或工作狀態(tài)，直接獨(dú)擋一面地承擔(dān)科研或工作任務(wù)。畢業(yè)生深受用人單位歡迎，就業(yè)率在黑龍江省一直處于首位。

四、結(jié)論

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型學(xué)習(xí)模式。通過在課程中實(shí)施“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法，不但鞏固了學(xué)生的控制理論專業(yè)基礎(chǔ)，而且讓學(xué)生接受工程和團(tuán)隊(duì)工作的實(shí)際訓(xùn)練，提高了應(yīng)用專業(yè)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力，探索出了控制理論教學(xué)的新模式。

注釋:

①李昌春，韓力.自動(dòng)控制原理課程建設(shè)的體會(huì)與思考.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：74-78.

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

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

④梁曉明.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)在《過程控制技術(shù)》課程中的應(yīng)用.科技信息，2010（28）：215.

⑤張正強(qiáng).現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)探討.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009 （31）：31-32.

⑥傅四保.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的項(xiàng)目教學(xué)法初探.中國大學(xué)教學(xué)，2011（2）：56-58.

⑦戚克強(qiáng).項(xiàng)目教學(xué)法在《數(shù)控編程》課程中的應(yīng)用.黑龍江教育，2012（4）：42-43.

（責(zé)編：若佳）

F01,G642.0

A

1004-4914（2014）08-247-02

黑龍江科技大學(xué)校內(nèi)科學(xué)研究基金項(xiàng)目，課題名稱：“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法在控制理論課程群教學(xué)中的改革探索（項(xiàng)目編號(hào)：JY13-21）]

孟嬌茹，副教授，黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)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(xué)電氣與控制工程學(xué)院，研究方向：智能控制 黑龍江哈爾濱 150027）