項目制教學在自動控制理論課程教學中的應用

河南工業大學電氣工程學院 閆晶晶 馮肖亮 董維中

自動控制理論是自動化類及相關專業的專業核心課，在培養方案中占有重要地位，是行業領域培養具有創新精神和實踐能力的高素質應用型人才的一個重要抓手。然而，由于自動控制理論課程本身涉及內容較為豐富，涵蓋了大量數學公式的推導和證明，對于學生，尤其是數學基礎較差的學生來說學習起來較為吃力。這就使學生對課程本身產生了畏學心理，甚至直接放棄學習，教師授課也會事倍功半。采取有效措施提高學生學習的主動性和積極性，是自動控制理論授課教師不得不考慮的問題。

一、自動控制理論引入項目制教學的合理性

項目制教學法是改變了傳統的理論教學和實踐教學分家的教學方式，主要通過教師和學生共同擬定的項目來展開教學活動。在項目制教學中，學生起主導作用，而教師起引導作用。自動控制理論課程雖然涉及內容豐富，但其各部分內容之間有著嚴密的邏輯關系，整個課程以控制系統為研究對象，以“系統建模—系統分析—系統設計”為主線進行講述。鑒于該課程一致的研究對象和前后內容之間清晰的邏輯遞進關系，非常適合采用項目制教學方式進行授課。教師可在開課伊始確定若干個項目（如某控制系統的分析與設計）分派給各個小組，并可將整個項目劃分為若干個子項目，隨著授課內容的不斷推進逐步完成子項目，在課程結束時對整個項目進行驗收。項目制教學的引入有利于發揮學生的主觀能動性，促使其積極補充完善項目所需的知識儲備。此外，項目任務分配又可提升學生的責任感，激發學生的創新思維。

二、項目制教學在自動控制理論教學中的實施過程

（一）小組劃分與角色設定

將整個課程班分成若干個小組，每組4—5 人。小組劃分以學生的自由組合為前提，鼓勵同寢室同學為一組，方便交流討論。鼓勵數學基礎好的同學帶動基礎差的同學。每組選出組長一名，組長需做事認真、有責任感和協調事務能力強。組長義務：項目進行前，協調分配組內成員的主要職責；項目進行中，定期開組會討論項目進展情況及制訂下一步計劃；項目完成后，以各成員的貢獻度給出貢獻百分比以供教師計算成績。小組成員義務：服從小組討論后的決議；按時按量完成個人本職工作；協助小組其他成員工作。

（二）項目設定與分配

教師以實際的控制系統為研究對象設計若干個項目名稱，如火星自主漫游車的導向控制系統的分析與設計、通信機房溫度調節節能系統的分析與設計以及磁盤驅動器控制系統的建模、分析與設計等。各小組以抽簽方式選取設定項目，并和教師進行溝通，對項目的研究內容等進行調整，最終明確該項目各階段的進度要求和應完成的子目標、項目完成時應達到的總體目標、項目成果的呈現方式等。

（三）理論與實踐學習同步進行

教師在授課過程中應明確學生當前應完成的子項目內容。如“控制系統的數學模型”內容講完后，理論環節上，應鼓勵學生積極動腦，通過對比分析、模型優化和化簡等建立適合本課程小組的項目系統的數學模型；實踐環節上，提倡創新思維，通過反復修改搭建方案掌握系統模型搭建的方法，并通過定期的項目匯報、組間互評、教師評價等方式，促進設計方案、系統搭建等工作的不斷完善，持續改進，進而提升學生的創新能力。

（四）項目的驗收與評價

課程結束后，教師從各課程小組完成項目的質量（包括是否完成預定目標、項目成果報告質量、實驗驗證效果等）和創新程度兩個方面對項目進行評價和打分，若在完成質量較高的情況下具有一定的創新，則依據創新程度提高項目成績10—20 分，同時依據各小組之間互評成績對教師給分進行適當的調整。各小組依據項目得分和貢獻度將分值分配給小組成員，分配原則為貢獻度最高的得到本項目的滿分，其他依次遞減。項目得分按照一定的比例計入期末總評成績。

三、項目制教學在自動控制理論中的應用實例

按照項目制教學的實施過程，我們課題組在自動控制理論課程中進行了試驗改革，下面以一個項目為例介紹項目制教學的具體實施過程。

項目名稱：中央空調控制系統的分析與設計

項目總體目標：利用自動控制理論相關知識建立中央空調控制系統模型；設計控制方案并進行理論驗證；對控制系統進行實驗測試并優化控制方案。

為了完成項目總體目標，設定子目標如下表所示。

子目標 內容 要求 對應知識點 考核方式1系統的工作原理分析與控制方案設計分析中央空調控制系統的構成，了解各部分工作原理；分析給定量和被控量，初步確定控制方案自動控制系統的組成；閉環控制方式；自動控制系統的基本要求小 組 自述；教師進行合理性評價2 系統模型的建立建立不同類型的中央空調控制系統模型，進行適當的變型和簡化；對比分析后選定便于分析與控制的模型；將選定的模型在試驗臺上進行搭建控制系統的數學模型（包括微分方程、傳遞函數、結構圖及等效變換、信號流圖與梅森公式）小組間進行互評和打分，教師總結3對系統進行時域性能的分析分析中央空調控制系統的穩定性；若系統穩定，則求取系統的時域性能指標，并與matlab 繪圖得到的指標進行對比；求取系統的穩態誤差控制系統的穩定性分析；控制系統的時域性能指標；穩態誤差的計算小組間進行互評和打分，教師評價4對系統進行復域性能的分析繪制中央空調控制系統的根軌跡，并基于根軌跡分析系統性能根軌跡的基本概念；根軌跡的繪制規則和方法；利用根軌跡對控制系統的性能進行分析小組間進行互評和打分，教師評價5對系統進行頻域性能的分析繪制中央空調控制系統的開環幅相曲線和Bode 圖，并與matlab繪圖進行對比分析；基于圖形判斷系統的穩定性系統的頻率特性；開環幅相曲線；Bode 圖；頻域穩定性判據小組間進行互評和打分，教師評價6對系統進行校正和設計基于中央空調控制系統的性能分析結果，對比各種校正裝置的優劣勢，選取恰當的校正裝置對系統進行校正和設計；并能在試驗臺上實現，對實驗結果進行分析并優化控制方案系統校正的一般概念；串聯校正；反饋校正；復合校正小組自述；教師評價

經過兩個學期的試驗改革，我們對項目制教學方式下的教學效果進行了分析，分析表明：借助項目制教學方式，有效地克服了學生對課程知識不感興趣、數學公式難以推導、定理證明的畏懼感，激發了學生的學習主動性、求知欲和創新思維。同時，完成項目的成就感也增強了學生解決復雜工程問題的信心和能力。

四、項目制教學實施過程中的注意事項

（一）教師角色的轉變

教師要改變自身的角色定位，從過去的知識傳授者轉變為學生自主學習的引導者。在知識傳授課程中，在恰到好處進行講授的基礎上，引導學生課前預習、課上提問發言、互相探討。引導學生理解項目任務，思考如何將理論和實踐進行結合，把學習的注意力集中在如何完成項目上，而不是零散的知識點上。在項目完成過程中對項目方案進行適當的引導，做好答疑和糾錯工作。

（二）項目小組成員間的任務分配

在項目制教學中，由于以項目小組為單位共同完成任務，這就有可能出現部分同學偷懶的現象，把所有任務的完成寄托于小組其他同學，自己則安享成果。因此，教師在項目運行過程中要做好評價和監督工作，如規定項目組成員輪流進行階段性成果匯報，或組長介紹每個階段性成果每位同學的貢獻點，教師進行提問考核等。

（三）項目評分制度的合理性

教師對項目進行打分時不但要考慮項目完成的質量，還要考慮項目的創新性。比如我們在項目評分中發現，某些小組的項目完成報告看起來很規范合理，卻與網上的某論文相似度極高。這就要求教師在打分時進行相關資料的對比分析，對相似度高的項目報告進行適當扣分，而對于原創性較高的項目報告適當提分。此外，由于項目由小組成員共同完成，故而每個小組提交一份項目總結報告，如何針對項目中各成員的貢獻度給出合適的分數也是教師要考慮的問題。

總而言之，鑒于自動控制理論內容體系間較強的邏輯關系，其非常適合采用項目制教學方法進行授課，即以一個具體的項目為主線貫穿于整個課程。若在項目制教學過程中，教師能夠較好地把握自身角色的轉變，做好項目小組成員間的任務分配，指定合理的評分機制，項目制教學方式必然能夠在自動控制理論的授課過程中取得更好的教學效果。