现代控制系统课程的主动式项目教学方法

刘云龙， 唐述宏， 考永贵， 季 涛， 高在瑞, 吴小进

(1.潍坊学院 信息与控制工程学院，山东 潍坊 261061；2.哈尔滨工业大学 数学系，山东 威海 264209)



现代控制系统课程的主动式项目教学方法

刘云龙1， 唐述宏1， 考永贵2， 季 涛1， 高在瑞1, 吴小进1

(1.潍坊学院 信息与控制工程学院，山东 潍坊 261061；2.哈尔滨工业大学 数学系，山东 威海 264209)

针对自动控制原理课程和现代控制理论课程教学中存在的工程设计理论化和知识体系碎片化的问题，将二者整合成一门新的课程——现代控制系统，提出了主动式项目教学方法。首先分析了主动式项目教学方法的来源、科学依据和基本特征。其次在教学内容上，将课程分为12个教学单元，调整了空间状态方程、系统稳定性和鲁棒控制系统等内容，设置了33个课程项目。再次将主动式项目教学方法的实施过程分为项目选题、项目准备、项目讨论、项目设计和项目答辩等五个步骤。最后给出了主动式项目教学方法的自我评价、项目组评价和教师评价及其注意问题。主动式项目教学方法遵循学生的认知习惯，注重学生的实践能力。该教学方法有较好的操作性，具有良好的教学效果。

现代控制系统； 项目教学； 主动式； Matlab仿真

0 引 言

自动控制原理课程和现代控制理论课程是控制科学和工程的重要基础课程，是工业自动化应用的理论基础，是自动化、测控技术与仪器等本科专业的必修课程。自动控制原理课程和现代控制理论课程的基础知识涵盖数学、力学、化学、生物学、系统科学、管理科学、电力电子、机械工程、微机原理等，偏重于理论、概念较抽象[1-3]。传统的课程教学多采用“基础理论+实验仿真+实践训练”的叠加串行模式，这种教学模式相对乏味，无法激发学生的学习兴趣，无法真正做到理论与实践的有机结合，无法培养学生的创新能力和解决问题能力。目前，尽管自动化科学的学术活动在国内外影响非常广泛，但在欧美国家，自动化并不从属于某个工程学科，也不是一个独立的工程学科，而是分布在许多实际应用的工程学科中，如电子电气自动化、化工流程自动化、机械设计自动化、机电一体化、自动机器人等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域拓展，如管理自动化、经济自动化、国防自动化、医疗自动化、教学自动化等。项目教学是一种以问题为导向的教学模式，学习目标和理论知识凝编成许多教学单元，将知识以面向项目的方式呈现给师生，已经应用许多工程类课程，如机器人系统[4]、嵌入式系统[5]、电力拖动系统[6]等。主动式项目教学指在项目教学中，以锻炼学生的思维为目的，以学生的实践活动为主体，在教师的启发引导下，学生主动完成项目的提出问题和解决问题过程，在项目实践中，进行知识构建和思维训练。主动式项目教学方法体现了人才培养理念的主观能动特征，引导学生从事研究性学习， 较好地处理了理论教学和项目实践的结合问题，同时，能够调动学生的积极性，激发学生的学习兴趣。

1 主动式项目教学方法简介

1.1 主动式项目教学方法的提出

理想的教学过程应该是在教师的启发引导下，学生主动提出一系列问题，分析和理解某些已知的答案或结论，然后对这些答案或结论进行重新解决与发现创新。而传统的教学过程忽视了学生提出问题和解决问题的主动性，通常教师直接给出问题，并很快给出所谓标准的答案。整个教学过程，学生感觉不到知识的新奇与刺激，没有创造的冲动与探索，对于问题的提出和探索训练变为干巴巴的知识传授过程。教学的最佳设想应该是教师提出一些与学习目标相关的问题，学生积极主动去征询答案。项目教学方法则溯源于此教学设想，早期的研究见于教育专家凯兹博士和查德博士所著的《项目教学方法》，文中综述了这种在工作情境中完成真实的项目任务，以能力为本位、以学生为中心的教学模式。主动式项目教学方法以问题为导向，以学生主动提出问题、解决问题和创新知识为核心，促进学生积极思维，感受创新的艰辛与乐趣，重视团队协作能力等。传统自动化学科的串行教学模式是：先作理论知识讲解，再对其实验仿真模拟，最后进行一些简单的实践训练。而自动化学科的主动式项目教学方法正好与此相反，它将知识凝编成许多项目单元，以问题为导向，学生主动提出问题，然后实践设计解决问题，再通过实验仿真验证方案的可行性，最后整理和对比教材已有结论和定理等，撰写报告，参加答辩，反馈和总结知识与应用。主动式项目教学方法中每个流程的师生任务如图1所示。

图1 主动式项目教学方法的师生任务流程图

1.2 主动式项目教学的科学依据

(1) 建构主义理论认为，当现有知识无法解决问题时，一个人真正的学习才会发生。通过教师向学生传递知识的过程是“伪学习”，真正的学习过程应该是学生自己建构知识的过程。学生不是被动地接受知识，而是主动地通过已有的认知结构对新知识进行加工和建构，这种学习更强调主动性、情境性、协作性、社会性，而且这种知识建构过程，教师不能代替，也无法代替[7]。

(2) 现代心理学研究表明：“耳听”感受的记忆保持率约为20%；“眼看”感受的记忆保持率约为30%；“耳听+眼看”感受的记忆保持率约为50%；“亲身实践”感受的记忆保持率高于90%。主动式项目教学方法具有典型的亲身实践感受过程，有利于学生掌握完备的基础理论知识，提高创新能力和解决问题的能力。

(3) 以问题为导向的科学观，彰显主动式项目教学方法的科学性和可行性。正如习近平总书记指出的“改革是由问题倒逼而产生，又在不断解决问题中得以深化”，现代控制系统课程的教学应以问题为导向，以项目为教学单元，启发引导学生主动提出问题和解决问题。

1.3 主动式项目教学方法的基本特征

主动式项目教学方法与传统串行授课教学方法相比，在教学内容和教学过程层面有很大的差异，主要体现在两个中心的转移：在活动主体上，以教师为中心转变为以学生为中心，真正还原教育的目的；在教学内容上，以课本知识为中心转变为以实践项目为中心，体现学以致用原则。具体而言，主动式项目教学方法有以下基本特征：

(1) 学生自主性。这是该教学方法的根本特征，教师引导和提供给学生一些具体可行的项目，学生主动进行查找和学习相关知识，提出问题和寻求解决问题的研究方法和技术路线，从而有效地促进学生创造思维能力的发展。

(2) 项目实践性。项目对象一般源于先进的科技产品或工艺, 项目的主题与客观世界密切联系，项目的选择具有典型性、实用性和前沿性。

(3) 评价客观性。主动式项目教学方法的评价，注重学生在项目活动中展现能力，不再是一纸考卷决定成绩。该教学方法的测评内容包括学生参与项目活动各个环节的表现，采用自我评价、 项目组测评和教师综合评价等方式。

2 教学内容的项目化

针对传统串行教学模式，自动控制原理和现代控制理论课程中的工程设计过于理论化、知识体系过于碎片化等问题，参考教材[8-12]，将以传递函数、频域分析为代表的经典控制理论和以状态空间分析为代表的现代控制理论有机结合起来，整合为一门新的课程——现代控制系统。新课程的教学单元分为十二部分，见表1，主要调整如下：① 状态空间方程前置在单元三中；② 经典控制理论与现代控制理论的系统稳定性判定统一到单元五中；③ 系统的能控能观理论调整到状态反馈控制系统设计的单元九中；④ 增加了鲁棒控制、变结构控制[13-14]等现代控制算法，放置在单元十中。

建议课时为108个学时，计8个学分，分两学期授课。其中，必修单元为单元一至九，建议课时为80学时，计6个学分，选修单元为单元十至十二，建议课时为28学时，计2个学分。

表1 现代控制系统课程的教学单元项目表

3 主动式项目教学方法的实施过程

教学过程，本质上是一个典型的反馈控制系统。在这个控制系统中，接受教育的学生相当于受控体或受控对象，教师相当于控制器或调节器，学生的测验为量测器或传感器，输入对象为需要学习的知识，输出对象为掌握的知识。师生之间是一个教学相长的过程，就是所需的知识，经过教师的启发指导与调节作用于学生，变成输出的知识，再利用测验手段等量测与反馈学生掌握的知识，达到期望的目标，整个动态过程是所需知识与掌握知识的误差越来越小的过程。其教学反馈控制系统如图2所示。

图2 教学反馈控制系统图

主动式项目教学方法的实施过程主要体现在教学反馈控制系统中的教学环节上，与传统教学方式有很大的不同，主要由以下五个步骤构成：

(1) 项目选题。项目的范围要紧紧围绕现代控制系统的理论知识。项目的难度一定要适中，既能激发学生自主探索的兴趣，又不能影响学生的自信心。项目应该具有工程技术实用性。实用性既包括生活中的实用技术，如打印机皮带驱动系统、汽车速度控制系统等，也包括生产线自动化技术，如铣床切割控制系统、超精密钻石切削机等，还包括前沿科技产品，如机遇号火星漫游车，卫星轨道的姿态控制等。教学系统给出的项目单元，除单元一和单元十二外，每个单元均为3个项目。

(2) 项目准备。学生确定项目与分组，每个项目组成员有5或6人，完成每个单元中的某个项目。每个项目组，推选一位组长或负责人和一位秘书，组长或负责人负责项目的各项工作，安排和调配项目组成员，制定项目实施计划进度等。秘书统筹组织撰写和整理除答辩报告外的所有项目文档。

(3) 项目讨论。项目组结合现代控制系统的理论知识，利用网络查询，召开学习会议，讨论项目中的研究方法和技术路线、存在的问题和疑点等，整理成项目报告，寻求教师的指导。

(4) 项目设计。项目组掌握每个单元的理论知识后，再根据每个项目的实验数据及实用特点，设计实验装置或实验产品，基于Matlab等仿真软件进行科学运算数据、绘制系统仿真曲线、设计控制器或调节器[15]等，并注意程序的整体运行是否成功，和完成项目的帮助文件。期间，遇到问题时，可以寻求教师或专家的帮助。

(5) 项目答辩。在完成项目设计后，项目组中的每个成员都要整理和撰写项目课程报告，适当侧重自己在项目中所完成的任务和经验心得。教师指导和帮助修改项目答辩报告。进行项目答辩，做好学生项目成绩的评定和项目归档工作。

4 教学评价、效果分析与注意问题

4.1 主动式项目教学方法的教学评价

项目教学方法的评价以项目为核心，尊重教学过程中的学生主体地位，已有一些尝试。文献[16]给出了自动控制原理课程的“优化控制”实验系统的项目教学方法。文献[17]介绍了德克萨斯大学的现代控制系统课程的项目设计教学方法和项目答辩流程。文献[18]采取了基于实物命题的递进任务教学方法，引入工程背景的产品设计作为项目选题，采取递进式学习评价原则。主动式项目教学方法的评价应该由完成项目的情况来衡量，包括自我评价、项目组评价和教师评价。自我评价是由学生本人进行自我分析，是否掌握项目的理论基础、设计仿真等。项目组评价是根据各项目组员对本组贡献的情况进行互评组员的解决问题意识、创新意识和团队协作意识等。教师评价是教师对项目组完成项目情况进行评定，能否共同协作实现产品的预定功能及技术的优化, 是否掌握相应的基础理论知识，是否能够真正的解决实际问题，是否具有创新发现或新颖设计。现代控制系统课程的项目教学自评表、组评表和师评表如表2所示。

表2 现代控制系统课程的项目教学自评(组评、师评)表

4.2 主动式项目教学方法的效果分析

近3年，通过单元项目对现代控制系统课程的主动式项目教学方法进行探索与实践，我校自动化教学取得了显著的效果，主要表现在以下方面：

(1) 有效地整合了自动控制原理和现代控制理论的课程资源，缩短了教师的授课周期。利用现有教学资源、人才师资和学校有限的资金投入，完善了自动化课程体系的建设，打破了多门课程孤立的教学体系，提高了教师的时间利用率，为教师进行相关科研或课题工作提供了大量额外的时间，实现了教师时间的高效利用。

(2) 提高了学生的学习兴趣与技能水平。通过采用主动式项目教学，引导项目设计的授课方式，提高了学生的学习兴趣。加强了学生的实践能力与创新能力。同时，学生在设计项目的程中，提升了团队协作能力和人际交流能力。

(3) 取得了丰硕的教学和科研成果，实现了更为丰富的服务社会职能。课程教学中的项目设计不仅服务于师生的教与学，同时为教师、科研人员和研究生的学术研究提供实践支持。近3年，参与课程改革的自动化等专业学生，在大学生电子设计竞赛，荣获国家二等奖3项、省一等奖5项、省二等奖6项。山东科技创新大赛2等奖3项，百余人次获得全国信息化工程师等技能证书。

4.3 实施主动式项目教学方法的注意问题

主动式项目教学方法应当注意以下问题：

(1) 优化项目选题，创造高效教学效果。在主动式项目教学过程中，项目选题至为关键。选题不但要与所在教学单元的理论知识保持一致，而且要与生活、生产和前沿科技紧密联系。同时，鼓励学生进行产品展示，将成果分享给全体学生，由教师和学生共同评价，增强学生的成就感。

(2) 建立良好的师生关系，倡导团队合作精神。传统的教学模式中，相对于学生而言，教师往往具有知识的优势，居高临下、盛气凌人。但主动式项目教学方法是以学生为主体的教学模式，教师应当充分尊重学生，解决学生遇到的疑点和难题，用扎实的专业知识、 过人的专业技能和浓厚的人格魅力影响和感染学生。项目的实施要以项目组为基本单位，通过团队协作，提高学生的人际沟通能力，倡导学术交流和科研合作的精神。

(3) 注重培养学生的自主性和创新能力。在主动式项目教学过程中，虽然是以项目组为单位进行项目设计，但每名成员还要独立完成自己的项目计划。在此过程中，学生有很多疑点和问题，教师不是单纯地给出答案，而是做好问题的引导，以授人以渔的方式指导学生独立完成。教师仅需提供项目所必需的信息和材料，为学生自主发挥聪明才智，留出充足余地，充分锻炼学生的创新力。

5 结 语

针对自动控制原理课程和现代控制理论课程教学中存在的问题，本文基于主动式项目教学方法进行了课程内容的优化和教学模式的改革。主动式项目教学方法遵循学生的认知习惯，注重学生的实践能力。该教学方法有较好的操作性，在理论学习和动手实践两方面均有良好的教学反馈效果。

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Active Project Teaching Method in Course of Modern Control System

LIUYun-long1,TANGShu-hong1,KAOYong-gui2,JITao1,GAOZai-rui1,WUXiao-jin1

(1. College of Information and Control Engineering, Weifang University, Weifang 261061, China;2. Department of Mathematics, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China)

Aiming at the existing problem about engineering design theorization and knowledge hierarchy fragmentation in curriculum teaching of automatic control principle and modern control theory, the two courses will be integrated into a new course named modern control system. The active project teaching method (APTM) for modern control system is proposed in this paper. The origin of APTM is introduced, the scientific evidence of APTM is analyzed, and the basic characteristics of APTM are given. In the teaching content, the whole course is divided into twelve teaching units. The content of state space equation, system stability and robust control system is adjusted, and thirty-three course projects are set up. The implementation process of APTM is subdivided into five steps: topics selection, preparation, discussion, project design and project defense. Finally, self evaluation, project team evaluation and teacher evaluation of APTM are proposed and some problems that should be paid more attention are given. APTM follows student cognitive habits, and pays attention to practical ability of students. The teaching mode has a better practicability, and the teaching effect of APTM is good.

modern control system; project teaching method; active mode; Matlab simulation

2015-01-19

山东省自然科学基金项目(ZR2012FL06, ZR2015PE025)；山东省高校科技计划项目(J14LN52)；潍坊市科学技术发展计划项目(2014GX022)

刘云龙(1982-)，男，山东莒县人，博士，讲师，主要研究方向为滑模控制，离散控制，广义系统理论。

Tel.: 13562650201；E-mail: fhylren@163.com

TP 13; G 642.0

A

1006-7167(2016)01-0161-05