项目制教学在自动控制理论课程教学中的应用

河南工业大学电气工程学院 闫晶晶 冯肖亮 董维中

自动控制理论是自动化类及相关专业的专业核心课，在培养方案中占有重要地位，是行业领域培养具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才的一个重要抓手。然而，由于自动控制理论课程本身涉及内容较为丰富，涵盖了大量数学公式的推导和证明，对于学生，尤其是数学基础较差的学生来说学习起来较为吃力。这就使学生对课程本身产生了畏学心理，甚至直接放弃学习，教师授课也会事倍功半。采取有效措施提高学生学习的主动性和积极性，是自动控制理论授课教师不得不考虑的问题。

一、自动控制理论引入项目制教学的合理性

项目制教学法是改变了传统的理论教学和实践教学分家的教学方式，主要通过教师和学生共同拟定的项目来展开教学活动。在项目制教学中，学生起主导作用，而教师起引导作用。自动控制理论课程虽然涉及内容丰富，但其各部分内容之间有着严密的逻辑关系，整个课程以控制系统为研究对象，以“系统建模—系统分析—系统设计”为主线进行讲述。鉴于该课程一致的研究对象和前后内容之间清晰的逻辑递进关系，非常适合采用项目制教学方式进行授课。教师可在开课伊始确定若干个项目（如某控制系统的分析与设计）分派给各个小组，并可将整个项目划分为若干个子项目，随着授课内容的不断推进逐步完成子项目，在课程结束时对整个项目进行验收。项目制教学的引入有利于发挥学生的主观能动性，促使其积极补充完善项目所需的知识储备。此外，项目任务分配又可提升学生的责任感，激发学生的创新思维。

二、项目制教学在自动控制理论教学中的实施过程

（一）小组划分与角色设定

将整个课程班分成若干个小组，每组4—5 人。小组划分以学生的自由组合为前提，鼓励同寝室同学为一组，方便交流讨论。鼓励数学基础好的同学带动基础差的同学。每组选出组长一名，组长需做事认真、有责任感和协调事务能力强。组长义务：项目进行前，协调分配组内成员的主要职责；项目进行中，定期开组会讨论项目进展情况及制订下一步计划；项目完成后，以各成员的贡献度给出贡献百分比以供教师计算成绩。小组成员义务：服从小组讨论后的决议；按时按量完成个人本职工作；协助小组其他成员工作。

（二）项目设定与分配

教师以实际的控制系统为研究对象设计若干个项目名称，如火星自主漫游车的导向控制系统的分析与设计、通信机房温度调节节能系统的分析与设计以及磁盘驱动器控制系统的建模、分析与设计等。各小组以抽签方式选取设定项目，并和教师进行沟通，对项目的研究内容等进行调整，最终明确该项目各阶段的进度要求和应完成的子目标、项目完成时应达到的总体目标、项目成果的呈现方式等。

（三）理论与实践学习同步进行

教师在授课过程中应明确学生当前应完成的子项目内容。如“控制系统的数学模型”内容讲完后，理论环节上，应鼓励学生积极动脑，通过对比分析、模型优化和化简等建立适合本课程小组的项目系统的数学模型；实践环节上，提倡创新思维，通过反复修改搭建方案掌握系统模型搭建的方法，并通过定期的项目汇报、组间互评、教师评价等方式，促进设计方案、系统搭建等工作的不断完善，持续改进，进而提升学生的创新能力。

（四）项目的验收与评价

课程结束后，教师从各课程小组完成项目的质量（包括是否完成预定目标、项目成果报告质量、实验验证效果等）和创新程度两个方面对项目进行评价和打分，若在完成质量较高的情况下具有一定的创新，则依据创新程度提高项目成绩10—20 分，同时依据各小组之间互评成绩对教师给分进行适当的调整。各小组依据项目得分和贡献度将分值分配给小组成员，分配原则为贡献度最高的得到本项目的满分，其他依次递减。项目得分按照一定的比例计入期末总评成绩。

三、项目制教学在自动控制理论中的应用实例

按照项目制教学的实施过程，我们课题组在自动控制理论课程中进行了试验改革，下面以一个项目为例介绍项目制教学的具体实施过程。

项目名称：中央空调控制系统的分析与设计

项目总体目标：利用自动控制理论相关知识建立中央空调控制系统模型；设计控制方案并进行理论验证；对控制系统进行实验测试并优化控制方案。

为了完成项目总体目标，设定子目标如下表所示。

子目标 内容 要求 对应知识点 考核方式1系统的工作原理分析与控制方案设计分析中央空调控制系统的构成，了解各部分工作原理；分析给定量和被控量，初步确定控制方案自动控制系统的组成；闭环控制方式；自动控制系统的基本要求小 组 自述；教师进行合理性评价2 系统模型的建立建立不同类型的中央空调控制系统模型，进行适当的变型和简化；对比分析后选定便于分析与控制的模型；将选定的模型在试验台上进行搭建控制系统的数学模型（包括微分方程、传递函数、结构图及等效变换、信号流图与梅森公式）小组间进行互评和打分，教师总结3对系统进行时域性能的分析分析中央空调控制系统的稳定性；若系统稳定，则求取系统的时域性能指标，并与matlab 绘图得到的指标进行对比；求取系统的稳态误差控制系统的稳定性分析；控制系统的时域性能指标；稳态误差的计算小组间进行互评和打分，教师评价4对系统进行复域性能的分析绘制中央空调控制系统的根轨迹，并基于根轨迹分析系统性能根轨迹的基本概念；根轨迹的绘制规则和方法；利用根轨迹对控制系统的性能进行分析小组间进行互评和打分，教师评价5对系统进行频域性能的分析绘制中央空调控制系统的开环幅相曲线和Bode 图，并与matlab绘图进行对比分析；基于图形判断系统的稳定性系统的频率特性；开环幅相曲线；Bode 图；频域稳定性判据小组间进行互评和打分，教师评价6对系统进行校正和设计基于中央空调控制系统的性能分析结果，对比各种校正装置的优劣势，选取恰当的校正装置对系统进行校正和设计；并能在试验台上实现，对实验结果进行分析并优化控制方案系统校正的一般概念；串联校正；反馈校正；复合校正小组自述；教师评价

经过两个学期的试验改革，我们对项目制教学方式下的教学效果进行了分析，分析表明：借助项目制教学方式，有效地克服了学生对课程知识不感兴趣、数学公式难以推导、定理证明的畏惧感，激发了学生的学习主动性、求知欲和创新思维。同时，完成项目的成就感也增强了学生解决复杂工程问题的信心和能力。

四、项目制教学实施过程中的注意事项

（一）教师角色的转变

教师要改变自身的角色定位，从过去的知识传授者转变为学生自主学习的引导者。在知识传授课程中，在恰到好处进行讲授的基础上，引导学生课前预习、课上提问发言、互相探讨。引导学生理解项目任务，思考如何将理论和实践进行结合，把学习的注意力集中在如何完成项目上，而不是零散的知识点上。在项目完成过程中对项目方案进行适当的引导，做好答疑和纠错工作。

（二）项目小组成员间的任务分配

在项目制教学中，由于以项目小组为单位共同完成任务，这就有可能出现部分同学偷懒的现象，把所有任务的完成寄托于小组其他同学，自己则安享成果。因此，教师在项目运行过程中要做好评价和监督工作，如规定项目组成员轮流进行阶段性成果汇报，或组长介绍每个阶段性成果每位同学的贡献点，教师进行提问考核等。

（三）项目评分制度的合理性

教师对项目进行打分时不但要考虑项目完成的质量，还要考虑项目的创新性。比如我们在项目评分中发现，某些小组的项目完成报告看起来很规范合理，却与网上的某论文相似度极高。这就要求教师在打分时进行相关资料的对比分析，对相似度高的项目报告进行适当扣分，而对于原创性较高的项目报告适当提分。此外，由于项目由小组成员共同完成，故而每个小组提交一份项目总结报告，如何针对项目中各成员的贡献度给出合适的分数也是教师要考虑的问题。

总而言之，鉴于自动控制理论内容体系间较强的逻辑关系，其非常适合采用项目制教学方法进行授课，即以一个具体的项目为主线贯穿于整个课程。若在项目制教学过程中，教师能够较好地把握自身角色的转变，做好项目小组成员间的任务分配，指定合理的评分机制，项目制教学方式必然能够在自动控制理论的授课过程中取得更好的教学效果。