基于PBL的“创新创业竞赛实战”课程教学应用案例研究

付兴建 侯 明

（北京信息科技大学自动化学院，北京 100192）

0 引言

项目工程学习教学（Project-Based Learning，PBL）通常指师生双方共同进行一个或多个“项目工程”案例而采取的教学进程。它最初思想产生于西方教育领域，该思想最早出现于18世纪欧洲的工科教育，经过多年发展到20世纪中后期逐渐成熟，并发展成为一类具有重要意义的教育思想潮流[1-2]。

按照北京信息科技大学自动化学院自动化专业应用型人才培养的总体要求，自动化学院越来越重视实践性教学环节，在修订培养计划时，对各类实践性环节，比如实习、社会实践活动、课程设计和综合实践环节等都增加了学时数。当然特别注重学生获取新知识的能力培养，希望在培养过程中学生能灵活运用知识分析和解决实际问题，锻炼创新能力。

“创新创业竞赛实战”课程，是2016年自动化专业修订本科生培养方案时，新增加的一门独立实践课。这是一门高级专业技术综合运用的实践课程，以综合的、类型丰富的实战项目为内容，对涉及专业领域的各种信息技术进行综合应用训练。该门课程授课内容宽泛，形式多样，比如有专业的创新项目案例、创业项目和国家、省市级学科竞赛等。

1 基于PBL的教学应用实例探索

在“创新创业竞赛实战”教学活动进程中，引入基于PBL的案例式教学，在教学中加入学院教师的科研成果作为案例项目，来培养学生创新、操作等实践能力[3-5]。下面，给出一个笔者在“创新创业竞赛实战”教学过程中指导的教学项目实例。

在高阶柔性直线系统的鲁棒控制项目案例教学过程中，引入团队最新成果柔性直线系统的鲁棒控制。

本实例项目内容是通过熟悉柔性系统结构原理，根据采用质量模块数多少，对系统建模。之后再用PID控制、LQG优化控制、鲁棒控制，实现直线式柔性系统的稳定性控制。

教学进程中，每组的导师先讲解项目实践目的、原理等。然后该实践项目由2人组成，进行实验，为期2周（但实际上常常完不成项目，许多项目需要4～6周）。

分组后，每组学生要先熟悉案例实践用的设备，如图1所示。该设备主要包括直线弹簧滑动模块、滑动模块后面的传感器、可以减少或添加的滑动块、阻尼系数能调节的阻尼器和直流无刷伺服电机，系统的模型可以根据需要进行重构。当在直线柔性系统输入端加入干扰时，就像是存在外部的不确定性。当改变滑动块个数时，就像是内部参数变化了。而鲁棒控制思想正是本着解决系统中存在的不确定性，以提高系统的抗扰动。因此，本案例目的就是让每组学生自己设计鲁棒控制器，进行实验研究，并和其他的控制方式进行对比。

图1 柔性直线结构系统项目教学平台

熟悉基本原理基础上，学生就可以对系统进行自主调试。在此进度过程中，希望学生能解决出现的一些难题，教师也要及时指导。在案例控制方法设计实施中，教师应该鼓励大家发挥自己的创造力。学生通过算法学习、编制程序、系统设备调试后，得到的PID、LQR及鲁棒H∞控制实验波形如图2所示。

图2 PID、LQR及鲁棒H∞控制波形图

对实践中得到的曲线进行比较，会发现当滑动块变化时，PID控制方法的振荡幅值比较明显，而采用鲁棒控制时，虽然也会有一定程度振荡，但柔性系统整体上能较好跟随信号，具有较好的稳定性。

在项目过程中，需要学生自己设计控制方案，需要的理论知识、编程工具设计程序等，都在完成这个项目过程中来获得知识和技能。在整个案例教学进程中，学生们都深度参与问题的解决，也锻炼了团队协作、沟通和管理能力。

运用这种PBL方式，学生们的主动性大大提高，学术视野也提升了。教学内容也体现了控制科学研究的前沿性，培养了大学生的创新和实践能力。

2 考核评价

案例考核评价主要是看学生对于先进控制方法的理解。在分析问题及解决问题的能力方面，是否有所收获，使实践案例教学这种方式真正落实到学生能力培养和素质的提高上。项目学习PBL教学模式下，“创新创业竞赛实战”实践课程的考核评价，主要由课堂理论学习的出勤、提问等，以及在具体项目设计、调试过程中表现出来的项目设计方案、理论与实践相结合分析和解决问题的能力、项目完成效果、项目报告、答辩等情况。通过这种综合评定评价，达到比较全面的评价学生的学习主动性和对知识的掌握情况。

在PBL项目驱动的教学方法中，小组的2名学生，应该合作完成实验项目设计，理论算法的推导，编程调试等。并在撰写项目报告时，明确同学分工。最后由项目指导教师等组成答辩小组，系统科学地评价学生综合能力素质，解决实际问题的能力。

3 结语

“创新创业竞赛实战”借鉴项目学习的教学模式，按照“应用型”自动化人才培养的目标要求，通过整合课程学习与实战训练的有效机制，建立起较好的引导学生分析和解决问题的模式，既能够使得学生全身心投入工程项目问题中，又可以增强学生自主研究的能力和团队合作沟通的能力，以解决工程实际问题。实现对学生理论知识型教育向实践能力型教育转变。