基于项目驱动的学员工程实践能力培养

   　摘 要：针对自动控制原理课程教学现状，分析传统教学模式存在的问题，提出一种基于项目驱动的教学模式，探讨项目驱动教学模式应用到自动控制原理教学的具体措施，并指出改进的方向。

　　关键词：项目驱动;教学模式;自动控制原理;实践能力培养

　　随着自动化技术日益深入到各个领域，自动控制原理课程受到越来越多的重视，几乎所有的电类和非电类的工程技术学科都会开设该门课程。电类专业的学员一般在大三第二学期开设，包括60学时理论课和20学时实验课;非电类工程技术的学员在大三第一学期开设，为40学时理论课。自动控制原理课程的主要任务是通过对控制理论知识的学习，培养学员对控制系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力[1]。

　　1 自动控制原理教学现状分析

　　自动控制原理课程是一门理论性和工程实践性均较强的专业基础课，其特点是内容丰富、理论性强、涉及知识面广、比较抽象，并且对学员的动手能力、工程实践能力提出较高的要求，具有一定深度和学习难度。“课堂讲授+验证性实验”的传统教学方法很难提高学员的工程实践能力，同时也限制了学员对自动控制技术的理解深度。

　　笔者在自动控制原理课程的教学实践中体会到“课堂讲授+验证性实验”的传统教学方法主要存在的问题体现在以下3个方面。

　　1)学员学习兴趣较低。自动控制原理理论性强，抽象难懂，而且很多知识是以工程实践应用为背景的，如飞行器姿态控制和直流电机调速控制等。学员在缺少相关应用背景和工程意义的前提下，直接面对抽象的公式，学习过程具有很大的难度。另外，大部分教材中重点阐述自动控制的理论知识，而对具体的应用实例介绍较少或是实例不够形象，学员被局限于大量没有具体应用背景的抽象的数学公式中，难以激发学员的学习兴趣。

　　2)理论实践脱节严重。自动控制原理是指导工程实践的理论知识，传统教材中大多缺少相关的应用实例，学员主要依靠自动控制原理相关实验培养工程实践能力。而传统教学模式中的实验主要是验证性实验，目的是对课堂上讲授的部分知识点进行验证，缺乏系统的应用自动控制理论的学习环境。学员在验证性实验中很难学习到将理论知识应用于实践的工程思想，也无法进一步深化对知识点的理解，将所学理论知识真正转化为自己的知识，验证性实验的教学效果很有限。笔者在教学实践中发现，即使是平时学习比较优秀的学员，在实验中遇到一些简单的问题，也不能灵活运用课堂所学的理论知识进行解释。

　　3)学员不能主动运用理论知识解决实践问题。绝大部分学员通过自动控制原理课程的学习，都能建立起一定的控制思想，但是对知识的理解还远远不够深入，也缺乏将理论应用于实践的锻炼。因此，绝大部分学员在工程实践中遇到问题以后，偏向于从自己感性的想法入手，不能有意识地运用课堂所学的理论知识去解决实践问题。

　　基于对以上问题的思考，笔者认为，自动控制原理课程属于一门理论性和实践性都很强的课程，而在传统的教学模式中，过于注重学员在理论层面对知识的理解，而忽视了对学员工程实践能力的培养。这就造成了学员在面对一堆抽象的公式时，没有太大的兴趣，迫于考试压力，将知识“死记硬背”，对知识的理解和体会都不够深入。由于没有培养学员运用知识能力的教学实践，缺乏实践环节的锻炼，所以学员在真正面对一个工程实践问题时，很难有意识地、主动地将理论知识应用到实践中，结果就造成了学员工程实践能力较差的现象。

　　因此，解决以上问题的关键就在于：加强对学员工程实践能力的培养，要给学员建立一个能运用理论知识的工程环境，并在面对一个实际工程问题时，有意识地引导学员利用课堂传授的知识解决这个问题。

　　2 基于项目驱动的自动控制原理教学

　　2.1 项目驱动教学的特点

　　项目驱动(又称任务驱动、目标驱动或问题驱动)教学法，是一种以建构主义教学理论为基础的教学新方法，是一种以项目为主体的行为引导式的教学形式[2]。这种教学方法以项目为载体、教员为主导、学员为主体，依据对课程目标和学生特点的分析，把某一门课程的核心概念和原理，依托一个或多个项目的形式来体现，通过解决问题构建自己知识体系，完成课程的学习。项目驱动教学法，有利于培养学员独立思考、发现问题、解决问题的自主学习能力，强调对学员综合能力的全面培养，以“项目”作为诱因来激发、强化和维持学生的成就动机[3]。

　　2.2 基于项目驱动的自动控制原理教学实践

　　通过系统地引入几个“项目”，贯穿于自动控制原理教学全过程，涵盖课程中“建模”“分析”和“综合设计”等3个主要知识模块。

　　1)以工程的思想设计课堂授课。在每个知识点介绍前，首先引入一个实例项目，提出具体的问题，并让学员积极思考问题的解决方法;然后结合项目讲授相关知识点，介绍完知识点后，利用所学知识解决之前所提出的问题;最后再引入一个新项目并提出新问题，让学员利用所学知识，参考课上示例项目中解决问题的思路，独立完成新项目的工程设计。

　　在整门课程结束时最终完成对一个项目完整的工程设计，这种教学方式将课程中分离的知识点以一个具体项目为载体，完整而紧密地联系在了一起，将学员认为枯燥乏味的理论知识转变为生动的、具体的技术实现，而学员在实践中所学的理论知识理解深度要远大于单纯的课堂灌输。

　　2)针对学员不同的专业背景选择不同的项目。自动控制原理课程本身的特点决定了不同专业的学员所学的基本原理是相同的，但是，不同专业的学员所面对的具体问题以及所感兴趣的方向却是大相径庭。因此，教员的任务是根据学生已有的背景知识和兴趣来选取一系列适合不同专业背景的项目。

　　对于大班授课的方式，课堂讲授的参考项目可以选择具有经典意义的常见项目，而学员自己独立完成的新项目可以从所列举的多个不同专业背景的项目中选择和自己专业相关的比较熟悉、感兴趣的项目，使学员置身于探索知识的情境之中，即在真实世界中应用知识去解决问题，从根本上将传统课堂中教员“满堂灌”真正转变为“学员为主体，教员为主导”的教学模式。

　　3)利用MATLAB/Simulink工具完成仿真设计。MATLAB语言和Simulink仿真环境在控制领域的教学与研究中应用非常广泛，是系统仿真、控制系统设计的首选软件工具[4]。利用MATLAB/Simulink工具能使学员摆脱繁琐的数学推导和计算，直观了解控制系统的基本原理及特性，加深对抽象理论的理解，提高整个设计过程的趣味性。在自动控制原理项目驱动方式教学实践中，受条件限制，很难为每个项目都提供具体的实物，因此，在自动控制相关实验中需要利用MATLAB/Simulink工具在仿真环境中按照“建模”“分析”和“综合”的设计过程，独立完成一个实际项目控制器的仿真设计。事实上，即使是实际的工程设计，往往也会借助计算机进行辅助设计。

　　另外，为了提高学员的协作能力，根据项目的难易程度，将整个班次的学员分成若干小组，每个小组人数控制在3～5人，每个小组最后提交一份设计报告。

　　4)项目成果评价。项目成果评价是对学员的学习情况与项目完成情况做出反馈和评价，是总结、提高的重要阶段。评价结果也可以对学员起到激励、反馈的作用，使学生在一种良好的心理状态下发现自身不足、不断学习进步。评价的内容包括学员的项目完成情况、自主学习的能力、各知识点的掌握情况、项目的设计思路、理论知识应用到实践问题的能力等。评价者包括教员评价、小组成员自评和其他小组的评价等。

　　5)教学效果分析。经过教学实践证明，基于项目驱动法的自动控制原理教学效果明显好于传统教学，具体体现在：

　　①实验课上学员的动手能力明显提高，遇到问题以后，运用理论知识分析、解决实际问题的意识明显增强，解决工程实践问题能力大幅提高;

　　②通过项目的锻炼，学员在毕业设计中更加得心应手;

　　③学员的学习兴趣比以前更浓厚，经常向教员提出一些创造性的想法。

　　综上所述，项目驱动教学模式，以“项目”作为整个教学过程的主线，随着一个实际工程项目的设计流程逐步构建自动控制原理理论体系，将传统教学中侧重理论的教学模式转变为理论和实践并重、知行合一的教学模式。

　　3 存在的问题和改进方法

　　项目驱动教学模式突破了传统教学模式的限制，充分调动了学员的学习积极性，提高了学员分析问题和解决问题的实践工程能力。

　　根据学员的学习状况和问卷调查，在项目驱动式教学实践中，学员在学习中主要存在以下几个问题：

　　1)对MATLAB软件不熟悉，利用软件仿真、设计存在障碍;

　　2)对系统建模的问题之前接触较少，面对实际问题时不知如何入手;

　　3)课上所学理论知识不能灵活应用，虽然有意识地将理论应用到实践中，但是缺乏技巧;

　　4)项目中涉及的部分问题以前没有学习过。

　　针对学员在学习中的问题，在教学实践中一方面可以在授课中适当增加MATLAB软件和系统建模的知识，并提供一些课外的相关学习资料;另一方面，在项目驱动的教学实践中注意引导的方式，要增强学员的自学能力。

　　另外，受条件限制，目前所进行的项目设计主要局限于利用软件进行相关的“建模”“分析”和“综合”等内容，随着课程建设的逐步进行，可以增加部分完整的、由仿真到实物被控对象的项目，进一步提高学员的实践能力。

　　参考文献

　　[1]柳明，王海军，郭庆叶.交通运输专业《自动控制原理》课程教学改革研究[J].中国民航飞行学院学报，2012(2)：63-65.

　　[2]沙树静，刘亚梅.基于项目驱动的机电专业教学模式探索与实践[J].长春理工大学学报，2012(1)：207-208.

　　[3]李泽辉.“项目驱动式”教学法的探索与实践[J].实验科学与技术，2011(2)：105-106.

　　[4]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

　　作者：苏立军 齐晓慧