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摘要：技术基础课在自动化本科专业教学中起到承上启下的作用。项目式教学是从项目科研过程中发展起来的，将项目式思路引入到《现代控制理论》课的教学过程中，着重提升自动化专业学生的创新思维能力，培养满足现代社会需要的自动化专业高素质专门人才。以《现代控制理论》课为例，在课程教学中引入项目式教学方法，对激发学生的学习兴趣和引导学生的创新思维能力的培养具有良好的促进作用。
关键词：自动化专业；技术基础课；现代控制理论；项目式教学
本文引用格式：何德峰,等.自动化专业技术基础课项目式教学方法探索与实践——以《现代控制理论》课为例[J].教育现代化,2019,6(21):175-177.
Exploration and Practice of Project Teaching Method for Basic Course of Automation Specialty Technology
——Take the Course"Modern Control Theory"as an Example
HE De-feng,YU Li,XU Jian-ming,LIU An-dong
(College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang)
Abstract:The basic course of technology plays an important role in the teaching of automation majors.Project teaching is developed from the process of project scientific research,and project thinking is introduced into the teaching process of the“Modern Control Theory”course,focusing on improving the creative thinking ability of students in automation majors.Cultivate high-quality specialists in automation to meet the needs of modern society.Taking“modern control theory”as an example,the introduction of project-based teaching methods in course teaching has a good promotion effect on stimulating students‘interest in learning and guiding students’ability to cultivate innovative thinking.
Key words:Automation;Technical basics;Modern control theory;Project-based teaching
一引言
技术基础课在工科专业教学中起到承上启下的作用，学生创造性思维的形成很大程度上取决于基础课程的教学效果[1]。在本科自动化专业教学体系中，技术基础课的教学内容通常具有系统性强、理论性强和内容抽象等许多特殊性，使得在教学方法上也具有自身的规律与特点[2-3]。以《现代控制理论》课为例，该课程作为自动化本科专业的技术基础课，也是硕士研究生线性系统理论和最优控制理论等学位课程的基础。《现代控制理论》以线性代数和微分方程为主要数学工具，讲授以状态空间法为基础的控制系统的分析与设计，内容理论性强且知识点抽象[4-7]。因此，研究适合自动化专业技术基础课规律和特点的教学方法，对培养高素质的自动化专业人才和提高自动化专业的整体教学水平都至关重要。本文以笔者所在学校《现代控制理论》国家精品资源共享课程为例，就近五年来笔者在自动化本科专业技术基础课教学方法改革与实践方面取得的经验作一介绍，以期与同行们交流。
二 项目式教学方法的实践
（一）实践的总体思路
随着高等教育逐步实现由传统的应试教育向现代的知识与技能并重的综合素质教育转化，传统的教学模式正朝着学习理论知识、提高实践能力，培养创新精神和创新能力的综合素质目标发展，对应的各专业的技术基础课都在进行不同程度的教学方法改革，力求最大程度的提高课程的教学质量[8,9]。项目式教学是从项目科研过程中发展起来的，笔者将项目式思路引入到《现代控制理论》课的教学过程中，形成了按“问题提出、国内外现状、命题归纳、研究内容、技术路线、仿真研究、进一步研究”等方式组织教学，并将课堂教学、问题研讨、学生报告等相结合，改革教学内容、课程资源、教学组织形式等方面，着重提升自动化专业学生的创新思维能力，培养满足现代社会需要的自动化专业高素质专门人才。
（二）实践的具体过程
《现代控制理论》课程主要研究基于状态空间模型的控制系统分析和设计方法，包括状态控制模型、系统能控能观性、稳定性、极点配置、观测器和二次型最优控制器设计等主要内容，它是自动化类各专业重要的专业基础课程之一。学生对该课程内容的理解和掌握，将直接影响后续课程的学习，直接影响学生的设计认知、综合分析和解决工程实际问题的能力。这里以此课程为例，说明项目式教学方法实践的具体过程。
1.提出问题：即从日常生活、工程实际出发，提出课程主要理论知识点的工程背景问题，进而分析讲解“为什么要学习该理论知识点？”，从而让学生明白该理论知识点的工程意义和学有所用。例如在讲解极点配置知识点时，我们先从教室内的中央空调温度调节这一生活实例开始。根据生活经验，空调能将教室内的温度调节至规定的温度，那么只满足这个条件的空调就能正常使用吗？如果不能，那么空调还需要满足什么条件呢？如果有，那么这些条件又跟系统的什么因素有关？……通过这样一系列的启发式提问，我们引出了课程极点配置问题。
2.研究现状：当前自动化的专业基础课程的主要授课内容大都是上世纪60、70年代形成的内容，但自动化技术的发展日新月异，如果教师只局限于课本上的内容讲解，显然不能教授给学生最新理论前沿知识。因此，对于我们上步提出的问题，分析目前国内外研究现状和解决问题的方法以更新教学的内容，从而开阔学生的视野，利于培养学生的自主探索知识的能力。
3.命题归纳：对于教师所引出的一系列问题，学生会给出各种各样的答案包括错的答案。教师需要根据所要讲授的理论知识点，对这些答案包括国内外研究现状进行梳理总结，归纳出需要讲解的科学命题。例如，系统的动态性能可通过调节哪些因素改变的问题，学生可能会给出调整系统零点、极点、特征多项式、系统阶次等答案，我们在介绍国内外研究现状的基础上，对学生的这些答案进行分析、总结，归纳出这样的命题“线性系统的动态性能与闭环系统的极点位置有关，可以通过调整闭环系统的极点位置改变闭环系统的动态性能”，此即系统的极点配置问题。
4.研究内容：在命题归纳的基础上需要重点讲解命题的实质和内涵，即命题包括了哪些需要解决的问题，如何解决这些问题等。例如，对于基于极点配置状态反馈控制器设计这个命题，就需要重点讲解极点配置状态反馈控制器存在的条件，即什么样的系统是可以通过极点配置实现状态反馈控制器设计；如果系统条件存在，极点配置状态反馈控制器又如何设计（求解）呢？对于由极点配置设计出的状态反馈控制器的效果又如何呢？……通过对理论命题研究内容的细化分析，进一步提高了学生分析问题的能力，激发学生的学习兴趣和学习主动性。
5.技术路线：针对命题研究内容，需要引导学生设计问题解决的方法。自动化专业的技术基础课数学公式多、推导复杂，如果直接以一般系统来分析解答研究内容，显然会让学生产生厌学情绪。这里我们拟采用从简单到复杂、特殊到一般的处理方法，层层启发学生思考，重点把握问题的实质和解决思路。例如，在讲授传递函数模型转换为状态空间模型时，我们可分为三个阶段教学：第一阶段只讨论分子为1的三阶传递函数，进而推广到分子为1的n阶传递函数；第二阶段，针对一般的3阶传递函数，给出其状态空间模型实现；最后将前面的结果推广到一般传递函数。在这些过程中，多数运算是对三阶传递函数进行的，所以简化了运算、突出了重点，使得学生更容易接受。
6.仿真研究：对于讲解的理论知识以一种更为直观和形象的方式加以验证，分析其结果并发现新的问题。通过仿真研究教学有利于增强学生的动手能力和求解问题的自信心[10]。例如，通过对极点配置得到的控制器做仿真研究，可以直观地验证系统极点配置命题。进一步地仿真验证还表明极点配置在提高系统的动态性能的同时，有可能产生系统的稳态误差。这为下一步的教学埋下伏笔。
7.进一步研究：对于仿真验证研究中存在的问题，教师作进一步分析指导，启发学生对研究问题作深入的思考。例如，在极点配置状态反馈控制器仿真研究中表明，极点配置在提高系统的动态性能的同时，有可能产生系统的稳态误差。那么如何解决这个新产生的问题呢？这时候我们可以通过讲解跟踪控制器设计，指明极点配置问题进一步的研究方向。这样，通过对理论知识点进一步研究方向的教学和指导，利于培养学生自主探索和自主创新综合能力。
通过项目式教学方法研究，笔者将以“问题提出、国内外现状、命题归纳、研究内容、技术路线、仿真研究、进一步研究”等项目化形式组织课程的教学内容和课堂教学。同时，在课堂教学过程中，我们对提出的课程相关的科学问题进行研讨，对于没能在课堂解决的问题，鼓励学生利用网络资源，包括我们精品资源共享课提供的“学习园地”等课程资源，进行知识的自主学习、问题的自主解答，并将自主学习和解答的结果做成PPT报告向全班同学讲解、讨论，从而激励学生学习的求知性、主动性和创新性。
（三）实践取得的效果
以笔者所在学校自动化本科专业近五年的学生为实践对象，通过《现代控制理论》课程的项目式教学方法的探索与实践，我们取得了预期的教学效果和成果，如下：
1.让学生了解了《现代控制理论》课程相关理论问题的来龙去脉，回答了学生在自动化专业技术基础课程学习过程中总是在问的“为什么要学这个理论问题，学了有什么用处，怎么用于实际问题”的疑惑，从而激发了学生对本专业技术基础课程的学习兴趣和学习主动性。
2.通过项目式教学，使课程教学不仅仅是知识的传授，更重要的还是分析问题和解决问题能力的培养。通过《现代控制理论》课程的项目化教学方法改革，让学生掌握如何针对一个复杂的知识点去剖析它，抓住关键问题，进而提出解决方案和验证方案，最后还要分析存在的问题，实际上就是总结和展望。
3.结合笔者所在学校《现代控制理论》课程给出的众多实际设计案例，学生运用课程知识点开展项目式学习和研究，不仅牢固了课程的理论知识，而且增强了学生的研究实际问题的动手能力和完成设计作品的自信心，大大提高了学生的综合创新能力。
三 结语
随着科学技术的不断发展，社会对自动化专业的创新性培养目标提出了更高的要求。《现代控制理论》等技术基础课在自动化本科专业教学中具有承上启下的作用，对学生创造性思维的形成有很大的影响。我们以《现代控制理论》课为例，针对自动化专业技术基础课教学内容系统性强、理论性强和内容抽象等特殊性，探索《现代控制理论》项目式教学方法研究，通过近五年的实践表明：该教学方法不仅使学生深入理解课程的理论知识，而且增强了学生运用技术基础课程的知识研究实际问题的动手能力和完成设计作品的自信心，大大提高了学生的综合创新能力。对于自动化专业的技术基础课的教学方法需要不断地探索与改革，只有运用先进的教学手段，才能够适应社会对自动化专业高素质人才需求的变化和发展。
参考文献
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