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摘 要：控制理论课程群是自动化相关专业重要的基础理论课程。文章针对当前市场经济背景下控制理论课程存在的问题，设计了基于“项目驱动”教学模式的课程改革方案，对课程体系、教学方法、考核方式等提出改革的方法和措施。经过教学改革实践，提高了教学效果和教学质量，探索了一种学生主动参与、自主协作、探索创新的新型学习模式。
关键词：项目驱动 控制理论 分层分类
中图分类号：F01，G642.0 文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2014）08-247-02
一、背景
控制理论课程群包括自动控制原理、计算机控制技术、现代控制理论、智能控制技术等专业基础理论课，重点研究自动控制系统的一般规律，包括控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术。其特点是概念多、抽象，理论分析和数学计算比重大。在讲授过程中，若不注重教学理念、方法和手段的改革，就会让学生感觉似乎在学一门“数学”课{1}。特别是在以信息化带动工业化的进程中，信息技术日新月异，作为电气信息类本科专业重要基础的控制理论类课程教育如何应对，如何讲授好“理论性强”的课程？让学生不仅仅学习、掌握好基础知识、基本理论和基本方法，更应该注重应用知识的能力与创新思维的培养，这也成为自动化及其相关专业教育研究和改革的重点。
针对于此，国内外很多高校对控制理论类课程的教学改革进行了积极的探索。{2}{3}其中，将“项目驱动”引入控制理论教学是教学改革的一种大胆尝试，“项目驱动”教学法也成为近年来控制理论课程教学研究的热点之一。{4}{5}
二、“项目驱动”在控制理论课程群中的教学改革实践
项目驱动教学法是以项目任务为教学单元、通过完成项目来开展的一种教学方式。“项目驱动”教学法将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个“教学项目”，围绕着项目组织和开展教学，使学生全程参与，体验、感悟、论证和探究。{6}黑龙江科技大学自动化专业是黑龙江省重点专业，专业教学组历来非常重视控制理论课程群的教学改革。多年来教学组以“面向工程、项目驱动，夯实理论、能力培养、全面发展”的教育理念为指导，着力对控制理论课程群的课程体系，教学模式、教学内容、考核模式和成绩认定方式等方面进行了多方位的深化改革。建立了现阶段符合本校特色的“项目驱动”模式下分层分类的控制理论课程群的课程体系，充分把学生转为学习的主动体，提高学生自主学习能力、实践操作技能和创新应用能力，使学生具备在控制领域和相关工作中的工程应用能力，促进学生个人发展，为社会用人单位培养应用性和适用性人才。
1.科学合理地选择项目。项目要和生产或生活实际密切联系，具有探索的价值。项目所涵盖的理论知识要能够反映课程教学内容。项目的难度要适中。项目太简单，学生会感到乏味，没有兴趣；项目难度太大，不仅会超出课程教学要求，还将打击学生学习知识的信心和积极性，产生消极影响。学生通过翻阅资料、调查研究、总结分析等提出自己的观点，要求这些观点具有创新性，不能抄袭别人的观点，学生完成作业的情况最后要和该学科的考试成绩挂钩。授课教师要认真控制理论课程的教学内容和教学目标，深入分析教学内容和目标，并结合学生的能力水平，精心选择合适的研究项目。例如，自动控制原理部分的教学，选择了“永磁式直流电动机PID闭环调速控制系统”项目设计。该项目要求利用电阻、电容等无源器件和运算放大器等有源器件搭接针对固定被控对象的PID控制器，并根据计算出的性能指标分析系统的控制性能。项目涉及了控制系统建模、系统分析及系统校正等方面的知识，完全可以覆盖教学内容，且难度适中，学生兴趣很大。
又如计算机控制部分的教学，选择了“毕昇杯”全国大学生电子设计创新大赛题目——“自动循迹小车控制装置设计”项目，要求用数字PID、最少拍控制等算法完成控制任务。对大滞后被控对象的控制，我们采用“某热电厂二级锅炉汽包温度控制”项目，通过设计Smith预估补偿器、达林算法控制器等验证控制算法的有效性。为降低设计的难度，可将部分项目采用Matlab仿真的方式说明设计方案。设计较好地覆盖了课程教学内容。学生感觉通过努力可以完成工作， 应用效果较好。
2.优化构建“项目驱动”模式下分层分类的课程体系。实施“项目驱动”教学必须合理调整现有的课程体系，构建从简至繁，从基础到应用的分层分类的课程体系，否则学生会感觉无从下手。“分层分类”的课程体系是将“项目驱动”按课程性质及学生类型分为三个层次，层次一：控制理论基础通识教育；层次二：面向专业的控制技术教育；层次三：拓展学习与创新能力教育。每个层次都有其基础教学内容和目标，形成一个完整、独立的控制理论课程体系。课程设置如表1所示。
3.针对不同课程层次改革课程教学模式。“项目驱动”教学法是一种探究式教学方法，根据建构主义学习理论，学生掌握知识不是通过教师传授得到的，而是学生在一定的情境下，借助老师和同学的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构方式获得的。{7}因此，必须改革以往的“填鸭式”教学模式，让学生自己去构建仿真、实践系统开发的知识框架，才能真正掌握知识，形成能力。
（1）第一层次课程。第一层级课程主要针对刚入学的新生开展教学，因此教学中可采用“课堂理论教学为主，项目仿真为辅”的教学模式，重点内容精讲精练，目的是夯实控制理论分析和设计所需的数学基础，熟练运用控制理论分析仿真和设计工具，根据项目任务要求，学生将所学数学知识利用MATLAB仿真的形式完成项目的数学建模、性能分析、项目设计等过程，最后由教师对项目效果进行验证。
（2）第二层次课程。在教学设计上，把项目实验实习贯穿于整个课程的教学过程中。采用“项目导学+理论研究+仿真、实践助学”三位一体的教学模式。所谓的项目导学，就是使学生接触一个典型的研究项目，让学生带着问题学习所需的控制理论，明确项目任务、设计方案后，循序渐进地过渡到实验仿真及实践操作过程中。例如，在现代控制理论教学中，可引入倒立摆控制案例，教学前引导学生思考“如何设计控制器使一阶倒立摆能保持平衡？”在该项目驱动下学生将学习和理解建立状态空间模型，状态空间求解、可控性、可观性、李雅普诺夫稳定性判据，极点匹配、状态观测器设计等相关知识。在理论分析的基础上，利用MATLAB控制系统仿真工具箱LTI进行项目验证。有能力的学生还可以到国家级精品课教学基地——电气工程实践基地中现场设计和调试倒立摆控制器。 （3）第三层次课程。对于已经完成第一、第二层次课程的学习、具备了一定专业理论基础的学生，应将第三层次课程的教学由课堂内拓展到课堂外，可采用基于“课堂+机房+实践基地+网络”的立体化教学资源的混合式教学模式，满足起点不同、学习方式不同、学习能力不同的各专业、各层次学生的学习需要，提高学生自主学习的能力、创新应用能力、协作学习能力与自我管理能力，可进一步保障和提高课程教学质量。
4.改革课程考核与成绩认定方式。考核方式采用单项考核与综合考核、形成性考核与终结性考核相结合的方式。学生成绩包括平时学习纪律、职业道德、学习情境考核、理论考试等方面。课程性质不同，考核方式也可以不同。
考试课：增加项目设计在总成绩中的比重，课程成绩=笔试成绩+项目设计成绩；选修课：选择性考核，对于设计能力强的学生可采用“项目设计+答辩演示”的方式，“以评代考”；对于理论基础比较扎实的学生可参考考试课成绩评定方式改革。课程免修：素质高，能力强的学科可将技能竞赛成绩、参与导师科研情况与课程成绩结合，采取自愿申请参加课程免修通过考核，以竞赛成绩、参加科研表现作为考核的依据。
三、项目驱动教学法的实施效果
几年来，控制理论课程群课题组通过在授课过程中实施“项目引导、任务驱动”教学改革，取得了较为满意的效果，控制理论教育教学质量有了明显的提高。以黑龙江科技大学自动化专业为例，课题组在自动控制原理、现代控制理论、计算机控制技术等课程中分别引入了“电阻丝温度自动控制系统设计”、“一阶倒立摆控制器设计”、“煤矿井下通风机变频控制系统设计”等十余项工程项目。在此过程中，学生自觉地参加到教学中来，从任务的理解，资料的收集，问题的分析和解决，学生都能独立思考和独立工作，而后再小组讨论拿出解决方案。学生从原来的不敢发言到现在的主动发言，学生从被动学习变为主动学习，同时提高了搜索资料能力和自学能力。既巩固了项目研究所需的控制理论知识，又激发了学生的钻研精神。在2013年“瑞萨杯”全国大学生电子设计竞赛中，我校自动化专业选送的参赛队伍共获国家奖3项，省一等奖8项、二等奖5项、三等奖6项。竞赛获奖率在获奖的17所省内院校中排名第一，总成绩全省排名第二。在全校评选的10篇电类专业优秀毕业设计论文中自动化专业优秀毕业设计4篇，占总数的25%。可见，这种教学模式不但使学生深刻理解控制理论的知识内涵，提高理论联系实际、动手操作和解决实际问题的能力，而且有利于毕业生提前进入科研或工作状态，直接独挡一面地承担科研或工作任务。毕业生深受用人单位欢迎，就业率在黑龙江省一直处于首位。
四、结论
“项目驱动”教学法创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型学习模式。通过在课程中实施“项目驱动”教学法，不但巩固了学生的控制理论专业基础，而且让学生接受工程和团队工作的实际训练，提高了应用专业理论知识解决实际问题的能力和创新能力，探索出了控制理论教学的新模式。
[基金项目：黑龙江科技大学校内科学研究基金项目，课题名称：“项目驱动”教学法在控制理论课程群教学中的改革探索（项目编号：JY13-21）]
注释：
{1}李昌春，韩力.自动控制原理课程建设的体会与思考.电气电子教学学报，2010（2）：74-78.
{2}赵可外.国外大学实践教育的理念与实践.国教育研究，2005（11）：33-38.
{3}李东旭.对斯坦福大学的课堂教学模式的思考.高等教育研究学报，2000（4）：81-82.
{4}梁晓明.项目驱动在《过程控制技术》课程中的应用.科技信息，2010（28）：215.
{5}张正强.现代控制理论课程的教学探讨.电气电子教学学报，2009（31）：31-32.
{6}傅四保.建构主义学习理论指导下的项目教学法初探.中国大学教学，2011（2）：56-58.
{7}戚克强.项目教学法在《数控编程》课程中的应用.黑龙江教育，2012（4）：42-43.
（作者简介：孟娇茹，副教授，黑龙江科技大学电气与控制工程学院，研究方向：控制理论与控制工程；于宗艳，讲师，黑龙江科技大学电气与控制工程学院，研究方向：智能控制 黑龙江哈尔滨 150027）
（责编：若佳）
关键词：项目驱动 控制理论 分层分类
中图分类号：F01，G642.0 文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2014）08-247-02
一、背景
控制理论课程群包括自动控制原理、计算机控制技术、现代控制理论、智能控制技术等专业基础理论课，重点研究自动控制系统的一般规律，包括控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术。其特点是概念多、抽象，理论分析和数学计算比重大。在讲授过程中，若不注重教学理念、方法和手段的改革，就会让学生感觉似乎在学一门“数学”课{1}。特别是在以信息化带动工业化的进程中，信息技术日新月异，作为电气信息类本科专业重要基础的控制理论类课程教育如何应对，如何讲授好“理论性强”的课程？让学生不仅仅学习、掌握好基础知识、基本理论和基本方法，更应该注重应用知识的能力与创新思维的培养，这也成为自动化及其相关专业教育研究和改革的重点。
针对于此，国内外很多高校对控制理论类课程的教学改革进行了积极的探索。{2}{3}其中，将“项目驱动”引入控制理论教学是教学改革的一种大胆尝试，“项目驱动”教学法也成为近年来控制理论课程教学研究的热点之一。{4}{5}
二、“项目驱动”在控制理论课程群中的教学改革实践
项目驱动教学法是以项目任务为教学单元、通过完成项目来开展的一种教学方式。“项目驱动”教学法将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个“教学项目”，围绕着项目组织和开展教学，使学生全程参与，体验、感悟、论证和探究。{6}黑龙江科技大学自动化专业是黑龙江省重点专业，专业教学组历来非常重视控制理论课程群的教学改革。多年来教学组以“面向工程、项目驱动，夯实理论、能力培养、全面发展”的教育理念为指导，着力对控制理论课程群的课程体系，教学模式、教学内容、考核模式和成绩认定方式等方面进行了多方位的深化改革。建立了现阶段符合本校特色的“项目驱动”模式下分层分类的控制理论课程群的课程体系，充分把学生转为学习的主动体，提高学生自主学习能力、实践操作技能和创新应用能力，使学生具备在控制领域和相关工作中的工程应用能力，促进学生个人发展，为社会用人单位培养应用性和适用性人才。
1.科学合理地选择项目。项目要和生产或生活实际密切联系，具有探索的价值。项目所涵盖的理论知识要能够反映课程教学内容。项目的难度要适中。项目太简单，学生会感到乏味，没有兴趣；项目难度太大，不仅会超出课程教学要求，还将打击学生学习知识的信心和积极性，产生消极影响。学生通过翻阅资料、调查研究、总结分析等提出自己的观点，要求这些观点具有创新性，不能抄袭别人的观点，学生完成作业的情况最后要和该学科的考试成绩挂钩。授课教师要认真控制理论课程的教学内容和教学目标，深入分析教学内容和目标，并结合学生的能力水平，精心选择合适的研究项目。例如，自动控制原理部分的教学，选择了“永磁式直流电动机PID闭环调速控制系统”项目设计。该项目要求利用电阻、电容等无源器件和运算放大器等有源器件搭接针对固定被控对象的PID控制器，并根据计算出的性能指标分析系统的控制性能。项目涉及了控制系统建模、系统分析及系统校正等方面的知识，完全可以覆盖教学内容，且难度适中，学生兴趣很大。
又如计算机控制部分的教学，选择了“毕昇杯”全国大学生电子设计创新大赛题目——“自动循迹小车控制装置设计”项目，要求用数字PID、最少拍控制等算法完成控制任务。对大滞后被控对象的控制，我们采用“某热电厂二级锅炉汽包温度控制”项目，通过设计Smith预估补偿器、达林算法控制器等验证控制算法的有效性。为降低设计的难度，可将部分项目采用Matlab仿真的方式说明设计方案。设计较好地覆盖了课程教学内容。学生感觉通过努力可以完成工作， 应用效果较好。
2.优化构建“项目驱动”模式下分层分类的课程体系。实施“项目驱动”教学必须合理调整现有的课程体系，构建从简至繁，从基础到应用的分层分类的课程体系，否则学生会感觉无从下手。“分层分类”的课程体系是将“项目驱动”按课程性质及学生类型分为三个层次，层次一：控制理论基础通识教育；层次二：面向专业的控制技术教育；层次三：拓展学习与创新能力教育。每个层次都有其基础教学内容和目标，形成一个完整、独立的控制理论课程体系。课程设置如表1所示。
3.针对不同课程层次改革课程教学模式。“项目驱动”教学法是一种探究式教学方法，根据建构主义学习理论，学生掌握知识不是通过教师传授得到的，而是学生在一定的情境下，借助老师和同学的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构方式获得的。{7}因此，必须改革以往的“填鸭式”教学模式，让学生自己去构建仿真、实践系统开发的知识框架，才能真正掌握知识，形成能力。
（1）第一层次课程。第一层级课程主要针对刚入学的新生开展教学，因此教学中可采用“课堂理论教学为主，项目仿真为辅”的教学模式，重点内容精讲精练，目的是夯实控制理论分析和设计所需的数学基础，熟练运用控制理论分析仿真和设计工具，根据项目任务要求，学生将所学数学知识利用MATLAB仿真的形式完成项目的数学建模、性能分析、项目设计等过程，最后由教师对项目效果进行验证。
（2）第二层次课程。在教学设计上，把项目实验实习贯穿于整个课程的教学过程中。采用“项目导学+理论研究+仿真、实践助学”三位一体的教学模式。所谓的项目导学，就是使学生接触一个典型的研究项目，让学生带着问题学习所需的控制理论，明确项目任务、设计方案后，循序渐进地过渡到实验仿真及实践操作过程中。例如，在现代控制理论教学中，可引入倒立摆控制案例，教学前引导学生思考“如何设计控制器使一阶倒立摆能保持平衡？”在该项目驱动下学生将学习和理解建立状态空间模型，状态空间求解、可控性、可观性、李雅普诺夫稳定性判据，极点匹配、状态观测器设计等相关知识。在理论分析的基础上，利用MATLAB控制系统仿真工具箱LTI进行项目验证。有能力的学生还可以到国家级精品课教学基地——电气工程实践基地中现场设计和调试倒立摆控制器。 （3）第三层次课程。对于已经完成第一、第二层次课程的学习、具备了一定专业理论基础的学生，应将第三层次课程的教学由课堂内拓展到课堂外，可采用基于“课堂+机房+实践基地+网络”的立体化教学资源的混合式教学模式，满足起点不同、学习方式不同、学习能力不同的各专业、各层次学生的学习需要，提高学生自主学习的能力、创新应用能力、协作学习能力与自我管理能力，可进一步保障和提高课程教学质量。
4.改革课程考核与成绩认定方式。考核方式采用单项考核与综合考核、形成性考核与终结性考核相结合的方式。学生成绩包括平时学习纪律、职业道德、学习情境考核、理论考试等方面。课程性质不同，考核方式也可以不同。
考试课：增加项目设计在总成绩中的比重，课程成绩=笔试成绩+项目设计成绩；选修课：选择性考核，对于设计能力强的学生可采用“项目设计+答辩演示”的方式，“以评代考”；对于理论基础比较扎实的学生可参考考试课成绩评定方式改革。课程免修：素质高，能力强的学科可将技能竞赛成绩、参与导师科研情况与课程成绩结合，采取自愿申请参加课程免修通过考核，以竞赛成绩、参加科研表现作为考核的依据。
三、项目驱动教学法的实施效果
几年来，控制理论课程群课题组通过在授课过程中实施“项目引导、任务驱动”教学改革，取得了较为满意的效果，控制理论教育教学质量有了明显的提高。以黑龙江科技大学自动化专业为例，课题组在自动控制原理、现代控制理论、计算机控制技术等课程中分别引入了“电阻丝温度自动控制系统设计”、“一阶倒立摆控制器设计”、“煤矿井下通风机变频控制系统设计”等十余项工程项目。在此过程中，学生自觉地参加到教学中来，从任务的理解，资料的收集，问题的分析和解决，学生都能独立思考和独立工作，而后再小组讨论拿出解决方案。学生从原来的不敢发言到现在的主动发言，学生从被动学习变为主动学习，同时提高了搜索资料能力和自学能力。既巩固了项目研究所需的控制理论知识，又激发了学生的钻研精神。在2013年“瑞萨杯”全国大学生电子设计竞赛中，我校自动化专业选送的参赛队伍共获国家奖3项，省一等奖8项、二等奖5项、三等奖6项。竞赛获奖率在获奖的17所省内院校中排名第一，总成绩全省排名第二。在全校评选的10篇电类专业优秀毕业设计论文中自动化专业优秀毕业设计4篇，占总数的25%。可见，这种教学模式不但使学生深刻理解控制理论的知识内涵，提高理论联系实际、动手操作和解决实际问题的能力，而且有利于毕业生提前进入科研或工作状态，直接独挡一面地承担科研或工作任务。毕业生深受用人单位欢迎，就业率在黑龙江省一直处于首位。
四、结论
“项目驱动”教学法创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型学习模式。通过在课程中实施“项目驱动”教学法，不但巩固了学生的控制理论专业基础，而且让学生接受工程和团队工作的实际训练，提高了应用专业理论知识解决实际问题的能力和创新能力，探索出了控制理论教学的新模式。
[基金项目：黑龙江科技大学校内科学研究基金项目，课题名称：“项目驱动”教学法在控制理论课程群教学中的改革探索（项目编号：JY13-21）]
注释：
{1}李昌春，韩力.自动控制原理课程建设的体会与思考.电气电子教学学报，2010（2）：74-78.
{2}赵可外.国外大学实践教育的理念与实践.国教育研究，2005（11）：33-38.
{3}李东旭.对斯坦福大学的课堂教学模式的思考.高等教育研究学报，2000（4）：81-82.
{4}梁晓明.项目驱动在《过程控制技术》课程中的应用.科技信息，2010（28）：215.
{5}张正强.现代控制理论课程的教学探讨.电气电子教学学报，2009（31）：31-32.
{6}傅四保.建构主义学习理论指导下的项目教学法初探.中国大学教学，2011（2）：56-58.
{7}戚克强.项目教学法在《数控编程》课程中的应用.黑龙江教育，2012（4）：42-43.
（作者简介：孟娇茹，副教授，黑龙江科技大学电气与控制工程学院，研究方向：控制理论与控制工程；于宗艳，讲师，黑龙江科技大学电气与控制工程学院，研究方向：智能控制 黑龙江哈尔滨 150027）
（责编：若佳）