項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)在“自動控制原理”課程中的應(yīng)用

項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)在“自動控制原理〞課程中的應(yīng)用“自動控制原理〞是自動化學(xué)科主要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程內(nèi)容構(gòu)造嚴(yán)密，概念抽象，計(jì)算冗雜，與工程實(shí)際聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密，是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課的主要基礎(chǔ)。長期以來，該課程采取“課堂講授+驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)〞的教學(xué)方法，學(xué)生感到難學(xué)，而且學(xué)習(xí)后不知道怎樣應(yīng)用控制理論解決實(shí)際問題。因而，探尋求索項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)在該課程教學(xué)方法中的應(yīng)用，對提升學(xué)生應(yīng)用控制理論知識解決實(shí)際問題的能力和工程理論能力具有現(xiàn)實(shí)意義。一、項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法項(xiàng)目教學(xué)是圍繞項(xiàng)目而開展的教學(xué)活動，將學(xué)生解決問題的能力和社會責(zé)任感的培養(yǎng)融入項(xiàng)目經(jīng)過中，讓學(xué)生積極地學(xué)習(xí)，自立地進(jìn)行知識的建構(gòu)。將所有需要學(xué)習(xí)和把握的專業(yè)知識都圍繞項(xiàng)目這個核心展開，并與這個核心融合在一起，構(gòu)成一個有機(jī)整體。項(xiàng)目經(jīng)過分為學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)、老師引導(dǎo)、小組協(xié)作和公開答辯四個部分。組建團(tuán)隊(duì)根據(jù)企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目的形式，根據(jù)項(xiàng)目的內(nèi)容和成員的特長進(jìn)行分工，明確每個成員的職責(zé)和任務(wù)，通過項(xiàng)目小組團(tuán)隊(duì)的學(xué)習(xí)，在團(tuán)隊(duì)合作的環(huán)境下，使學(xué)生的自學(xué)能力、個人能力、人際交往能力、知識運(yùn)用能力及開發(fā)能力得到全面鍛煉和提升。老師引導(dǎo)的作用重要是組織和催促，學(xué)生碰到困難時給與指點(diǎn)，給學(xué)生提出問題，驅(qū)動學(xué)生去探究，發(fā)揮學(xué)生的主體作用。團(tuán)隊(duì)成員完成各自的任務(wù)，還要小組協(xié)作，互相協(xié)調(diào)溝通和質(zhì)疑討論，看到問題的解決途徑，共同完成項(xiàng)目。最后根據(jù)項(xiàng)目完成的情況，編制文檔，公開答辯，講解項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過，展現(xiàn)設(shè)計(jì)方案和創(chuàng)新之處，承受大家的質(zhì)疑，總結(jié)和提升。二、“自動控制原理〞的教學(xué)目的“自動控制原理〞課程要求培養(yǎng)學(xué)生建立起專業(yè)知識與理論的框架，使學(xué)生具備建立控制工程項(xiàng)目的模型分析、建模的能力，具備綜合分析和設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的基本能力，具備使用計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的能力，構(gòu)建項(xiàng)目驅(qū)動的能力，進(jìn)行實(shí)物工程設(shè)計(jì)理論的能力和創(chuàng)新能力，并為運(yùn)動控制、經(jīng)過控制的能力培養(yǎng)提供理論支撐?！白詣涌刂圃悫曊n程不僅理論性強(qiáng)而且理論性也很強(qiáng)，將項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法引入到“自動控制原理〞課程，將過去以教授知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念改變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的互動式教學(xué)，有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。三、“自動控制原理〞項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)理論1.項(xiàng)目的選擇項(xiàng)目的好壞直接影響到教學(xué)的效果，要圍繞控制理論的教學(xué)目的，提升學(xué)生對詳細(xì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的能力、分析系統(tǒng)的能力和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力，同時提升文檔編寫能力和組織協(xié)調(diào)能力來選擇適宜的項(xiàng)目。讓學(xué)生從解決實(shí)際工程問題出發(fā)來進(jìn)行專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對實(shí)際工程問題的興趣，把握該門課程的知識和研究手段、方法，引導(dǎo)他們探尋求索并把握解決問題的途徑和方法，培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目的組織和管理能力以及溝通能力和團(tuán)隊(duì)意識。項(xiàng)目的大小和難度要適中。筆者在教學(xué)理論中選擇電爐溫度控制系統(tǒng)為項(xiàng)目，由于溫度是一個非常主要的經(jīng)過變量，溫度控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對控制調(diào)節(jié)器要求較高。因而該項(xiàng)目具有廣泛的應(yīng)用前景，而且具體表現(xiàn)出了自動控制理論的教學(xué)目的，學(xué)生自己能動手實(shí)現(xiàn)，提升了學(xué)生的工程理論能力和綜合素質(zhì)。2.項(xiàng)目要求這部分由教師提出。教師綜合學(xué)生所學(xué)理論和理論知識，以及學(xué)生的理解能力來提出項(xiàng)目要求。設(shè)計(jì)一個爐溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為電爐，里面有加熱功能。水溫能夠在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整，以堅(jiān)持設(shè)定的溫度基本不變。系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳細(xì)要求：溫度設(shè)定范圍為20℃～70℃；環(huán)境溫度降低時溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.5℃；采取適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?dāng)設(shè)定溫度突變〔由40℃提升到60℃〕時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量；用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度；在設(shè)定溫度發(fā)生突變時，溫度能到達(dá)指定溫度并維持指定溫度。3.系統(tǒng)分析由于學(xué)生剛接觸爐溫控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的分析方法和總體設(shè)計(jì)步驟不是很清楚，這個部分由教師引導(dǎo)學(xué)生對系統(tǒng)進(jìn)行分析，中間包含對系統(tǒng)要求的分析、數(shù)學(xué)模型的建立、控制方案確實(shí)定、軟件仿真、硬件軟件功能的劃分。4.組建團(tuán)隊(duì)，采集資料和學(xué)習(xí)，做出老師將一個班級劃分為多個項(xiàng)目小組，實(shí)行組長負(fù)責(zé)制。項(xiàng)目小組的同學(xué)討論項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)教師的分析，結(jié)合自己的理解來畫出系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總體框圖。在這個經(jīng)過中學(xué)生能夠通過查找文獻(xiàn)、上網(wǎng)搜索等不同的方式來搜集資料，教師進(jìn)行講解，向同學(xué)提出各種各樣的問題來了解學(xué)生對知識的把握水平，使學(xué)生充足理解系統(tǒng)的性能、控制方案等要求，然后小構(gòu)成員一起討論，選擇各個小組以為適宜的硬件構(gòu)造系統(tǒng)，并根據(jù)選擇的構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計(jì)該溫度控制系統(tǒng)。5.系統(tǒng)控制方案確實(shí)定電爐溫度控制系統(tǒng)控制的效果重要取決于控制器的設(shè)計(jì)。控制方案中控制器的選擇有三種，分別是比例控制器、比例-積分控制器和比例-積分-微分控制器。要求學(xué)生學(xué)習(xí)這三種控制器的特點(diǎn)、作用和設(shè)計(jì)方法，根據(jù)項(xiàng)目的需求選擇適宜的控制器?？刂破髦械膮?shù)確定是一個主要的問題，參數(shù)確定的方法許多，學(xué)生搜集資料學(xué)習(xí)討論確定。6.系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)在確定系統(tǒng)硬件構(gòu)造后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。每個項(xiàng)目小組根據(jù)項(xiàng)目的內(nèi)容和成員的特長進(jìn)行分工，明確每個成員的職責(zé)和任務(wù)。硬件電路的設(shè)計(jì)重要有主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)、測溫電路設(shè)計(jì)、電爐控制電路設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)幾個部分的特點(diǎn)以及要求，結(jié)合學(xué)生對系統(tǒng)的理解水平，proteus環(huán)境下畫出相應(yīng)的電路圖，最后把各部分的硬件電路整合。軟件部分重要完成溫度檢測、溫度控制、定時、溫度顯示等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)能夠由不同的學(xué)生獨(dú)立編程完成。碰到問題時，教師能夠講解或者學(xué)生自己查資料來解決。各環(huán)節(jié)程序完成后，再設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序和中止程序，這部分內(nèi)容由大家集體完成。7.系統(tǒng)硬件調(diào)試本系統(tǒng)的硬件調(diào)試分為下面階段進(jìn)行調(diào)試：邏輯毛病調(diào)試、器件調(diào)試、可靠性調(diào)試、電源故障。這部分內(nèi)容由大家集體完成，發(fā)現(xiàn)問題小構(gòu)成員協(xié)調(diào)溝通共同解決。8.系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試即軟件結(jié)合硬件的整體調(diào)試，在調(diào)試經(jīng)過中，不僅要檢查硬件的問題，還要檢查軟件問題。在檢查硬件沒有問題后，然后結(jié)合硬件修改軟件程序，逐步檢盤問題，直到調(diào)試出結(jié)果。這個經(jīng)過需要小構(gòu)成員的協(xié)何為至教師的指點(diǎn)，共同完成。9.系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及軟件仿真系統(tǒng)調(diào)試成功后，對電爐系統(tǒng)施加不同的控制信號，得到電爐溫度的輸出信號，進(jìn)而對電爐進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)得到的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到控制器的參數(shù)。數(shù)學(xué)模型的建立方法能夠由教師講解。10.電爐溫度控制系統(tǒng)的在線控制在程序中給定電爐的期望溫度，將仿真結(jié)果說到的控制器參數(shù)寫入程序中，在線對系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過觀察數(shù)碼管顯示的爐溫結(jié)果，確定控制的效果能否到達(dá)要求。假如沒有到達(dá)，或者性能指標(biāo)欠好，要學(xué)生分析原因，而且找出解決方法。11.總結(jié)答辯系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，各小組要討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過中出現(xiàn)的各種問題，并討論通過此次的項(xiàng)目把握比較好的知識點(diǎn)有哪些，還有哪些方面沒有把握好，師生共同總結(jié)知識點(diǎn)和技能點(diǎn)。最后學(xué)生提交報告和，進(jìn)行結(jié)果展現(xiàn)，進(jìn)行公開答辯，承受大家的質(zhì)疑和老師的評價。最后，在總結(jié)的基礎(chǔ)上，對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行改良與完善。四、結(jié)束語項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)應(yīng)用在“自動控制原理〞課程中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確了學(xué)習(xí)目的，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)動力的構(gòu)成和學(xué)習(xí)方法的養(yǎng)成。學(xué)生主體作用明顯，得到了充足的工作體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識到技能的遷移，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)、理論與理論的嚴(yán)密結(jié)合，使學(xué)生把握自動控制的專業(yè)知識，具備建立控制工程項(xiàng)目的能力，培養(yǎng)學(xué)生的個人能力與團(tuán)體協(xié)作能力，尤其是項(xiàng)目組織、設(shè)計(jì)、開發(fā)和施行能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、工程理論能力和理論聯(lián)絡(luò)實(shí)際的學(xué)風(fēng)，學(xué)生的綜合能力得到了提升。以下為參考文獻(xiàn)：[1]張慧平，戴波，劉娜，等.基于CDIO教育理念的自動化課程的改革與理論[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，〔S2〕：138-141.[2]李澤輝.“項(xiàng)目驅(qū)動式〞教學(xué)法的探尋求索與理論[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，〔2〕：133-134.[3]熊凡，李偉波.項(xiàng)目驅(qū)動的軟件工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)討論[J].中國電力教育，2012，〔2