基于项目化教学的应用型本科院校教学方法探索

孟 琳，高 阳，张嘉超，刘洋洋

（南京工程学院人工智能产业技术研究院 江苏 南京 211167）

项目化教学是通过一个完整的项目贯穿一门课程的教学，是“行为导向”教学法的一种，要求学生同时用脑、手、心进行学习，以职业活动为导向，知识的传授和应用取决于学生个体能力的培养[1]。课程以工作任务设置教学内容，以项目为载体组织内容，并以项目活动为主要学习方式。项目化教学离不开工作任务分析与项目设计两个核心环节，工作任务分析能准确把握工作岗位的要求，为课程内容选择提供依据，建立课程学习与项目工作的直接联系，从而建立学习与工作、理论与实践的一体化。项目化教学是在工作任务分析的基础上，以专业技能为主要学习目标，在围绕实际工作核心内容的基础上，分解课程主题内容，按照项目原则进行重新选择与项目化设计。设计的项目包含学生需要掌握的理论知识、实践技能和职业素养，并以逐层递进的方式深入讲解职业技能要求，以确保学生的理论学习能力和实践学习能力可以获得双重进步。因此，项目化教学是根据职业人才培养需求和产业发展需求构建的一种新型教学模式。在新工科视域下，要以培养行业需要的应用型人才为导向，提高学生的专业基础知识储备、专业设备操作能力、工程实践能力和科学创新能力[2]。1“控制技术及应用”教学现状“控制技术及应用”课程是自动化专业、测控专业、电子信息专业的一门专业必修课程，集理论性、实践性、应用性于一体，以提高学生对专业知识的掌握水平和强化自主学习能力为目的[3]。涉及的专业知识包括控制系统的数学模型、系统性能三大分析方法、控制器设计等内容，其中三大性能分析方法指的是时域分析法、频域分析法和根轨迹法，要求学生能够依据各分析方法分析系统的稳定性及动态、稳态性能，在此基础上能够进行控制系统的设计。该课程除了基础理论的分析介绍，更是对学生掌握处理复杂工程问题的方法，提高科学素质、工程精神和实践能力以及后续专业课程学习能力具有重要的奠基作用，是学生形成科学世界观的重要催化剂[4-5]。该课程虽然具有很强的应用性和实践性，但课程理论与实践应用严重脱节，主要存在以下几个方面的问题：

1.1 课程概念比较抽象，理论性与专业性较强

“控制技术及应用”作为一门专业必修课程，要求学生具有一定的数学和物理基础知识和较强的抽象思维能力，相对来说学生学习难度大。理论知识较为深奥空洞，公式推导较为复杂，教学内容环环相扣，很多概念过于抽象不易理解和掌握，使得教材内容变得枯燥乏味[6]。例如控制系统建模部分，学生看到的是大量数学推导，无法在脑中建立直接的模型概念，这不仅难以激发学生的学习兴趣，还会使学生产生畏难心理，难以达到教学目标，不利于学生能力的培养。

1.2 教学方式单一，学生学习兴趣不高

传统“控制技术及应用”教学模式主要是课堂理论讲授，教师纯理论的推导、分析和计算，让学生机械地记住书本上的公式，忽略了学生创造力的培养，学生缺乏自己的思考，这种教学模式下难以引起学生的兴趣。单一的课堂教学教授方式，导致学生的参与度和积极性不高，无法对所学知识形成系统全面的认识，因此难以激发学生主动思考的动力，更难以调动学生深入探究的学习源动力。

1.3 课程实践设备老旧，可操作性不强

现有课程教学主要是理论教学，部分相关课程存在一些实验，但大多演变成连接导线的机械性实验，实践内容较少，且配套实践课程与理论课程在授课时间上是分开的，实验设备也是以封装好的实验台或者实验箱为主，实验内容大多是课程理论知识的验证，实践项目固定，实验形式单一，学生大多跟着老师的讲解进行实验验证，仅仅机械地重复实验内容，很难做到理论联系实践。由于缺乏真正可实际创新操作的实践课程内容，致使学生对“控制技术及应用”课程的重要性、实用性和基础支撑性无法理解到位，学到的知识也只是流于表面，使得学生丧失持续、深入学习和探究的动力。

1.4 考核形式固化，无法全面评价学生能力

传统的“控制技术及应用”课程最终考核仅仅是学生的平时成绩加上最后的期末考试成绩，很多能够拿高分的同学也不具备依靠所学理论知识独立设计控制系统的能力，对学生实践能力和项目化训练的培养明显不足，很难达到应用型人才培养的最终目标。而实际工作后的环境不仅需要自主解决问题，同时需要团队协作和协调的能力，卷面的高分无法全面评价学生未来的职业素养。

2 基于项目化教学的“控制技术及应用”课程设计

“控制技术及应用”理论性很强，因此教学中首先要做到的是理论教学和实践教学的无缝衔接，使学生在学习课程理论的同时，通过实践加深对理论知识点的理解，从而强化学生对知识点的掌握，提高学生的学习兴趣和学习效果。力求达到在教学过程中理论教学、专业工具软件使用教学和实践教学“三位一体”的授课成效。本文以扇翼飞机飞行控制系统设计为基本项目基础，贯穿整个课程知识点的授课，具体课程架构如图1 所示：

图1 课程项目化教学架构

2.1 理论教学与实践相融合

“控制技术及应用”理论性很强，要求学生具有一定的数学基础，如果理论教学过程中能够让学生边学理论边实践，通过项目融入课程知识点的方式开展教学，并针对学生实际情况，以小组组合形式开展，每组不超过4 人，确保所有同学的参与度。

对于课程的理论部分，采用讲授法、演示法、问题导向法、讨论法教学，调动学生学习的主观能动性，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力。采用项目实践与理论交替的课程学习方式，启发引导学生自我能力的培养，提高学生学习兴趣。通过课堂讨论，及时发现学生学习认知中的误区，有针对性地通过项目演示和实际操作，帮助学生理解课程难点。

2.2 理论教学与软件学习同步

Matlab 具有强大的绘图和运算功能，简单易学，是自动化专业从业人员必须掌握的一门常用编程工具，将Matlab基础工具软件的教授嵌套进“控制技术及应用”授课中，让学生在掌握Matlab 软件的同时，加深对课堂内容的理解，同时可以有效解决烦琐枯燥的计算问题，把更多的精力投入工程实际问题的解决上。Matlab 的可操作性、可演示性带给学生不一样的课堂体验，提高了学生的学习兴趣，积极主动投入对课程内容的研究理解中，相较于印在书本上的纯文字信息，其形式更为生动易接受。Matlab/Simulink构建了一个模块图环境，提供自定义的模块库和图形编辑器，能够直观展现飞机控制系统结构，易于学生有针对性地查找和理解一个控制系统的整体架构。

2.3 课程组织与实施方式

本课程以“飞机纵向姿态控制系统设计”为项目主线，将“控制技术及应用”课程中控制系统模型建立、时域分析法、频域分析法、根轨迹分析法和控制系统的校正和设计五个部分的理论知识融合进项目中，学生通过项目演示和实操尝试促进对课程理论知识的理解，以及通过课程前后的联系贯穿从而加深对所学知识的掌握。通过这种理论教学和实践项目穿插进行的方式，鼓励同学参与和讨论，从而及时把握学生对理论知识的掌握程度和运用能力，通过及时反馈不断总结，教师和学生都能够不断地发现问题、解决问题，弥补项目驱动教学活动过程中的不足，从而促进教学效果的进一步提高。

在“控制技术及应用”课程的教学过程中，涉及项目化教学内容的部分有：飞机六自由度状态方程的建立，对应于控制系统数学模型章节；飞机性能分析，对应于三大分析方法；飞机纵向飞行控制系统设计，对应于控制系统校正与设计章节。下面以根轨迹法进行控制系统性能分析为例，简单介绍课程实施步骤。

课程理论教学要求学生了解系统根轨迹的概念和原理，熟悉根轨迹绘制法则，掌握用根轨迹分析系统性能的方法，并能理解增加开环零极点对系统性能的影响，初步掌握对控制系统的分析能力。首先课堂教授根轨迹概念并与前面时域性能分析相结合，知识点前后串联，在有概念基础的前提下进行飞控系统根轨迹的绘制。

实践基础教学部分包括：根轨迹的绘制及性能分析、依据时域性能指标用根轨迹法进行系统设计。实践应用部分内容包括：用根轨迹法分析飞机纵向姿态控制系统系统的性能，并能通过根轨迹法进行系统设计以满足期望的时域性能指标。此部分可以使学生更好地串联前后所学知识，结合第二章时域性能分析方法，即系统性能指标分析（快速性、准确性、稳定性），设计满意的控制律。

如图2 所示为飞机纵向姿态控制系统，纵向姿态控制采用PD控制，俯仰角和俯仰角速率双反馈回路，回顾前面频域分析法，微分环节俯仰角速率反馈的加入，使控制系统相位超前90°，提早发现输入信号的变化趋势，并做出相应修正，进而增大纵向短周期运动的阻尼，提高控制系统的稳定性。飞机的高度控制采用PI 控制结构——高度与高度积分的双回路反馈，将俯仰角内回路作为高度控制的阻尼项，项目中扇翼飞机的动力来源于机翼上的扇翼，扇翼转动产生的升力和附加低头力矩，使得高度变化时首先伴随着俯仰角运动，因此可以采用俯仰角控制系统代替高度变化率进行高度增稳。积分环节是为了提高飞行高度控制的精度，结合控制系统设计部分教学内容，积分环节的加入使系统增加了一个型别，进而改善控制系统的稳态性能。通过飞机纵向控制系统的设计将课程前后知识串联总结，通过控制系统设计部分内容，加深掌握前面几章中频域分析和时域分析方法，加深对前期理论课程的理解，使学生更直观地学习和理解控制的精髓——反馈。

图2 飞机纵向姿态控制系统

结合高度控制根轨迹图、幅频特性曲线、时域响应曲线，讲解控制系统设计方法、零极点添加的作用以及三种性能分析方法的对应联系，使学生学习的知识更为具体，易于对知识点的消化吸收。例如拖动根轨迹图上的根轨迹点对应观察时域中的高度阶跃响应，对应理解什么是过阻尼、欠阻尼和无阻尼的概念，以及在根轨迹上点位置对应的系统性能关系，比课堂上的公式推导更易于学生理解和掌握。

2.4 考核方式

课程考核依据教学目标制订，本课程教学主要包括两个大类目标：知识目标和能力目标。知识目标是希望学生掌握常规课程中的基本理论，包括控制系统结构、控制模型、三大分析方法等，能力目标主要指学生的实践能力和工程素养、提出、分析和解决问题的科研精神以及团队协作、协调、表达能力的提升。对应于此，各考核环节的具体要求及成绩评定方法如下：

①平时成绩考核学生出勤、作业完成情况。平时课成绩占总成绩的30%。

②期末考试采用闭卷笔试考核，期末考试占总成绩的40%。

③项目实践成绩，以讨论课的形式开展项目训练考核，要求学生依据课程内项目分组查阅资料，制作PPT 并汇报，成绩评定时先评定小组成绩，再评定个人成绩。小组成绩评价综合考虑学生团队的基本概念掌握程度、针对工程问题方案制订、成果展示等内容，个人成绩评价以小组成绩为基础分，再依据个人贡献度打分。项目实践成绩占总成绩的30%。

3 小结

针对“控制技术及应用”教学中存在的问题，依托扇翼飞机飞行控制系统设计项目开展项目化教学，将教学的重点放在对于知识要点、难点的理解上，以及将理论知识运用在实际控制系统分析与综合实践能力的培养上。实施项目化教学，激发学生学习兴趣，培养学生工程实践能力，深化学生对课程内容的理解和消化。突出对学生自学能力和知识迁移能力的培养，培养学生工程意识和工程素养，锻炼工程实践能力，成为真正能适应社会发展需要的应用型人才。