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摘要：“自动控制原理”是自动化学科重要的专业基础课，不仅理论性强，实践性也很强。根据项目驱动的教学方法，在“自动控制原理”课程教学中，以项目为主线，以学生为主体，以注重实践的方法组织教学，让学生掌握自动控制理论所需的基本知识和技能，促进其工程实践能力和团结协作能力的提高。
关键词：项目驱动教学；自动控制理论；工程实践能力
作者简介：任金霞（1970-），女，山西孝义人，江西理工大学电气与自动化学院，副教授；王祖麟（1954-），男，江西南昌人，江西理工大学电气与自动化学院，教授。（江西 赣州 341000）
基金项目：本文系江西省教育厅教学研究项目（项目编号：JXJG-11-6-16）、“基于‘3个紧密结合+全面素质教育’的自动化专业人才培养模式创新实验区”（文件号：教高函[2009]27号）的研究成果。
中图分类号：G624.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0090-02
“自动控制原理”是自动化学科重要的专业基础课，该课程内容结构紧密，概念抽象，计算繁杂，与工程实际联系紧密，是学习后续专业课的重要基础。长期以来，该课程采用“课堂讲授+验证性实验”的教学方法，学生感到难学，而且学习后不知道如何应用控制理论解决实际问题。因此，探索项目驱动教学在该课程教学方法中的应用，对提高学生应用控制理论知识解决实际问题的能力和工程实践能力具有现实意义。
一、项目驱动教学法
项目教学是围绕项目而开展的教学活动，将学生解决问题的能力和社会责任感的培养融入项目过程中，让学生积极地学习，自主地进行知识的建构。将所有需要学习和掌握的专业知识都围绕项目这个核心展开，并与这个核心融合在一起，形成一个有机整体。项目过程分为学生组建团队、教师引导、小组协作和公开答辩四个部分。组建团队按照企业研发项目的模式，按照项目的内容和成员的特长进行分工，明确每个成员的职责和任务，通过项目小组团队的学习，在团队合作的环境下，使学生的自学能力、个人能力、人际交往能力、知识运用能力及开发能力得到全面锻炼和提高。教师引导的作用主要是组织和督促，学生遇到困难时给与指导，给学生提出问题，驱动学生去探究，发挥学生的主体作用。团队成员完成各自的任务，还要小组协作，相互协调交流和质疑探讨，看到问题的解决途径，共同完成项目。最后按照项目完成的情况，编制文档，公开答辩，讲解项目的实现过程，展示设计方案和创新之处，接受大家的质疑，总结和提高。
二、“自动控制原理”的教学目标
“自动控制原理”课程要求培养学生建立起专业知识与理论的框架，使学生具备建立控制工程项目的模型分析、建模的能力，具备综合分析和设计自动控制系统的基本能力，具备使用计算机辅助分析和设计自动控制系统的能力，构建项目驱动的能力，进行实物工程设计实践的能力和创新能力，并为运动控制、过程控制的能力培养提供理论支撑。
“自动控制原理”课程不仅理论性强而且实践性也很强，将项目驱动教学法引入到“自动控制原理”课程，将过去以传授知识为主的传统教学理念改变为以解决问题、完成任务为主的互动式教学，有利于实现教学目标。
三、“自动控制原理”项目驱动教学实践
1.项目的选择
项目的好坏直接影响到教学的效果，要围绕控制理论的教学目标，提高学生对具体系统建立数学模型的能力、分析系统的能力和设计控制系统的能力，同时提高文档编写能力和组织协调能力来选择合适的项目。让学生从解决实际工程问题出发来进行专业知识的学习，激发学生对实际工程问题的兴趣，掌握该门课程的知识和研究手段、方法，引导他们探索并掌握解决问题的途径和方法，培养学生项目的组织和管理能力以及沟通能力和团队意识。项目的大小和难度要适中。
笔者在教学实践中选择电炉温度控制系统为项目，因为温度是一个非常重要的过程变量，温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求较高。因此该项目具有广泛的应用前景，而且体现了自动控制理论的教学目标，学生自己能动手实现，提高了学生的工程实践能力和综合素质。
2.项目要求
这部分由老师提出。老师综合学生所学理论和实践知识，以及学生的理解能力来提出项目要求。设计一个炉温自动控制系统，控制对象为电炉，里面有加热功能。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求：温度设定范围为20℃～70℃；环境温度降低时温度控制的静态误差≤0.5℃；采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量；用十进制数码管显示水的实际温度；在设定温度发生突变时，温度能达到指定温度并维持指定温度。
3.系统分析
由于学生刚接触炉温控制系统，对系统的分析方法和总体设计步骤不是很清楚，这个部分由老师引导学生对系统进行分析，中间包括对系统要求的分析、数学模型的建立、控制方案的确定、软件仿真、硬件软件功能的划分。
4.组建团队，收集资料和学习，做出决策
教师将一个班级划分为多个项目小组，实行组长负责制。项目小组的同学讨论项目的实现方法，根据老师的分析，结合自己的理解来画出系统的硬件设计总体框图。在这个过程中学生可以通过查找文献、上网搜索等不同的方式来搜集资料，老师进行讲解，向同学提出各种各样的问题来了解学生对知识的掌握程度，使学生充分理解系统的性能、控制方案等要求，然后小组成员一起讨论，选择各个小组认为合适的硬件结构系统，并按照选择的结构系统设计该温度控制系统。
5.系统控制方案的确定
电炉温度控制系统控制的效果主要取决于控制器的设计。控制方案中控制器的选择有三种，分别是比例控制器、比例-积分控制器和比例-积分-微分控制器。要求学生学习这三种控制器的特点、作用和设计方法，根据项目的需求选择合适的控制器。控制器中的参数确定是一个重要的问题，参数确定的方法很多，学生搜集资料学习讨论确定。 6.系统软硬件设计
在确定系统硬件结构后，设计系统的软件和硬件部分。每个项目小组按照项目的内容和成员的特长进行分工，明确每个成员的职责和任务。硬件电路的设计主要有主机系统的设计、键盘和显示电路设计、测温电路设计、电炉控制电路设计、电源设计、A/D转换，根据几个部分的特点及要求，结合学生对系统的理解程度，proteus环境下画出相应的电路图，最后把各部分的硬件电路整合。软件部分主要完成温度检测、温度控制、定时、温度显示等环节，这些环节可以由不同的学生独立编程完成。碰到问题时，老师可以讲解或者学生自己查资料来解决。各环节程序完成后，再设计系统的主程序和中断程序，这部分内容由大家集体完成。
7.系统硬件调试
本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：逻辑错误调试、器件调试、可靠性调试、电源故障。这部分内容由大家集体完成，发现问题小组成员协调交流共同解决。
8.系统的联机调试
联机调试即软件结合硬件的整体调试，在调试过程中，不仅要检查硬件的问题，还要检查软件问题。在检查硬件没有问题后，然后结合硬件修改软件程序，逐步检查问题，直到调试出结果。这个过程需要小组成员的协作甚至老师的指导，共同完成。
9.系统数学模型的建立及软件仿真
系统调试成功后，对电炉系统施加不同的控制信号，得到电炉温度的输出信号，从而对电炉进行建立数学模型。根据得到的数学模型，通过MATLAB 仿真软件进行仿真实验，得到控制器的参数。数学模型的建立方法可以由老师讲解。
10.电炉温度控制系统的在线控制
在程序中给定电炉的期望温度，将仿真结果讲到的控制器参数写入程序中，在线对系统进行控制。通过观察数码管显示的炉温结果，确定控制的效果是否达到要求。如果没有达到，或者性能指标不好，要学生分析原因，并且找出解决方法。
11.总结答辩
系统设计完成以后，各小组要讨论系统设计过程中出现的各种问题，并讨论通过这次的项目掌握比较好的知识点有哪些，还有哪些方面没有掌握好，师生共同总结知识点和技能点。最后学生提交报告和作品，进行成果展示，进行公开答辩，接受大家的质疑和教师的评价。最后，在总结的基础上，对设计成果进行改进与完善。
四、结束语
项目驱动教学应用在“自动控制原理”课程中，激发了学生的学习兴趣，明确了学习目标，促进了学生学习动力的形成和学习方法的养成。学生主体作用明显，得到了充分的工作体验，实现学生知识到技能的迁移，实现教与学、理论与实践的紧密结合，使学生掌握自动控制的专业知识，具备建立控制工程项目的能力，培养学生的个人能力与团体协作能力，尤其是项目组织、设计、开发和实施能力，从而培养学生的创新意识、工程实践能力和理论联系实际的学风，学生的综合能力得到了提高。
参考文献：
[1]张慧平，戴波，刘娜，等.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报，2009，（S2）：138-141.
[2]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）：133-134.
[3]熊凡，李伟波.项目驱动的软件工程实验教学探讨[J].中国电力教育，2012，（2）：77-79.
[4]李玉鹰.工学结合一体化课程教学设计案例选编[M].北京：外语教学与研究出版社，2011.
[5]郑长勇.自动控制原理课程教学改革探索与实践[J].内蒙古农学学报，2009，（4）：134.
[6]温如春，王祖麟，张振利.项目驱动教学法在“嵌入式系统技术”课程中的改革探索[J].中国电力教育，2012，（8）：77-78.
（责任编辑：王意琴）
关键词：项目驱动教学；自动控制理论；工程实践能力
作者简介：任金霞（1970-），女，山西孝义人，江西理工大学电气与自动化学院，副教授；王祖麟（1954-），男，江西南昌人，江西理工大学电气与自动化学院，教授。（江西 赣州 341000）
基金项目：本文系江西省教育厅教学研究项目（项目编号：JXJG-11-6-16）、“基于‘3个紧密结合+全面素质教育’的自动化专业人才培养模式创新实验区”（文件号：教高函[2009]27号）的研究成果。
中图分类号：G624.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0090-02
“自动控制原理”是自动化学科重要的专业基础课，该课程内容结构紧密，概念抽象，计算繁杂，与工程实际联系紧密，是学习后续专业课的重要基础。长期以来，该课程采用“课堂讲授+验证性实验”的教学方法，学生感到难学，而且学习后不知道如何应用控制理论解决实际问题。因此，探索项目驱动教学在该课程教学方法中的应用，对提高学生应用控制理论知识解决实际问题的能力和工程实践能力具有现实意义。
一、项目驱动教学法
项目教学是围绕项目而开展的教学活动，将学生解决问题的能力和社会责任感的培养融入项目过程中，让学生积极地学习，自主地进行知识的建构。将所有需要学习和掌握的专业知识都围绕项目这个核心展开，并与这个核心融合在一起，形成一个有机整体。项目过程分为学生组建团队、教师引导、小组协作和公开答辩四个部分。组建团队按照企业研发项目的模式，按照项目的内容和成员的特长进行分工，明确每个成员的职责和任务，通过项目小组团队的学习，在团队合作的环境下，使学生的自学能力、个人能力、人际交往能力、知识运用能力及开发能力得到全面锻炼和提高。教师引导的作用主要是组织和督促，学生遇到困难时给与指导，给学生提出问题，驱动学生去探究，发挥学生的主体作用。团队成员完成各自的任务，还要小组协作，相互协调交流和质疑探讨，看到问题的解决途径，共同完成项目。最后按照项目完成的情况，编制文档，公开答辩，讲解项目的实现过程，展示设计方案和创新之处，接受大家的质疑，总结和提高。
二、“自动控制原理”的教学目标
“自动控制原理”课程要求培养学生建立起专业知识与理论的框架，使学生具备建立控制工程项目的模型分析、建模的能力，具备综合分析和设计自动控制系统的基本能力，具备使用计算机辅助分析和设计自动控制系统的能力，构建项目驱动的能力，进行实物工程设计实践的能力和创新能力，并为运动控制、过程控制的能力培养提供理论支撑。
“自动控制原理”课程不仅理论性强而且实践性也很强，将项目驱动教学法引入到“自动控制原理”课程，将过去以传授知识为主的传统教学理念改变为以解决问题、完成任务为主的互动式教学，有利于实现教学目标。
三、“自动控制原理”项目驱动教学实践
1.项目的选择
项目的好坏直接影响到教学的效果，要围绕控制理论的教学目标，提高学生对具体系统建立数学模型的能力、分析系统的能力和设计控制系统的能力，同时提高文档编写能力和组织协调能力来选择合适的项目。让学生从解决实际工程问题出发来进行专业知识的学习，激发学生对实际工程问题的兴趣，掌握该门课程的知识和研究手段、方法，引导他们探索并掌握解决问题的途径和方法，培养学生项目的组织和管理能力以及沟通能力和团队意识。项目的大小和难度要适中。
笔者在教学实践中选择电炉温度控制系统为项目，因为温度是一个非常重要的过程变量，温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求较高。因此该项目具有广泛的应用前景，而且体现了自动控制理论的教学目标，学生自己能动手实现，提高了学生的工程实践能力和综合素质。
2.项目要求
这部分由老师提出。老师综合学生所学理论和实践知识，以及学生的理解能力来提出项目要求。设计一个炉温自动控制系统，控制对象为电炉，里面有加热功能。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求：温度设定范围为20℃～70℃；环境温度降低时温度控制的静态误差≤0.5℃；采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量；用十进制数码管显示水的实际温度；在设定温度发生突变时，温度能达到指定温度并维持指定温度。
3.系统分析
由于学生刚接触炉温控制系统，对系统的分析方法和总体设计步骤不是很清楚，这个部分由老师引导学生对系统进行分析，中间包括对系统要求的分析、数学模型的建立、控制方案的确定、软件仿真、硬件软件功能的划分。
4.组建团队，收集资料和学习，做出决策
教师将一个班级划分为多个项目小组，实行组长负责制。项目小组的同学讨论项目的实现方法，根据老师的分析，结合自己的理解来画出系统的硬件设计总体框图。在这个过程中学生可以通过查找文献、上网搜索等不同的方式来搜集资料，老师进行讲解，向同学提出各种各样的问题来了解学生对知识的掌握程度，使学生充分理解系统的性能、控制方案等要求，然后小组成员一起讨论，选择各个小组认为合适的硬件结构系统，并按照选择的结构系统设计该温度控制系统。
5.系统控制方案的确定
电炉温度控制系统控制的效果主要取决于控制器的设计。控制方案中控制器的选择有三种，分别是比例控制器、比例-积分控制器和比例-积分-微分控制器。要求学生学习这三种控制器的特点、作用和设计方法，根据项目的需求选择合适的控制器。控制器中的参数确定是一个重要的问题，参数确定的方法很多，学生搜集资料学习讨论确定。 6.系统软硬件设计
在确定系统硬件结构后，设计系统的软件和硬件部分。每个项目小组按照项目的内容和成员的特长进行分工，明确每个成员的职责和任务。硬件电路的设计主要有主机系统的设计、键盘和显示电路设计、测温电路设计、电炉控制电路设计、电源设计、A/D转换，根据几个部分的特点及要求，结合学生对系统的理解程度，proteus环境下画出相应的电路图，最后把各部分的硬件电路整合。软件部分主要完成温度检测、温度控制、定时、温度显示等环节，这些环节可以由不同的学生独立编程完成。碰到问题时，老师可以讲解或者学生自己查资料来解决。各环节程序完成后，再设计系统的主程序和中断程序，这部分内容由大家集体完成。
7.系统硬件调试
本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：逻辑错误调试、器件调试、可靠性调试、电源故障。这部分内容由大家集体完成，发现问题小组成员协调交流共同解决。
8.系统的联机调试
联机调试即软件结合硬件的整体调试，在调试过程中，不仅要检查硬件的问题，还要检查软件问题。在检查硬件没有问题后，然后结合硬件修改软件程序，逐步检查问题，直到调试出结果。这个过程需要小组成员的协作甚至老师的指导，共同完成。
9.系统数学模型的建立及软件仿真
系统调试成功后，对电炉系统施加不同的控制信号，得到电炉温度的输出信号，从而对电炉进行建立数学模型。根据得到的数学模型，通过MATLAB 仿真软件进行仿真实验，得到控制器的参数。数学模型的建立方法可以由老师讲解。
10.电炉温度控制系统的在线控制
在程序中给定电炉的期望温度，将仿真结果讲到的控制器参数写入程序中，在线对系统进行控制。通过观察数码管显示的炉温结果，确定控制的效果是否达到要求。如果没有达到，或者性能指标不好，要学生分析原因，并且找出解决方法。
11.总结答辩
系统设计完成以后，各小组要讨论系统设计过程中出现的各种问题，并讨论通过这次的项目掌握比较好的知识点有哪些，还有哪些方面没有掌握好，师生共同总结知识点和技能点。最后学生提交报告和作品，进行成果展示，进行公开答辩，接受大家的质疑和教师的评价。最后，在总结的基础上，对设计成果进行改进与完善。
四、结束语
项目驱动教学应用在“自动控制原理”课程中，激发了学生的学习兴趣，明确了学习目标，促进了学生学习动力的形成和学习方法的养成。学生主体作用明显，得到了充分的工作体验，实现学生知识到技能的迁移，实现教与学、理论与实践的紧密结合，使学生掌握自动控制的专业知识，具备建立控制工程项目的能力，培养学生的个人能力与团体协作能力，尤其是项目组织、设计、开发和实施能力，从而培养学生的创新意识、工程实践能力和理论联系实际的学风，学生的综合能力得到了提高。
参考文献：
[1]张慧平，戴波，刘娜，等.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报，2009，（S2）：138-141.
[2]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）：133-134.
[3]熊凡，李伟波.项目驱动的软件工程实验教学探讨[J].中国电力教育，2012，（2）：77-79.
[4]李玉鹰.工学结合一体化课程教学设计案例选编[M].北京：外语教学与研究出版社，2011.
[5]郑长勇.自动控制原理课程教学改革探索与实践[J].内蒙古农学学报，2009，（4）：134.
[6]温如春，王祖麟，张振利.项目驱动教学法在“嵌入式系统技术”课程中的改革探索[J].中国电力教育，2012，（8）：77-78.
（责任编辑：王意琴）