“過程控制及儀表”課程混合式教學改革與探索

孟慶松 管 宇 殷玉恒 馬俊達 袁麗英 李 巍

(哈爾濱理工大學 自動化學院, 哈爾濱 150080)

“過程控制及儀表”課程是自動化專業的主干課之一,也是理論性與實踐性都較強的一門課程,其內容豐富,涉及面廣,采用傳統的教學模式難以收到較好的效果。為此,國內高校也在近幾年展開了大量的教學改革與教學實踐,比如采用MOOC+SPOC的混合教學模式、一體化教學模式、問題式教學模式、BOPPPS教學模式等等[1-4]。為了適應新時代“本科一流課程”“新工科”的建設與人才培養需求,以一流本科課程建設為抓手,全面探索與完善多維度立體化課程建設與教學改革的方式方法并付諸于實踐,借助混合式教學模式可以充分發揮網絡教學的優勢,共建和共享優秀教學資源,方便學生自學,同時又充分利用課堂教學中師生互動為主的教學模式,這樣就可以大大提高教學質量,符合未來課程教學的發展趨勢,對自動化專業人才培養與課程建設具有示范推廣價值。

1 教學模式的改革與教學設計

1.1 課程教學中存在的問題

“過程控制與儀表”課程是自動化專業的核心主干課程,是為了培養學生過程控制工程設計能力與理論分析能力,它屬于綜合性的應用學科。結合多年的教學實踐,提出課程改革亟需解決的四大類問題。一是課程學習“知識遷移力不足”問題;二是課堂教學“單向滿堂灌”問題;三是系統控制器“設計抽象化”問題;四是課程考核“單純評分化”問題。這四大類問題解決的關鍵就是教學方法由教向學、由教師為主向學生為主的轉變,通過不斷的教學設計與教學實踐,具體實施以學生為中心的自主、深度學習以及知識遷移,最終實現課程教學目標的全面達成。

1.2 課程教學設計

1)確定課程的教學目標與知識模塊

課程的教學目標應突出工程應用的要求,解決石油、化工、冶金等領域生產過程的自動化問題。將知識內容劃分為6個單元,即緒論、過程建模、檢測儀表、控制儀表、簡單系統和復雜系統。其中后2個單元是教學的重點與難點,需要運用自動控制理論對系統進行分析、設計與仿真,同時利用實驗學時與綜合大作業進行具體工業控制問題的理論分析、設計與Matlab仿真以及現場調試等工作,從而考核學生對理論知識的掌握程度以及解決實際工程問題的能力與團隊協作能力。

2)O2O教學模式

除了提供大量的線上教學資源外,更應注重各種教學活動,主要包括課程通知、課后作業、答疑討論、在線測試、專題討論、章節測驗、課程問卷等活動。最后進行教學效果的評價和分析,全程記錄與跟蹤教學內容和學生反饋的學習過程、行為和效果,并進一步因材施教。

3)復雜工程問題

通過復雜工程問題的解決,使學生具有表達、分析和設計復雜工程問題的能力。在理論教學中,必須深入掌握過程控制的基本理論,經過分析與提煉,才能恰當表述、分析和解決過程控制系統問題,能夠設計系統的總體方案、設備選型、控制器設計并完成調試,并能根據調試結果不斷改善系統性能。在實驗教學中,通過實驗方案設計、系統搭建、控制器參數的工程整定、設備調試到現象分析等環節,培養學生靈活運用過程控制相關理論解決各種問題。

在理論與實驗教學中,系統設計與調試過程涉及多方面的技術,如傳感器技術、電子技術、自動控制技術、計算機仿真技術等。尤其在解決過程控制系統復雜工程問題時,還需要考慮多種約束因素,如所設計過程控制系統的使用領域、性價比、制作安裝、實驗安全等因素,同時這些技術和因素之間可能具有一定的矛盾或制約。

4)案例設計

工業案例的設計是為了提升學生的復合型工程應用能力,既要解決實際工程問題,又要體現科研必備的思維模式。比如熱電廠鍋爐控制系統在實現優質高產節能環保的控制目標時,設計了煙氣系統、燃燒系統、汽水系統等多個控制子系統。可以將其對象特點、生產工藝原理以及各個控制子目標等的描述作為緒論部分的案例,指導學生明確實際的物理背景與工藝需求,培養學生從實踐到理論的提升能力。把各系統的總體設計方案作為復雜過程控制系統的設計內容,而把其中的汽包水位控制系統作為仿真設計的典型案例,研究在各種擾動影響下的輸出特性,并通過系統的分析與設計、算法編寫、控制器參數整定等來培養學生的工程分析與設計能力。同時,通過對上述過程各環節的設問引導學生查閱資料、獨立思考、團隊討論等,進而得到自己的答案,并給出相應的論證依據。

5)構建成果評價體系與持續改進

考核學生學習成果的目的不是為了分出優劣而是幫助學生發現、總結問題。課程的考核以考核培養目標的達成為主要目的,以檢查學生對各種知識點的掌握情況和應用能力為重點,包括線上形成性考核和線下終結性考核兩部分,二者三七開,加強過程性考核的力度。

2 具體實踐與成效

課程學習在于使學生掌握過程控制系統分析、設計和投運調試的基礎理論知識和工程應用方法。教學模式的改革重點就是從教向學、從被動學習向主動學習與深度學習的轉變,從知識到能力素質的遷移。通過線上與線下混合式教學,實現課程內容深度化、內容講授可視化、網絡課堂差異化、實體課堂互動化、案例教學場景化、系統設計虛仿化,從而達成課程目標。

2.1 混合式課堂教學

教師在課堂中主要幫助學生答疑解惑、系統認知,并構建以“原理-方法-技術”為主線的工程思維,促進學生積極學習。為了打破沉默課堂并實現互動式、探究式學生中心課堂教學,借助BOPPPS(分別對應導入、目標、前測、參與、后測、總結)模式進行了教學設計(如圖1所示),通過重難點的精講、核心問題的互動討論、思考題的自主探究以及認知模型的聯系整合,實現高效互動的學生中心課堂教學。

圖1 線上線下混合式課堂教學

在分組專題研討課堂,對教材外的常用自動化儀表、控制器工程整定方法留給學生課下查閱文獻、歸納整理或仿真研究,用于小班課堂分組展示、討論分享成果,進而提高課程的廣度與深度。

2.2 案例虛擬仿真

根據教師的橫向課題研究方向與本專業的學情特點,以多變量強耦合的熱電廠鍋爐設備系統為典型案例,將課程的各知識點貫穿起來并自制了教學視頻,又自行開發虛擬仿真軟件用于課后開展有關控制器參數整定實驗(如圖2所示),使學生在動手實踐中去深入思考與探究學習,動態觀察不同控制器、過程模型對系統控制指標的影響,從而解決控制器設計過于抽象的教學難題,實現案例場景化。。為了提高案例教學的知識覆蓋面與方案設計的比對效果,我們開發設計了單沖量、雙沖量與三沖量汽包水位虛擬仿真控制系統,利用工業組態軟件的交互監控畫面與控制功能,實現了虛擬的系統工作動態畫面、動態數據即時顯示、過程模型與控制器的參數任意隨時設定等。具體地,在三沖量控制方案中,實現了主對象與副對象的參數設定與顯示,給定水位、蒸汽負荷擾動的預設與顯示,主回路、副回路以及前饋控制參數的在線調整與顯示,系統運行過程中水位升降的動畫顯示、實時變化曲線顯示,閥門開度的動態顯示以及水流動畫效果等等。其中,主、副對象都用一階慣性環節來表示,主、副調節器分別采用PID、PD控制規律,前饋調節器采用靜態前饋加以補償。從這三種控制方案的實際工作結果可以直觀比較分析它們的控制效果,具體包括動態指標與穩態指標等。通過這種案例虛擬仿真方式,使控制器設計工作不再抽象而變得形象直觀,深受學生們的歡迎與喜愛。同時,為了深入理解案例的工作原理,我們還制作了相應的教學視頻,從控制原理的角度來分析這三種控制方案的工作機理、結構、特點及其解決的問題等,方便學生課下自主學習與深度學習。

圖2 案例虛擬仿真實驗教學

2.3 混合式自主學習與考評體系

凡是學生學習有困難的,教師要主動為學生搭建“腳手架”,設計有挑戰但難度適中的學習任務,引導學生自主學習與深度學習。

1)自由討論

在課前、課后通過線上發帖進行師生或生生間的自由互動討論。

2)自主學習

開展視頻學習、隨堂測試、線上提交課后作業、專題討論、單元測驗及月考等線上教學活動,完成大作業、實驗等線下教學活動。

大作業采用的是學生自主學習、互學互教的分組協作式學習方式,以及撰寫報告與驗收答辯的考核方式。在完成大作業的過程中,小組學生通過查閱文獻,綜合運用控制理論以解決復雜工程控制問題,形成“教”與“學”共同體并拓展至深度學習,乃至思維遷移發展,培養學生批判思維、創新思維等高階能力,處理不確定性問題的能力,以及科技思維與表達能力。

3)學情預警

教師通過平臺的學情預警功能,實時進行監督、警示以保證教學目標的達成。

為達成教學目標,針對以上各項學習活動,依次進行線上的視頻學習、隨堂測試、課后作業、專題討論、自由討論、單元測驗、月考、案例教學等,以及線下的課堂討論、課后思考、專題研討、大作業、案例及其虛仿實驗、課程實驗、期末筆試等形式的考核(如圖3所示),通過動態評價與同步反饋,形成課程閉環,實現由易到難、從知識到能力的遞階式遷移,漸進提升工程應用問題的實踐能力,促進學習的不斷螺旋式提升。其中大作業、案例、專題討論、擴展閱讀、課后思考題、專題研討課堂、實驗以及期末筆試等考核形式,引導學生深度學習,注重高階能力的提高,體現課程“兩性一度”的要求。

圖3 線上線下遞進式過程考核方式

2.4 課程建設成效

“過程控制及儀表”課程在近幾年進行了上述的教學改革與實踐探索,取得了一定的教學成效。課程團隊通過每年的評價會和改進會,真正將評價結果用于課程的持續改進,構成了課程評價的閉環,實現了教學全過程有記錄、可測量、可借鑒。改革成果內容豐富、理論和實踐水平較高,學生的學習效果明顯提升,學生對課程的參與度與滿意度大增,充分確保了課程目標的全面達成,踐行了“兩性一度”要求,課程團隊的教學能力與水平得到了整體提升,已應用于本校和其他同類理工科院校。

本課程在學銀在線網站被推選為教學示范包,其教學設計也在校級創新大賽中獲獎,在2019年、2021年分別獲評省級精品在線開放課程、線上線下混合一流本科課程。本課程自2018年正式在學銀在線上線以來,連續開設8期,截至目前已有8000多人選課,瀏覽量已達600多萬人次,互動討論已達4萬余條,得到了全國近百所同類高校學生的高度認可。

3 結語

針對過程控制及儀表課程的混合式教學改革與探索,建立互動高效學生中心課堂范式,實現了案例教學的場景化與互動化,通過大作業形式綜合考核了學生的綜合應用能力,不斷引導學生深度學習與積極學習,有效解決了由教向學的轉變,體現了“兩性一度”的要求,真正把學生作為學習的主體,提高學生的學習質量與效果,并為課程的精品建設提供強大的支撐與保障。