基于問題與任務導向理念的過程控制課程教學改革

周嘵玲,李 靜

(桂林航天工業學院電子信息與自動化學院,廣西桂林,541004)

一、引言

2018年,《關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》,首次確定了612個項目為“新工科”研究與實踐項目。[1]“新工科”針對的是新興產業所對應的專業,例如智能制造這一類與人工智能相關的新專業,也包括對傳統工科專業的改造。人社部預測,2020年我國智能制造領域人才需求750萬人,人才缺口300萬人;到2050年,人才需求900萬人,人才缺口450萬人。[2]可見,“新工科”是我國在高新技術人才緊缺的現狀下的必然產物。

與傳統工科相比,“新工科”強調技能的創新與實踐,強調各專業的交叉融合。在新工科背景下,我國對人才的培養要求更多傾向于實踐、創新能力的塑造。[3-5]我國向來重視自動化專業的發展及人才培養,自動化專業學科在航空航天、電力、石油化工、建材及醫藥等諸多領域發揮了重大作用,因此,適應新工科背景對自動化專業教學改革尤為重要。自動化專業的課程圍繞自控原理這一核心展開,包括PLC控制、運動控制、過程控制、計算機控制等控制相關課程。其中,過程控制是一門與實際生產過程(主要是大型石油化工、各大制造業等具有連續批量生產或特定的生產過程)緊密聯系的綜合運用型課程,其主要任務是指導學生掌握生產過程中常用的控制系統組成原理、結構特點與相關檢測及控制儀表的使用方法等,培養學生具備完成生產過程控制系統工程設計的能力。因此,培養專業的過程控制領域人才,對我國國民經濟發展尤為重要。[6-8]

過程控制課程是桂林航天工業學院(以下簡稱我校)自動化專業的核心專業課,其實踐性和應用性強,課程目標是面向自動化專業中工業自動化方向的學生講授過程控制相關理論知識、典型應用及其在工業控制、生態環境保護中的重要作用。通過過程控制課程的學習,學生應該掌握以下能力:單容和雙容過程控制對象的數學建模;根據檢測儀表、控制儀表和執行器特性,對實驗結果進行分析與校驗并獲得有效結論;能夠對單回路控制系統、復雜控制系統進行分析、設計與參數正定;能夠初步分析及選用先進過程控制方法。為保證充足的理論授課及實踐課時,我校自動化專業開設的過程控制課程課時數為64學時,其中理論部分48學時,實驗16學時。充足的學時為理論和實踐教學提供了良好的基礎,但也存在學時過長帶來的學習倦怠、學習效率降低的問題。

綜上所述,我校過程控制課程改革,需聚焦學習興趣引導和創新實踐能力培養。因此,本文將針對上述問題,設計基于問題與任務導向的教學改革措施。

二、問題

我校過程控制課程是為自動化專業大三學生開設的專業課,在此之前,學生已經系統學習了傳感與檢測技術、計算機控制、自動控制原理等課程。過程控制課程的教學目標是綜合運用上述專業課程知識設計生產過程控制系統,其授課內容較為復雜煩瑣,傳統的純講授式課程教學難以實現課程目標,易陷入以下困境。

(一)課程的整體連貫性欠佳

過程控制課程需要綜合運用傳感檢測技術、計算機控制技術及自動控制原理等知識,其課程章節內容一般是先介紹自控原理基礎知識,再介紹檢測裝置、執行機構,然后進入控制系統設計相關理論、計算機控制系統等。課程章節與章節之間內容跨度比較大,容易在教學中后期出現課程學習知識斷層現象。例如,在學習第5章對象建模時,由于時間跨度大,學生在結束此章的學習時很可能忘記最開始學的執行機構和控制儀表的相關特性;在學習第7章復雜控制系統時,學生可能會忘記之前控制律和控制器參數整定的內容。

(二)缺乏師生互動溝通

缺乏師生互動直接導致教師無法有效掌握教學效果實際情況。由于課程內容較多,要在48學時的理論課堂內實現知識點講授的面面俱到,同時兼顧總結回顧易遺忘的知識點,教師比較容易陷入單方面講授的境地。這樣不僅無法提高教學效率,而且會因為知識鋪開面太廣,學生難以深入理解相關知識點,學習缺少重點和方向。

(三)學生被動學習

過程控制課程專業綜合知識較多,純講授式的教學容易導致學生只能被動式聽講,對課程內容的掌握程度較淺,缺乏自主分析能力。這與當前新工科背景要求培養“具有寬闊視野,創新能力和實踐能力的復合型人才”的目標有一定的距離。

針對上述問題,本文從提高課程知識體系連貫性、調動學生積極性出發,以問題與任務導向教學理念為指導,從理論教學和實驗教學設計兩方面提出相應的措施。

三、問題與任務導向教學理念

問題導向教學理念最早應用于醫學專業教學領域,要求學生應用專業知識解決生活中的問題,為未來的職業生涯打基礎。該理念指導下的教學特點就是將自主權下放給學生,教師拋出與教學內容相關的實際應用問題,學生以小組為單位,解決問題。任務導向教學理念是在建構主義教學理論基礎上的教學理念,其旨在引導學生帶著真實的任務在探索中學習,通過使學生不斷地獲得成就感激發學生的求知欲。該理念指導下的教學最開始被應用于語言教學領域,之后逐漸被其他教學領域引進。

以問題與任務為導向的教學理念,從根本上來說,是一種將教學過程、學習內容拆解,引導學生以主人翁的角色建立知識體系的過程。[9]在過程控制課程教學中,引入這些理念設計相關教學活動,可有效化解過程控制課程學習內容復雜煩瑣、學時過長導致的學習懈怠問題。同時,以問題與任務為導向的教學活動有利于工程系統設計思想的形成,從而達到提高學生學習的主動性、培養學生的工程意識和解決問題能力的目的。

四、教學設計

(一)框架

問題與任務導向教學理念的具體落實應以師生討論為載體,以任務設計為引線,以解決問題為動力,以學生自主和分組協作相結合為具體實施方式。本文針對過程控制課程特點,以學生分組為切入點設計教學活動,具體的實現框架如圖1所示。教學框架的設計分為教師視角和學生視角。

圖1 問題與任務導向的教學設計框架

1.教師視角

教師主要有三大模塊的教學活動。第一,分配任務。我校過程控制課程理論授課,包括緒論、檢測與控制儀表、執行器、被控過程數學建模、簡單控制系統、復雜控制系統、先進過程控制系統和過程控制系統實例等內容。從教學內容上分析,前五章的學習都是為了實現控制系統的設計,這是一條隱藏的任務主線。因此,教師在第一堂課時可羅列各章知識點的關系,布置面向生產過程的過程控制系統設計任務,任務需圍繞過程控制常見生產對象的控制設計,例如鍋爐汽包水位的控制。第二,問題分解。過程控制課程前五章分別對應了典型控制系統的檢測、控制、執行、對象等環節,是一個漸進的層次結構。因此,教師可結合每堂課的授課內容,引導學生分解所領取的任務。例如,在講授檢測儀表時,教師可以引導學生思考以下問題:為控制鍋爐汽包水位,首先必須知道實時水位,那么如何獲得實時水位?水位檢測常用的儀表有哪些?鍋爐汽包這個生產過程對檢測設備是否有特殊要求?這就是針對具體任務,分解問題的過程。第三,更新課堂內容。在每堂課的開始階段,教師可以預留15分鐘時間進行翻轉課堂活動,讓各小組快速匯報任務進展并討論,以此集中學生的注意力,專注于本次課需要解決的問題。匯報也有助于學生逐步了解各章節知識體系之間的聯系并形成系統的工程設計思想。教師根據學生匯報的內容,了解學生問題解決的情況,并據此更新下一堂課的內容設計,從而提高教學效率。

2. 學生視角

學生主要有三大模塊的學習活動。第一,組成小組,領取設計任務。在第一堂課,學生自發尋找組員,組成任務小組,并根據教師所羅列的知識結構,了解設計任務。第二,問題分解。各小組根據所領取的任務,跟隨教師的分析,尋找完成任務的步驟以及每一步所要解決的問題。例如,在鍋爐汽包水位控制任務中,對教師所提水位檢測問題、儀表選擇問題等進行記錄,并在此基礎上進一步挖掘是否有更為細致的問題需要解決。例如,儀表精度等級如何確定?檢測位置安裝有沒有特殊要求?第三,小組課后討論及課堂匯報。學生帶著問題上課,并將上課過程中產生的思維火花記錄下來,課后及時進行小組討論,敲定最終的問題解決方案,然后在下一堂課開始時,派代表匯報本組任務完成情況。

上述以問題和任務為導向的教學設計,充分發揮了教師的引導作用,讓學生感覺到自己作為學習主體的快樂。學生在自主學習的過程中獲得成就感,變得更為自信,從而形成一個良性循環。

(二)問題導向的實驗設計

過程控制是一門具有較強實踐性與應用性的課程,在充足的理論教育的基礎上,實驗教學對于課程內容的進一步把握與提升十分重要。[10]我校過程控制實驗室配備有天煌THSA-1型過控綜合自動化控制系統實驗平臺,可對水箱液位、鍋爐加熱、盤管流量等典型生產過程進行閉環回路控制、串級控制、比值控制、滯后控制等。常規驗證型實驗容易出現學生按部就班、不理解實驗目的的問題。為改善上述情況,我校推行了問題導向的實驗設計,教師引導學生發現問題,學生帶著問題做實驗,探索問題結果,最終解決問題。具體實驗教學活動框架結構如圖2所示。我校過程控制實驗課共16個學時,分別包括單雙容水箱的特性測試、單雙容水箱液位控制、鍋爐內膽溫度特性測試、鍋爐內膽溫度控制、鍋爐夾套水溫串級控制、流量比值控制、盤管流量純滯后控制。實驗內容涵蓋理論教學中的對象數學建模、簡單閉環控制、串級控制、比值控制和純滯后控制等內容。

圖2 問題導向的實驗教學設計框架

問題導向的實驗教學活動設計具體如下。第一,理論課結束后,教師引導學生將8個實驗內容與課本上各章知識點進行一一對應,讓學生認識到教學活動的目的。第二,教師根據各實驗小組的學習能力發布由簡單到困難多個等級的實驗問題,以保證各小組均有一定積極性挑戰問題、解決問題,獲得成就感。需要注意的是,實驗任務不能脫離實驗本身,應基于理論課的內容,否則容易打擊學生的課堂積極性。

例如,單容水箱液位控制實驗,基礎實驗提供完成單容水箱液位控制所需接線及調試步驟,學生需要完成以下實驗問題:

1.影響液位的因素有哪些?

2.增加一個幅值較大的擾動,觀察當前控制器能否回到原始穩態。

3.如果不能穩定在某一液位,是什么原因?

4.具體解決辦法是什么?

相應地,實驗考核指標為:完成基礎驗證性實驗,合格;完成問題1,說明進行了一定的實驗觀察,中等;完成問題1—3,說明進行了一定的實驗探索和思考,良好;完成所有問題,說明在探索和思考的基礎上,具備動手解決問題的能力,優秀。

第三,問題總結和討論,在問題導向的實驗活動中,大部分學生可以在完成基礎實驗的調試過程中,專注于控制系統是如何達到穩態的,并探究控制器、對象、控制結構三者之間的關系,并有強烈的欲望想獲得正確的答案。因此,實驗最后,教師應留小部分時間組織學生進行問題總結和討論。各小組交流實驗過程中所發現的問題和所采用的解決策略,產生思維火花的碰撞,理論課的所學知識也會在這個過程中得以融會貫通,從而讓學生更好地理解控制系統設計過程。

五、成效

我校在推行一學期上述理論教學和實驗教學活動設計后,在理論教學和實驗教學上均取得了一定成效。

(一)理論課

從出勤上看,學生到課率超過95%,學生的上課積極性大為提高;從課后提問交流來看,針對課堂內容提出自己疑問的學生數量明顯增多,說明學生具有明顯的主動學習意愿;從完成作業的情況來看,課后習題完成的正確率有明顯提高,學生都能按時完成作業;從小組完成所發布的生產過程控制任務來看,各小組基本上順利完成了控制系統的設計,有條理地撰寫了小論文,闡述了從儀表選型到控制策略設計及控制系統仿真結果分析的全過程,有個別小組還在原有任務基礎之上拓展了關于控制策略的進一步討論。可見,基于任務與問題導向的教學活動設計顯著提高了學生的學習積極性,且使學生基本具備了工程實際系統設計理念。另外,在該任務的引導下,學生期末考試的及格率達到了96.77%,成績有明顯提高。

(二)實驗教學

所有學生全勤參加所有實驗課程,各小組積極完成實驗任務,基礎實驗驗收通過率為100%,提高實驗驗收通過率為20%,各實驗小組的探究精神被激發。針對各次實驗所提問題,各小組均能夠有條理地給對象施加額外擾動,觀察記錄實驗現象,并加以分析,個別能力較強的小組能夠應用理論知識,在一定程度上解決實驗問題。例如,在盤管流量純滯后控制實驗中采用PID控制器實現控制時,由于實驗對象是純滯后對象,流量的輸出曲線動態偏差較大,有部分學生嘗試記錄盤管流量的開環狀態下的階躍響應曲線,基于階躍響應曲線數據對盤管建模,構建Smith預估控制器,改進盤管流量的控制效果。這種積極主動地嘗試將理論課上的知識應用到實驗分析中的現象,充分反映了問題導向的實驗教學活動能較好地提高學生的探索實踐能力。

六、結語

過程控制課程是自動化專業的核心專業課,課程內容應用性和實踐性均較強,理論教學與實驗教學相輔相成。針對過程控制課程教學過程形式單一、教學內容煩瑣復雜等問題,本文提出了問題與任務導向的理論教學設計和實驗教學設計活動,以教師為主導設計整個課堂,以學生為主體參與課堂,以小組的形式組織實施問題分解與任務完成,引導學生充分發散思維、積極討論,碰撞思維火花,做到課程內容講完,學生系統設計任務做完。問題與任務導向的理論教學活動拆解過程控制課程的教學過程、學習內容,引導學生以主人翁的角色建立知識體系,幫助學生樹立系統工程設計理念,具備自主學習、解決問題的能力,有助于進一步培養學生的探索實踐能力。將問題與任務導向理念引入過程控制教學,符合“新工科”對學生工程實踐能力、創新能力的培養要求。