“过程控制及仪表”课程混合式教学改革与探索

孟庆松 管 宇 殷玉恒 马俊达 袁丽英 李 巍

(哈尔滨理工大学 自动化学院, 哈尔滨 150080)

“过程控制及仪表”课程是自动化专业的主干课之一,也是理论性与实践性都较强的一门课程,其内容丰富,涉及面广,采用传统的教学模式难以收到较好的效果。为此,国内高校也在近几年展开了大量的教学改革与教学实践,比如采用MOOC+SPOC的混合教学模式、一体化教学模式、问题式教学模式、BOPPPS教学模式等等[1-4]。为了适应新时代“本科一流课程”“新工科”的建设与人才培养需求,以一流本科课程建设为抓手,全面探索与完善多维度立体化课程建设与教学改革的方式方法并付诸于实践,借助混合式教学模式可以充分发挥网络教学的优势,共建和共享优秀教学资源,方便学生自学,同时又充分利用课堂教学中师生互动为主的教学模式,这样就可以大大提高教学质量,符合未来课程教学的发展趋势,对自动化专业人才培养与课程建设具有示范推广价值。

1 教学模式的改革与教学设计

1.1 课程教学中存在的问题

“过程控制与仪表”课程是自动化专业的核心主干课程,是为了培养学生过程控制工程设计能力与理论分析能力,它属于综合性的应用学科。结合多年的教学实践,提出课程改革亟需解决的四大类问题。一是课程学习“知识迁移力不足”问题;二是课堂教学“单向满堂灌”问题;三是系统控制器“设计抽象化”问题;四是课程考核“单纯评分化”问题。这四大类问题解决的关键就是教学方法由教向学、由教师为主向学生为主的转变,通过不断的教学设计与教学实践,具体实施以学生为中心的自主、深度学习以及知识迁移,最终实现课程教学目标的全面达成。

1.2 课程教学设计

1)确定课程的教学目标与知识模块

课程的教学目标应突出工程应用的要求,解决石油、化工、冶金等领域生产过程的自动化问题。将知识内容划分为6个单元,即绪论、过程建模、检测仪表、控制仪表、简单系统和复杂系统。其中后2个单元是教学的重点与难点,需要运用自动控制理论对系统进行分析、设计与仿真,同时利用实验学时与综合大作业进行具体工业控制问题的理论分析、设计与Matlab仿真以及现场调试等工作,从而考核学生对理论知识的掌握程度以及解决实际工程问题的能力与团队协作能力。

2)O2O教学模式

除了提供大量的线上教学资源外,更应注重各种教学活动,主要包括课程通知、课后作业、答疑讨论、在线测试、专题讨论、章节测验、课程问卷等活动。最后进行教学效果的评价和分析,全程记录与跟踪教学内容和学生反馈的学习过程、行为和效果,并进一步因材施教。

3)复杂工程问题

通过复杂工程问题的解决,使学生具有表达、分析和设计复杂工程问题的能力。在理论教学中,必须深入掌握过程控制的基本理论,经过分析与提炼,才能恰当表述、分析和解决过程控制系统问题,能够设计系统的总体方案、设备选型、控制器设计并完成调试,并能根据调试结果不断改善系统性能。在实验教学中,通过实验方案设计、系统搭建、控制器参数的工程整定、设备调试到现象分析等环节,培养学生灵活运用过程控制相关理论解决各种问题。

在理论与实验教学中,系统设计与调试过程涉及多方面的技术,如传感器技术、电子技术、自动控制技术、计算机仿真技术等。尤其在解决过程控制系统复杂工程问题时,还需要考虑多种约束因素,如所设计过程控制系统的使用领域、性价比、制作安装、实验安全等因素,同时这些技术和因素之间可能具有一定的矛盾或制约。

4)案例设计

工业案例的设计是为了提升学生的复合型工程应用能力,既要解决实际工程问题,又要体现科研必备的思维模式。比如热电厂锅炉控制系统在实现优质高产节能环保的控制目标时,设计了烟气系统、燃烧系统、汽水系统等多个控制子系统。可以将其对象特点、生产工艺原理以及各个控制子目标等的描述作为绪论部分的案例,指导学生明确实际的物理背景与工艺需求,培养学生从实践到理论的提升能力。把各系统的总体设计方案作为复杂过程控制系统的设计内容,而把其中的汽包水位控制系统作为仿真设计的典型案例,研究在各种扰动影响下的输出特性,并通过系统的分析与设计、算法编写、控制器参数整定等来培养学生的工程分析与设计能力。同时,通过对上述过程各环节的设问引导学生查阅资料、独立思考、团队讨论等,进而得到自己的答案,并给出相应的论证依据。

5)构建成果评价体系与持续改进

考核学生学习成果的目的不是为了分出优劣而是帮助学生发现、总结问题。课程的考核以考核培养目标的达成为主要目的,以检查学生对各种知识点的掌握情况和应用能力为重点,包括线上形成性考核和线下终结性考核两部分,二者三七开,加强过程性考核的力度。

2 具体实践与成效

课程学习在于使学生掌握过程控制系统分析、设计和投运调试的基础理论知识和工程应用方法。教学模式的改革重点就是从教向学、从被动学习向主动学习与深度学习的转变,从知识到能力素质的迁移。通过线上与线下混合式教学,实现课程内容深度化、内容讲授可视化、网络课堂差异化、实体课堂互动化、案例教学场景化、系统设计虚仿化,从而达成课程目标。

2.1 混合式课堂教学

教师在课堂中主要帮助学生答疑解惑、系统认知,并构建以“原理-方法-技术”为主线的工程思维,促进学生积极学习。为了打破沉默课堂并实现互动式、探究式学生中心课堂教学,借助BOPPPS(分别对应导入、目标、前测、参与、后测、总结)模式进行了教学设计(如图1所示),通过重难点的精讲、核心问题的互动讨论、思考题的自主探究以及认知模型的联系整合,实现高效互动的学生中心课堂教学。

图1 线上线下混合式课堂教学

在分组专题研讨课堂,对教材外的常用自动化仪表、控制器工程整定方法留给学生课下查阅文献、归纳整理或仿真研究,用于小班课堂分组展示、讨论分享成果,进而提高课程的广度与深度。

2.2 案例虚拟仿真

根据教师的横向课题研究方向与本专业的学情特点,以多变量强耦合的热电厂锅炉设备系统为典型案例,将课程的各知识点贯穿起来并自制了教学视频,又自行开发虚拟仿真软件用于课后开展有关控制器参数整定实验(如图2所示),使学生在动手实践中去深入思考与探究学习,动态观察不同控制器、过程模型对系统控制指标的影响,从而解决控制器设计过于抽象的教学难题,实现案例场景化。。为了提高案例教学的知识覆盖面与方案设计的比对效果,我们开发设计了单冲量、双冲量与三冲量汽包水位虚拟仿真控制系统,利用工业组态软件的交互监控画面与控制功能,实现了虚拟的系统工作动态画面、动态数据即时显示、过程模型与控制器的参数任意随时设定等。具体地,在三冲量控制方案中,实现了主对象与副对象的参数设定与显示,给定水位、蒸汽负荷扰动的预设与显示,主回路、副回路以及前馈控制参数的在线调整与显示,系统运行过程中水位升降的动画显示、实时变化曲线显示,阀门开度的动态显示以及水流动画效果等等。其中,主、副对象都用一阶惯性环节来表示,主、副调节器分别采用PID、PD控制规律,前馈调节器采用静态前馈加以补偿。从这三种控制方案的实际工作结果可以直观比较分析它们的控制效果,具体包括动态指标与稳态指标等。通过这种案例虚拟仿真方式,使控制器设计工作不再抽象而变得形象直观,深受学生们的欢迎与喜爱。同时,为了深入理解案例的工作原理,我们还制作了相应的教学视频,从控制原理的角度来分析这三种控制方案的工作机理、结构、特点及其解决的问题等,方便学生课下自主学习与深度学习。

图2 案例虚拟仿真实验教学

2.3 混合式自主学习与考评体系

凡是学生学习有困难的,教师要主动为学生搭建“脚手架”,设计有挑战但难度适中的学习任务,引导学生自主学习与深度学习。

1)自由讨论

在课前、课后通过线上发帖进行师生或生生间的自由互动讨论。

2)自主学习

开展视频学习、随堂测试、线上提交课后作业、专题讨论、单元测验及月考等线上教学活动,完成大作业、实验等线下教学活动。

大作业采用的是学生自主学习、互学互教的分组协作式学习方式,以及撰写报告与验收答辩的考核方式。在完成大作业的过程中,小组学生通过查阅文献,综合运用控制理论以解决复杂工程控制问题,形成“教”与“学”共同体并拓展至深度学习,乃至思维迁移发展,培养学生批判思维、创新思维等高阶能力,处理不确定性问题的能力,以及科技思维与表达能力。

3)学情预警

教师通过平台的学情预警功能,实时进行监督、警示以保证教学目标的达成。

为达成教学目标,针对以上各项学习活动,依次进行线上的视频学习、随堂测试、课后作业、专题讨论、自由讨论、单元测验、月考、案例教学等,以及线下的课堂讨论、课后思考、专题研讨、大作业、案例及其虚仿实验、课程实验、期末笔试等形式的考核(如图3所示),通过动态评价与同步反馈,形成课程闭环,实现由易到难、从知识到能力的递阶式迁移,渐进提升工程应用问题的实践能力,促进学习的不断螺旋式提升。其中大作业、案例、专题讨论、扩展阅读、课后思考题、专题研讨课堂、实验以及期末笔试等考核形式,引导学生深度学习,注重高阶能力的提高,体现课程“两性一度”的要求。

图3 线上线下递进式过程考核方式

2.4 课程建设成效

“过程控制及仪表”课程在近几年进行了上述的教学改革与实践探索,取得了一定的教学成效。课程团队通过每年的评价会和改进会,真正将评价结果用于课程的持续改进,构成了课程评价的闭环,实现了教学全过程有记录、可测量、可借鉴。改革成果内容丰富、理论和实践水平较高,学生的学习效果明显提升,学生对课程的参与度与满意度大增,充分确保了课程目标的全面达成,践行了“两性一度”要求,课程团队的教学能力与水平得到了整体提升,已应用于本校和其他同类理工科院校。

本课程在学银在线网站被推选为教学示范包,其教学设计也在校级创新大赛中获奖,在2019年、2021年分别获评省级精品在线开放课程、线上线下混合一流本科课程。本课程自2018年正式在学银在线上线以来,连续开设8期,截至目前已有8000多人选课,浏览量已达600多万人次,互动讨论已达4万余条,得到了全国近百所同类高校学生的高度认可。

3 结语

针对过程控制及仪表课程的混合式教学改革与探索,建立互动高效学生中心课堂范式,实现了案例教学的场景化与互动化,通过大作业形式综合考核了学生的综合应用能力,不断引导学生深度学习与积极学习,有效解决了由教向学的转变,体现了“两性一度”的要求,真正把学生作为学习的主体,提高学生的学习质量与效果,并为课程的精品建设提供强大的支撑与保障。