工程師教育模式在雙一流人才培養(yǎng)教學(xué)體系中的應(yīng)用研究

雒瑞森　王建　曾曉東　龔薇　楊曉梅　余勤　任品

【摘 要】在對田納西-伊斯曼過程（Tennessee Eastman）的故障檢測中，使用了基于主元分析（PCA）、核主元分析（KPCA）、獨立成分分析（ICA）、規(guī)范變量分析（CVA），以及層級組合方法，對該化工生產(chǎn)過程進行了故障診斷。向?qū)W生提供了“訓(xùn)練集”、“測試集”數(shù)據(jù)以及部分相關(guān)資料，并引導(dǎo)學(xué)生自行搜索更多文獻，鼓勵學(xué)生以小組為單位，分別探索，共同討論，從不同的角度觀察、分析問題，爭取以不同的方式解決問題，最終完成MATALB程序。學(xué)生們分別對整個生產(chǎn)過程在SIMULINK中建模，并在最后的討論中以PPT的形式進行展示、講解。討論課中，學(xué)生各抒己見，積極分享學(xué)習(xí)成果，加深了對自動控制原理的理解，增進了對控制系統(tǒng)建模和分析的能力。通過這些科學(xué)研究的簡化內(nèi)容，讓學(xué)生們了解到自己所學(xué)的知識可以用于解決工業(yè)過程中的典型問題，并通過查閱文獻，自主學(xué)習(xí)，對相關(guān)領(lǐng)域有了一定的了解，讓學(xué)生感到學(xué)有所成、學(xué)有所用，也為學(xué)生們?nèi)蘸髮ο嚓P(guān)領(lǐng)域的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】Tennessee Eastman過程；控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計課改；過程故障診斷

中圖分類號： U469.72；U467.52 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0258-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.124

0 引言

控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計作為自動化的專業(yè)必修課有著極其重要的意義，該課程教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生將理論學(xué)習(xí)與實驗結(jié)合起來，并初步掌握計算機仿真的基本理論、基本知識和基本技能，同時培養(yǎng)學(xué)生利用計算機對系統(tǒng)進行分析、設(shè)計和綜合研究的能力[1]。能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析具體的復(fù)雜自動化工程問題，以獲得有效結(jié)論。能夠針對具體的自動化工程問題，設(shè)計解決方案。所設(shè)計的方案可滿足特定的工程需求，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。

1 課程改革目的

過去的舊課程是以知識的傳授和技能的培養(yǎng)為主，而新課程老師除了要傳授知識和培養(yǎng)學(xué)生的技能，還要注重對學(xué)生的解決實際問題的能力進行培養(yǎng)，這種重大的轉(zhuǎn)變在課程改革中推進很艱難，本次改革嘗試轉(zhuǎn)變的觀念，制定并實施了課程的三維目標(biāo)培養(yǎng)。

本次改革意在構(gòu)建體現(xiàn)多樣化、探索性的課程結(jié)構(gòu)，打破舊的傳統(tǒng)課程背景下照本宣科，只注重理論基礎(chǔ)，忽視實踐能力的弊端；以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為宗旨，以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力為重點。具有從事自動化工程所需的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并可靈活、綜合應(yīng)用這些知識。能夠基于相關(guān)科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對具體自動化工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。能夠針對具體自動化工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。

2 以科研項目和討論課形式引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)

課堂教學(xué)師生互動、平等參與，注重學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)愿望和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。盡可能地組織學(xué)生運用合作、小組學(xué)習(xí)方式——兩人一組，在培養(yǎng)學(xué)生合作與交流能力的同時，積極調(diào)動每個學(xué)生的參與意識和學(xué)習(xí)積極性；課堂上經(jīng)常出現(xiàn)討論、交流和合作學(xué)習(xí)的場面。逐漸地，課堂呈現(xiàn)出了師生互動、生生互教互學(xué)的生動場景。學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性被激活，學(xué)習(xí)方式和思維方式發(fā)生了質(zhì)的飛躍，課堂不再只是知識的交流，課堂充滿生機和活力，學(xué)生多了思考的空間，教師成了學(xué)生學(xué)習(xí)中的伙伴、朋友。學(xué)習(xí)變成了一種交流、討論和對話，是一種真正意義上的探究式學(xué)習(xí)。在討論中，同學(xué)們在需求實現(xiàn)方法上有了很多突破，改進了泰勒級數(shù)法、積分法等多種方法。使得實驗結(jié)果越來越理想，這并不是某一個學(xué)生或者老師的成績，恰恰是大家積極探索的成果。

2.1 逼近π的值

在前一學(xué)期，在學(xué)生對本課程稍有理解，但知識儲備仍不太豐富的情況下，我以“逼近π的值”為討論課題目，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識，參考教材，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)工具自主學(xué)習(xí)，從而使用matlab軟件解決問題，最后總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗以及學(xué)習(xí)成果，且在討論課上進行展示并討論[2]。學(xué)生之前用matlab所做的題目都是課本上針對單一知識點的運用所出的問題，而此次討論課則引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度去解決問題，再將解決方法以代碼實現(xiàn)，并從算法復(fù)雜度以及結(jié)果精度各方面綜合評估學(xué)生所設(shè)計的方案，使學(xué)生在整個過程中不僅加深了對課本知識的理解程度，提高了運用能力，同時也培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、思考問題、解決問題的能力，更是讓學(xué)生首次感受到了綜合運用多個課程所學(xué)知識系統(tǒng)性地解決具體問題的快樂。從討論課的效果觀察到，學(xué)生對通過什么方式解決問題進行了各自的思考，也給出了不同的方案，例如泰勒級數(shù)法、積分法、蒙特卡洛法、割圓法、沃利斯公式法以及維達公式法等，盡管問題并不復(fù)雜，解決方式卻多種多樣，可以讓學(xué)生進行充分的思考，更重要的是，通過整個課程，在學(xué)生們的心埋下了求知的種子，為今后的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真

對于自動化本科學(xué)生而言，各種閉環(huán)控制系統(tǒng)是其學(xué)習(xí)重點，而本課程的一大重要使命即是讓學(xué)生學(xué)會使用matlab對在其他課程的學(xué)習(xí)過程中遇到的典型系統(tǒng)進行仿真，因此，在第二個學(xué)期的學(xué)習(xí)過程中，我以“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真”為題，旨在培養(yǎng)學(xué)生對多門課程知識的綜合應(yīng)用能力以及系統(tǒng)化思維能力，也讓學(xué)生在驗證所學(xué)知識的同時，加深對相關(guān)知識的理解，提高對知識的運用能力[3]。

本次討論課需要學(xué)生綜合運用控制系統(tǒng)CAD、運動控制系統(tǒng)以及過程控制相關(guān)知識，通過所給的系統(tǒng)過程以及相關(guān)數(shù)據(jù)，建立仿真模型，并通過對所學(xué)的各種方法做出選擇，對控制器參數(shù)進行整定，最終得到理想的控制效果[3-4]。在教學(xué)過程中，我發(fā)現(xiàn)同學(xué)們對這類實際問題很感興趣，同時也引導(dǎo)學(xué)生對該系統(tǒng)的各個過程、抗擾性能進行討論，并與其他控制系統(tǒng)進行比較，討論雙閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，并且與實際工業(yè)過程相結(jié)合，討論系統(tǒng)的適用環(huán)境，讓學(xué)生在使用所學(xué)知識的過程中，加深理解，得出自己的感悟，也讓學(xué)生學(xué)會站在工程的角度評估系統(tǒng)，而不僅僅局限于課本結(jié)論。

2.3 “田納西-伊斯曼過程”的故障診斷

在完成了兩個學(xué)期的教學(xué)任務(wù)后，為了進一步提高學(xué)生的自學(xué)能力，以及對本課程理論知識的綜合應(yīng)用能力，我以“故障檢測”作為本課程的最后一次討論課題目，向?qū)W生介紹了田納西-伊斯曼過程（Tennessee Eastman），同時提供了“訓(xùn)練集”、“測試集”數(shù)據(jù)以及部分相關(guān)論文，并引導(dǎo)學(xué)生自行搜索更多文獻，鼓勵學(xué)生以小組為單位，分別探索，共同討論，從不同的角度觀察、分析問題，爭取以不同的方式解決問題，最終完成matlab程序。

最后，各組學(xué)生通過課堂教學(xué)引導(dǎo)，課下自主學(xué)習(xí)，以及助教統(tǒng)一答疑，最終完成了本次討論課的題目要求。學(xué)生們分別使用了基于主元分析（PCA）、核主元分析（KPCA）、獨立成分分析（ICA）、規(guī)范變量分析（CVA）等方法，或是為了得到更好的檢測效果而將其中的幾種配合使用，并在最后的討論中以PPT的形式進行展示、講解，課上，學(xué)生各抒己見，積極分享學(xué)習(xí)成果。通過該次討論課，學(xué)生們了解到自己所學(xué)的知識可以用于解決工業(yè)過程中的典型問題，并通過查閱文獻，自主學(xué)習(xí)，對相關(guān)領(lǐng)域有了一定的了解，讓學(xué)生感到學(xué)有所成、學(xué)有所用，也為學(xué)生們?nèi)蘸髮ο嚓P(guān)領(lǐng)域的深入研究奠定了基礎(chǔ)。通過某種方法，構(gòu)造出一個SPE統(tǒng)計量，它在數(shù)據(jù)正常情況下將會維持在一個比較低的水平，當(dāng)數(shù)據(jù)異常（出現(xiàn)故障）時，我們會發(fā)現(xiàn)此統(tǒng)計量的值明顯升高。由此，可以通過判斷此統(tǒng)計量是否超過某一閾值（紅線）來判斷故障是否發(fā)生。

3 課改成績收獲簡述

3.1 課堂教學(xué)模式的變化

在這次課改實驗過程中，以學(xué)生發(fā)展的促進者、引導(dǎo)者、“平等中的首席”的身份，努力創(chuàng)建學(xué)生自主、合作、探究的快樂學(xué)習(xí)的新型課堂教學(xué)機制。為了培養(yǎng)學(xué)生具有靈活自主的能力，我們盡力設(shè)置靈活多樣的教學(xué)活動，對自動控制原理的課堂內(nèi)容進行實踐和豐富，讓學(xué)生們在自主、合作、探究的快樂學(xué)習(xí)中快樂成長。

3.2 知識由課內(nèi)延伸到課外

在布置作業(yè)、組織綜合實踐等方面也都緊緊圍繞新課標(biāo)靈活實施。因此，學(xué)生們在教師的引導(dǎo)下，課外的延伸學(xué)習(xí)也同樣是積極、自主、合作、探究的快樂學(xué)習(xí)。

3.3 教學(xué)反饋

在課下與學(xué)生的交流中，學(xué)生表示，在討論課中收獲最大的就是對于資料的選取與閱讀能力有著顯著提升。在接收到實驗的具體要求的時候，或許有一種無從下手的感覺。無論是從資料的查詢，還是實驗的具體細節(jié)。在經(jīng)過老師的指點之后，開始有了一些淺薄的思考。在一點點地閱讀資料時，學(xué)生慢慢能夠理解程序代碼中蘊含的思想。然后在與同學(xué)的交流過程中，學(xué)生對于各種方法的理解又深了一層。例如PCA方法的優(yōu)越就是在于降階分析。雖然在選取主元的時候會丟失數(shù)據(jù)，但是階次越低，分析方法就越簡單且多樣。在學(xué)生學(xué)過的所有課程中，強調(diào)的都是把高階系統(tǒng)擬合為低階系統(tǒng)以便分析，PCA方法正是契合了這種思想。但因為其對于主元有所取舍，數(shù)據(jù)信息的丟失也是必然的，設(shè)計的貢獻率雖然不是全部信息，但能夠代表主要數(shù)據(jù)。在如今的大數(shù)據(jù)時代，自動選取主要信息愈發(fā)重要。由此可見，通過討論課的形式進行教學(xué)，的確可以讓學(xué)生學(xué)有所思，思有所得。

4 結(jié)論

在課堂上我們想盡辦法提高教學(xué)質(zhì)量，而這最終將以學(xué)生情感的共鳴，知識、技能的掌握作為評價依據(jù)。通過對新課程的研究和實驗，會促進學(xué)習(xí)相關(guān)的教育理論、教改經(jīng)驗，幫助教學(xué)觀念和教學(xué)行為的轉(zhuǎn)變。

（1）實現(xiàn)了師生關(guān)系的轉(zhuǎn)變。

（2）實現(xiàn)了由“傳授”到“指導(dǎo)”的轉(zhuǎn)變。

（3）對教學(xué)過程的設(shè)計發(fā)生變化。

增進對學(xué)生已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗的掌握，從學(xué)生的認知特點和實際接受水平出發(fā)，靈活地處理教材，拿出符合學(xué)生知識和心理需求的教學(xué)設(shè)計。體現(xiàn)了三維目標(biāo)意識、合作意識、情境意識和評價意識；情境教學(xué)實驗的合作學(xué)習(xí)方式確實能使學(xué)生思維活躍，發(fā)言積極，能提出問題、收集資料，學(xué)會利用多種手段，通過多種途徑獲取信息的方法，確實提高了學(xué)生的獨立學(xué)習(xí)能力。

總之，新課改是一項十分艱巨工作，在實施過程中既獲得了成功的體驗，又遇到了許多困難，只有加強教學(xué)科研，創(chuàng)造性的實施新課程，才能肩負起時代賦予我們的責(zé)任。我們希望這是一場全新的改革，做到一步一個腳印，追求教育教學(xué)真實的面貌，取得實質(zhì)性的成功。

【參考文獻】

[1]林峰.“MATLAB與系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報.2015，37（3）：12.

[2]王海英，袁麗英，吳勃.控制系統(tǒng)的MATLAB仿真與設(shè)計[M].第一版.北京：高等教育出版社，2009.

[3]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M].第四版，北京：機械工業(yè)出版社，2009：59-89.