基于問題與任務(wù)導(dǎo)向理念的過程控制課程教學(xué)改革

周嘵玲,李 靜

(桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動化學(xué)院,廣西桂林,541004)

一、引言

2018年,《關(guān)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(chǎn)業(yè)所對應(yīng)的專業(yè),例如智能制造這一類與人工智能相關(guān)的新專業(yè),也包括對傳統(tǒng)工科專業(yè)的改造。人社部預(yù)測,2020年我國智能制造領(lǐng)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(shù)人才緊缺的現(xiàn)狀下的必然產(chǎn)物。

與傳統(tǒng)工科相比,“新工科”強(qiáng)調(diào)技能的創(chuàng)新與實踐,強(qiáng)調(diào)各專業(yè)的交叉融合。在新工科背景下,我國對人才的培養(yǎng)要求更多傾向于實踐、創(chuàng)新能力的塑造。[3-5]我國向來重視自動化專業(yè)的發(fā)展及人才培養(yǎng),自動化專業(yè)學(xué)科在航空航天、電力、石油化工、建材及醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用,因此,適應(yīng)新工科背景對自動化專業(yè)教學(xué)改革尤為重要。自動化專業(yè)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(jī)控制等控制相關(guān)課程。其中,過程控制是一門與實際生產(chǎn)過程(主要是大型石油化工、各大制造業(yè)等具有連續(xù)批量生產(chǎn)或特定的生產(chǎn)過程)緊密聯(lián)系的綜合運用型課程,其主要任務(wù)是指導(dǎo)學(xué)生掌握生產(chǎn)過程中常用的控制系統(tǒng)組成原理、結(jié)構(gòu)特點與相關(guān)檢測及控制儀表的使用方法等,培養(yǎng)學(xué)生具備完成生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計的能力。因此,培養(yǎng)專業(yè)的過程控制領(lǐng)域人才,對我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要。[6-8]

過程控制課程是桂林航天工業(yè)學(xué)院(以下簡稱我校)自動化專業(yè)的核心專業(yè)課,其實踐性和應(yīng)用性強(qiáng),課程目標(biāo)是面向自動化專業(yè)中工業(yè)自動化方向的學(xué)生講授過程控制相關(guān)理論知識、典型應(yīng)用及其在工業(yè)控制、生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的重要作用。通過過程控制課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)該掌握以下能力:單容和雙容過程控制對象的數(shù)學(xué)建模;根據(jù)檢測儀表、控制儀表和執(zhí)行器特性,對實驗結(jié)果進(jìn)行分析與校驗并獲得有效結(jié)論;能夠?qū)位芈房刂葡到y(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計與參數(shù)正定;能夠初步分析及選用先進(jìn)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(yè)開設(shè)的過程控制課程課時數(shù)為64學(xué)時,其中理論部分48學(xué)時,實驗16學(xué)時。充足的學(xué)時為理論和實踐教學(xué)提供了良好的基礎(chǔ),但也存在學(xué)時過長帶來的學(xué)習(xí)倦怠、學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)興趣引導(dǎo)和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。因此,本文將針對上述問題,設(shè)計基于問題與任務(wù)導(dǎo)向的教學(xué)改革措施。

二、問題

我校過程控制課程是為自動化專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的專業(yè)課,在此之前,學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了傳感與檢測技術(shù)、計算機(jī)控制、自動控制原理等課程。過程控制課程的教學(xué)目標(biāo)是綜合運用上述專業(yè)課程知識設(shè)計生產(chǎn)過程控制系統(tǒng),其授課內(nèi)容較為復(fù)雜煩瑣,傳統(tǒng)的純講授式課程教學(xué)難以實現(xiàn)課程目標(biāo),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(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)及自動控制原理等知識,其課程章節(jié)內(nèi)容一般是先介紹自控原理基礎(chǔ)知識,再介紹檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu),然后進(jìn)入控制系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)理論、計算機(jī)控制系統(tǒng)等。課程章節(jié)與章節(jié)之間內(nèi)容跨度比較大,容易在教學(xué)中后期出現(xiàn)課程學(xué)習(xí)知識斷層現(xiàn)象。例如,在學(xué)習(xí)第5章對象建模時,由于時間跨度大,學(xué)生在結(jié)束此章的學(xué)習(xí)時很可能忘記最開始學(xué)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制儀表的相關(guān)特性;在學(xué)習(xí)第7章復(fù)雜控制系統(tǒng)時,學(xué)生可能會忘記之前控制律和控制器參數(shù)整定的內(nèi)容。

(二)缺乏師生互動溝通

缺乏師生互動直接導(dǎo)致教師無法有效掌握教學(xué)效果實際情況。由于課程內(nèi)容較多,要在48學(xué)時的理論課堂內(nèi)實現(xiàn)知識點講授的面面俱到,同時兼顧總結(jié)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(xué)效率,而且會因為知識鋪開面太廣,學(xué)生難以深入理解相關(guān)知識點,學(xué)習(xí)缺少重點和方向。

(三)學(xué)生被動學(xué)習(xí)

過程控制課程專業(yè)綜合知識較多,純講授式的教學(xué)容易導(dǎo)致學(xué)生只能被動式聽講,對課程內(nèi)容的掌握程度較淺,缺乏自主分析能力。這與當(dāng)前新工科背景要求培養(yǎng)“具有寬闊視野,創(chuàng)新能力和實踐能力的復(fù)合型人才”的目標(biāo)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(diào)動學(xué)生積極性出發(fā),以問題與任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)理念為指導(dǎo),從理論教學(xué)和實驗教學(xué)設(shè)計兩方面提出相應(yīng)的措施。

三、問題與任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)理念

問題導(dǎo)向教學(xué)理念最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域,要求學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識解決生活中的問題,為未來的職業(yè)生涯打基礎(chǔ)。該理念指導(dǎo)下的教學(xué)特點就是將自主權(quán)下放給學(xué)生,教師拋出與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實際應(yīng)用問題,學(xué)生以小組為單位,解決問題。任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)理念是在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)理念,其旨在引導(dǎo)學(xué)生帶著真實的任務(wù)在探索中學(xué)習(xí),通過使學(xué)生不斷地獲得成就感激發(fā)學(xué)生的求知欲。該理念指導(dǎo)下的教學(xué)最開始被應(yīng)用于語言教學(xué)領(lǐng)域,之后逐漸被其他教學(xué)領(lǐng)域引進(jìn)。

以問題與任務(wù)為導(dǎo)向的教學(xué)理念,從根本上來說,是一種將教學(xué)過程、學(xué)習(xí)內(nèi)容拆解,引導(dǎo)學(xué)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(xué)中,引入這些理念設(shè)計相關(guān)教學(xué)活動,可有效化解過程控制課程學(xué)習(xí)內(nèi)容復(fù)雜煩瑣、學(xué)時過長導(dǎo)致的學(xué)習(xí)懈怠問題。同時,以問題與任務(wù)為導(dǎo)向的教學(xué)活動有利于工程系統(tǒng)設(shè)計思想的形成,從而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和解決問題能力的目的。

四、教學(xué)設(shè)計

(一)框架

問題與任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)理念的具體落實應(yīng)以師生討論為載體,以任務(wù)設(shè)計為引線,以解決問題為動力,以學(xué)生自主和分組協(xié)作相結(jié)合為具體實施方式。本文針對過程控制課程特點,以學(xué)生分組為切入點設(shè)計教學(xué)活動,具體的實現(xiàn)框架如圖1所示。教學(xué)框架的設(shè)計分為教師視角和學(xué)生視角。

圖1 問題與任務(wù)導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計框架

1.教師視角

教師主要有三大模塊的教學(xué)活動。第一,分配任務(wù)。我校過程控制課程理論授課,包括緒論、檢測與控制儀表、執(zhí)行器、被控過程數(shù)學(xué)建模、簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)過程控制系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)實例等內(nèi)容。從教學(xué)內(nèi)容上分析,前五章的學(xué)習(xí)都是為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計,這是一條隱藏的任務(wù)主線。因此,教師在第一堂課時可羅列各章知識點的關(guān)系,布置面向生產(chǎn)過程的過程控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù),任務(wù)需圍繞過程控制常見生產(chǎn)對象的控制設(shè)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(yīng)了典型控制系統(tǒng)的檢測、控制、執(zhí)行、對象等環(huán)節(jié),是一個漸進(jìn)的層次結(jié)構(gòu)。因此,教師可結(jié)合每堂課的授課內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生分解所領(lǐng)取的任務(wù)。例如,在講授檢測儀表時,教師可以引導(dǎo)學(xué)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(chǎn)過程對檢測設(shè)備是否有特殊要求?這就是針對具體任務(wù),分解問題的過程。第三,更新課堂內(nèi)容。在每堂課的開始階段,教師可以預(yù)留15分鐘時間進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂活動,讓各小組快速匯報任務(wù)進(jìn)展并討論,以此集中學(xué)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(xué)生逐步了解各章節(jié)知識體系之間的聯(lián)系并形成系統(tǒng)的工程設(shè)計思想。教師根據(jù)學(xué)生匯報的內(nèi)容,了解學(xué)生問題解決的情況,并據(jù)此更新下一堂課的內(nèi)容設(shè)計,從而提高教學(xué)效率。

2. 學(xué)生視角

學(xué)生主要有三大模塊的學(xué)習(xí)活動。第一,組成小組,領(lǐng)取設(shè)計任務(wù)。在第一堂課,學(xué)生自發(fā)尋找組員,組成任務(wù)小組,并根據(jù)教師所羅列的知識結(jié)構(gòu),了解設(shè)計任務(wù)。第二,問題分解。各小組根據(jù)所領(lǐng)取的任務(wù),跟隨教師的分析,尋找完成任務(wù)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(wù)中,對教師所提水位檢測問題、儀表選擇問題等進(jìn)行記錄,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘是否有更為細(xì)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(xué)生帶著問題上課,并將上課過程中產(chǎn)生的思維火花記錄下來,課后及時進(jìn)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(wù)完成情況。

上述以問題和任務(wù)為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計,充分發(fā)揮了教師的引導(dǎo)作用,讓學(xué)生感覺到自己作為學(xué)習(xí)主體的快樂。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)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(huán)。

(二)問題導(dǎo)向的實驗設(shè)計

過程控制是一門具有較強(qiáng)實踐性與應(yīng)用性的課程,在充足的理論教育的基礎(chǔ)上,實驗教學(xué)對于課程內(nèi)容的進(jìn)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(tǒng)實驗平臺,可對水箱液位、鍋爐加熱、盤管流量等典型生產(chǎn)過程進(jìn)行閉環(huán)回路控制、串級控制、比值控制、滯后控制等。常規(guī)驗證型實驗容易出現(xiàn)學(xué)生按部就班、不理解實驗?zāi)康牡膯栴}。為改善上述情況,我校推行了問題導(dǎo)向的實驗設(shè)計,教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,學(xué)生帶著問題做實驗,探索問題結(jié)果,最終解決問題。具體實驗教學(xué)活動框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。我校過程控制實驗課共16個學(xué)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(nèi)膽溫度特性測試、鍋爐內(nèi)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(nèi)容涵蓋理論教學(xué)中的對象數(shù)學(xué)建模、簡單閉環(huán)控制、串級控制、比值控制和純滯后控制等內(nèi)容。

圖2 問題導(dǎo)向的實驗教學(xué)設(shè)計框架

問題導(dǎo)向的實驗教學(xué)活動設(shè)計具體如下。第一,理論課結(jié)束后,教師引導(dǎo)學(xué)生將8個實驗內(nèi)容與課本上各章知識點進(jìn)行一一對應(yīng),讓學(xué)生認(rèn)識到教學(xué)活動的目的。第二,教師根據(jù)各實驗小組的學(xué)習(xí)能力發(fā)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(zhàn)問題、解決問題,獲得成就感。需要注意的是,實驗任務(wù)不能脫離實驗本身,應(yīng)基于理論課的內(nèi)容,否則容易打擊學(xué)生的課堂積極性。

例如,單容水箱液位控制實驗,基礎(chǔ)實驗提供完成單容水箱液位控制所需接線及調(diào)試步驟,學(xué)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(dāng)前控制器能否回到原始穩(wěn)態(tài)。

3.如果不能穩(wěn)定在某一液位,是什么原因?

4.具體解決辦法是什么?

相應(yīng)地,實驗考核指標(biāo)為:完成基礎(chǔ)驗證性實驗,合格;完成問題1,說明進(jìn)行了一定的實驗觀察,中等;完成問題1—3,說明進(jìn)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(chǔ)上,具備動手解決問題的能力,優(yōu)秀。

第三,問題總結(jié)和討論,在問題導(dǎo)向的實驗活動中,大部分學(xué)生可以在完成基礎(chǔ)實驗的調(diào)試過程中,專注于控制系統(tǒng)是如何達(dá)到穩(wěn)態(tài)的,并探究控制器、對象、控制結(jié)構(gòu)三者之間的關(guān)系,并有強(qiáng)烈的欲望想獲得正確的答案。因此,實驗最后,教師應(yīng)留小部分時間組織學(xué)生進(jìn)行問題總結(jié)和討論。各小組交流實驗過程中所發(fā)現(xiàn)的問題和所采用的解決策略,產(chǎn)生思維火花的碰撞,理論課的所學(xué)知識也會在這個過程中得以融會貫通,從而讓學(xué)生更好地理解控制系統(tǒng)設(shè)計過程。

五、成效

我校在推行一學(xué)期上述理論教學(xué)和實驗教學(xué)活動設(shè)計后,在理論教學(xué)和實驗教學(xué)上均取得了一定成效。

(一)理論課

從出勤上看,學(xué)生到課率超過95%,學(xué)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(nèi)容提出自己疑問的學(xué)生數(shù)量明顯增多,說明學(xué)生具有明顯的主動學(xué)習(xí)意愿;從完成作業(yè)的情況來看,課后習(xí)題完成的正確率有明顯提高,學(xué)生都能按時完成作業(yè);從小組完成所發(fā)布的生產(chǎn)過程控制任務(wù)來看,各小組基本上順利完成了控制系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計及控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析的全過程,有個別小組還在原有任務(wù)基礎(chǔ)之上拓展了關(guān)于控制策略的進(jìn)一步討論?？梢?基于任務(wù)與問題導(dǎo)向的教學(xué)活動設(shè)計顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,且使學(xué)生基本具備了工程實際系統(tǒng)設(shè)計理念。另外,在該任務(wù)的引導(dǎo)下,學(xué)生期末考試的及格率達(dá)到了96.77%,成績有明顯提高。

(二)實驗教學(xué)

所有學(xué)生全勤參加所有實驗課程,各小組積極完成實驗任務(wù),基礎(chǔ)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(fā)。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(xiàn)象,并加以分析,個別能力較強(qiáng)的小組能夠應(yīng)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(xiàn)控制時,由于實驗對象是純滯后對象,流量的輸出曲線動態(tài)偏差較大,有部分學(xué)生嘗試記錄盤管流量的開環(huán)狀態(tài)下的階躍響應(yīng)曲線,基于階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)對盤管建模,構(gòu)建Smith預(yù)估控制器,改進(jìn)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(yīng)用到實驗分析中的現(xiàn)象,充分反映了問題導(dǎo)向的實驗教學(xué)活動能較好地提高學(xué)生的探索實踐能力。

六、結(jié)語

過程控制課程是自動化專業(yè)的核心專業(yè)課,課程內(nèi)容應(yīng)用性和實踐性均較強(qiáng),理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成。針對過程控制課程教學(xué)過程形式單一、教學(xué)內(nèi)容煩瑣復(fù)雜等問題,本文提出了問題與任務(wù)導(dǎo)向的理論教學(xué)設(shè)計和實驗教學(xué)設(shè)計活動,以教師為主導(dǎo)設(shè)計整個課堂,以學(xué)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(wù)完成,引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)散思維、積極討論,碰撞思維火花,做到課程內(nèi)容講完,學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)做完。問題與任務(wù)導(dǎo)向的理論教學(xué)活動拆解過程控制課程的教學(xué)過程、學(xué)習(xí)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生以主人翁的角色建立知識體系,幫助學(xué)生樹立系統(tǒng)工程設(shè)計理念,具備自主學(xué)習(xí)、解決問題的能力,有助于進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探索實踐能力。將問題與任務(wù)導(dǎo)向理念引入過程控制教學(xué),符合“新工科”對學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求。