基于OBE的《工業過程高級控制》案例庫建設要點剖析

劉曉玉

摘要：本文探討采用OBE（成果導向）模式開展控制工程專業課程《工業過程高級控制》案例庫建設的若干要點，包括從控制工程專業培養成果出發的課程教學成果的界定、案例庫素材的選擇、設問環節的設計以及案例庫的實施等。

關鍵詞：OBE；案例庫；專業碩士；控制工程；工業過程高級控制

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）33-0037-02

《工業過程高級控制》是控制工程專業碩士的必修課，主要講授對流程工業中的各種過程參量的控制。依據具體生產工藝和工況條件的不同，過程對象的特性及相應采用的控制方法各異[1]。由此，該課程的特點是內容繁雜，且對學生理論基礎及綜合實踐能力均要求較高。目前，控制工程專業碩士分全日制和非全日制兩種。其中全日制生源多為應屆畢業生，普遍缺乏對工業領域的感性認識；非全日制碩士多來自工礦企業，實踐經驗豐富，但理論知識偏薄弱；其共性則為獨立科研能力的不足。引入案例教學，將過程控制理論知識從實際生產中引出，又運用到實際生產中，有利于兼顧兩類專業碩士對該課程的學習需求，從而改善課程教學效果。但僅以提升單門課程教學效果為目的的案例庫建設實屬狹隘。采用OBE（成果導向）思想，從專業碩士培養的最終成果出發，以能力培養為目的的課程案例庫建設則更有意義。OBE教學模式是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式。目前很多高校都開展了OBE教學模式下的單科課程或課程群的教學改革研究與實踐[2，3]，但對OBE模式下有關課程案例庫建設的研究則較少。本文即探討OBE模式在控制工程專業碩士課程《工業過程高級控制》案例庫建設中的應用要點。

一、《工業過程高級控制》案例庫建設成果的界定

若以OBE模式開展《工業過程高級控制》案例庫建設，首先需要分析授課對象——控制工程專業碩士的培養出口。控制工程專業培養的是智能控制技術、自動控制與自動化裝置、過程控制與優化、智能檢測與信息處理等方面的應用型、復合型高層次工程技術和管理人才[4]。由此，對于該專業主干課程之一《工業過程高級控制》教學成果，乃至案例庫建設成果的界定，除學生對課程內容的掌握外，還應包括學生在“應用型”“復合型”“高層次”等方面能力的提升。其中，結合課程特點，“應用型”能力具體為學生對過程控制理論從實踐中來到實踐中去的應用能力；“復合型”能力表現為學生運用自己的知識體系和技能獨立或集體完成針對具體過程控制任務的綜合設計能力；“高層次”能力則為針對復雜工業環境下控制系統的新任務和高要求開展研究，提出創新性技術和理論的能力。

二、《工業過程高級控制》案例庫素材的選擇

工業過程的案例很多，比如熱電廠的鍋爐系統，為實現優質高產、節能環保的生產目標，會涵蓋燃燒系統、汽水系統、煙氣系統等多個相互有關聯的過程控制系統。從提升學生應用型、復合型、高能力的角度出發，對這些案例要精心挑選和設計。其中，既要包含體現實際工程研發過程的案例，又要有反映開展科學研究所需思路模式的案例[5]。例如，可將對鍋爐生產工藝、控制目標和過程對象特點等的介紹作為課程概述部分的案例，引導學生從實際出發，訓練其從實踐中提煉理論的能力。又比如，可設計以鍋爐汽包水位系統為背景的仿真案例，在預設的鍋爐蒸汽流量波動、進水流量波動、“假水位”等模擬工況下實現對鍋爐汽包水位的控制。此案例要求學生在學習完單回路控制、串級控制等理論知識后獨立完成系統設計和仿真實驗，從而提升學生的系統分析、設計、算法軟件編寫、控制參數調試等復合型能力。再比如，針對環境和被控對象復雜性所涌現的各種高級過程控制方法，在實際應用中尚需推廣，故實用案例偏少，這些文獻資料便可作為案例庫素材，而且此類素材的科研特性明顯。在對此類案例素材的整理和設計中，應突出科研工作中對實際工程問題的提煉、綜述、分析、解決、驗證和總結等基本邏輯節點，并強調科學、規范的表述方法的重要性，從而通過此類案例的教學引導學生走上科學研究之路。

三、《工業過程高級控制》案例庫設問環節的設計

案例庫建設并非只是案例的簡單羅列。在案例庫中加入設問環節，適宜地引導學生主動思考，激發其主動性和創造性，是比教會學生一兩點知識更有意義的事情。具體到《工業過程高級控制》案例庫的設計，當前的教學大多只以案例作為理論教學的輔助素材，使學生形成此控制問題的解決方案“必然如此”的思維定式。但實際的過程控制工程，即便控制問題相同，所采用的控制方法也會因解決思路的差異、實際工況和硬件條件等的限制而千差萬別，需要設計者靈活應變。故在OBE模式下，從培養學生研究能力的角度出發，將實際的工程案例作為教學案例時，除對案例本身的陳述外，還可在對案例問題的分析、控制目標和控制難點的明確，以及隨后的控制變量和控制方案的選擇、驗證乃至最終確定等各個環節設問，引導學生通過查閱資料、獨立思考、團隊討論等給出自己的答案，而非簡單接納老師給出的“標準”答案。而且答案并非唯一，正如實際的控制系統千差萬別。即便給出參考答案，也最好同時給出可能的其他思路。比如，針對大延遲系統控制，除了Smith預估補償方法，預測控制同樣在做預估，能否用于同樣的案例呢？如果可以，兩種方法優劣如何？各自適用場景有區別否？研究思路間有否互為借鑒之處？如此開放性的設問沒有標準答案的案例，方可真正激勵學生的發散思維和創新精神，從而通過課程教學助其成為“高層次”人才。

四、《工業過程高級控制》案例庫的實施

以能力培養為目標，案例庫建設中實施環節的設計必不可少。相比靜態的案例文本，案例的實施是動態的，需要課堂上教師和學生的互動來完成。盡管每屆上課的學生基礎相當，教學內容變化不大，又有案例教學來使抽象的理論內容生動化，但在案例實施中仍可結合當代時事，從學生的身邊事引入話題，從而首先將學生的學習激情和關注力調動起來。比如，在介紹神經網絡理論及其在過程控制領域的應用時，教師可從機器人AlphaGo戰勝圍棋大師李世石的故事開始，略過其中復雜的深度神經網絡理論，僅強調神經網絡的自學習、自適應能力，然后引出同樣具有自學習、自適應能力的基礎神經網絡，以及如何利用基礎神經網絡的這些優點解決實際過程控制的案例，最后反問學生深度神經網絡為什么目前這么火？能否利用該技術解決過程控制中的哪些問題？由此激發學生去關注科學前沿，并時刻注意新理論和新技術與自己專業的聯系，為其在課程學習后開展科學研究與實踐活動進行啟蒙教育。教師在案例教學中的精心設計和實施，還需學生的主動配合。一方面要求教師的引導和鼓勵，營造輕松的討論氛圍，一方面則要求學生積極主動的思考，并能大膽提出自己的想法或困惑。無論是想法還是困惑，都是對案例教學效果的反饋，案例設置的廣度和深度是否合適，學生的接受程度如何，學生的能力和科研意識是否由此有所提高，這些都是在案例實施后需要總結的經驗，有必要記錄在案，以供后期案例庫內容和形式的調整。此乃案例庫實施動態性的另一層含義。案例庫通過實施、反饋而來的不斷改進和完善，使學生在理論研究和實際應用等方面的能力得以提升。

五、結束語

本文以控制工程專業碩士課程《工業過程高級控制》案例庫建設為背景，針對目前該專業學生在理論、應用及研究等方面能力的不足，以及案例庫僅用于輔助理論教學、未能在學生培養能力上充分發揮作用等問題，提出采用OBE模式開展課程案例庫建設的思路。并就應用型、復合型高層次控制類人才培養目標，以及以該目標為導向的案例素材選擇、案例設問及實施環節的設計等要點，對《工業過程高級控制》案例庫建設中的具體措施進行探討并給出相關示例。

參考文獻：

[1]方康玲.過程控制及其MATLAB實現（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2013.

[2]宋躍，余熾業，胡勝等.基于OBE的嵌入式測控技術課程群建設與探索[J].實驗室研究與探索，2016，（6）：208-210，283.

[3]柏晶，謝幼如，李偉等.“互聯網+”時代基于OBE理念的在線開放課程資源結構模型研究[J].中國電化教育，2017，（1）：64-70.

[4]鄭永斌，張明，李春等.控制工程領域專業學位碩士研究生課程體系改革研究[J].高等教育研究學報，2015，（3）：94-98.

[5]白建峰，顧衛華，莊緒寧等.研究生課程環境工程微生物學教學案例庫建設探討[J].教育教學論壇，2016，（48）：235-236.