“工業(yè)過程控制”精品課程建設與教學模式探究

韓云濤 彭秀艷 魏延輝

摘? ? ?要：文章結合“工業(yè)過程控制”課程教學實踐，通過研究基于PPT+MOOC形式的“線上線下”混合式教學對課堂教學進行教學改革，并根據(jù)課程內容與工程應用聯(lián)系緊密等特點，將“模塊化”“可視化”“虛擬現(xiàn)實化”等設計方法融入課程教學中，以滿足混合式教學及翻轉課堂的需要，持續(xù)推進精品課程建設，培養(yǎng)高素質的研究應用型人才。

關鍵詞：精品課程;教學模式;工業(yè)過程控制

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2020）08-0038-02

自動化專業(yè)作為知識涵蓋面廣、技術通用性強的專業(yè)，在我國理工類院校都是重要的學科專業(yè)方向。“工業(yè)過程控制”是自動化領域的重要分支，可應用于石油、化工、船舶、核能、電力等工業(yè)生產中。“工業(yè)過程控制”課程的學習，要求學生具備一系列基礎理論知識和專業(yè)基礎知識，課程本身涉及知識面廣、難度大，而且直接面對工程問題，因而傳統(tǒng)教學模式下的教學效果不盡如人意，有待提高。因此，如何提升教學質量，如何讓學生真正掌握工業(yè)過程控制系統(tǒng)分析、設計、實現(xiàn)方法，是進行課程教學改革的重要研究內容。

一流本科教育、一流人才培養(yǎng)已成為學校的根本任務，在新形勢下對課程建設提出了更高要求[1-2]。各高校也將課程改革的新思路、新方法不斷應用于本科課程教學當中，例如，虛擬實驗操作模式[3]、模塊化翻轉課堂[4-5] 、OBE教學模式等都在教學中取得了良好的效果[6]。哈爾濱工程大學的“工業(yè)過程控制”課程作為自動化專業(yè)的專業(yè)核心課程，授課教師也積極進行課程改革的探索與實踐，開展“線上—線下”混合式教學，努力建設適應新時代要求的精品課程。

一、“工業(yè)過程控制”課程建設現(xiàn)狀

（一）出版教材，同步建設MOOC

通過校級品牌課程立項，“工業(yè)過程控制”課程的授課教師編寫課程教材并在高等教育出版社出版，同時建設與教材配套的MOOC。MOOC完成后，在“中國大學MOOC”“智慧樹”和“學銀在線”三個平臺上線。校內SPOC教學資源面向2017級校內11個班級335名自動化專業(yè)學生授課，線上MOOC累計參加學習的學生人數(shù)已超過1萬人次。在校內教學中，將MOOC資源作為混合式教學和翻轉課堂的素材，要求學生課前利用已經發(fā)布的視頻進行預習，通過課堂講授使學生能夠充分掌握難點和重點，部分授課內容采用翻轉課堂的形式，積極引導學生在課上進行討論和研討，課后學生可利用MOOC資源復習和測試，從而鞏固學習效果。

（二）積極開展“線上+線下”混合式教學

通過開展“線上+線下”混合式教學，提高學生的學習效果。在日常高校授課過程中應用了“翻轉課堂”的教學方法，學生通過課堂面授和在線MOOC學習的方式將教學大綱中要求的基礎知識學懂學會，然后通過小班研討的形式對知識點內容進行提升學習，由教師引導，學生自主解決問題，從而增強學生解決問題的能力。小班研討的視頻發(fā)布到課程平臺，在線學習的學生可以持續(xù)參加討論，增強學生學習興趣。

（三）利用“雨課堂”進行課堂互動

本課程還注重教學手段的提升，在課堂教學中利用“雨課堂”教學工具完成與學生的互動。學生掃碼進入班級，授課過程中若有不明白的地方可在“雨課堂”學生端進行標記，方便教師掌握學生對知識點的掌握情況，課上利用“雨課堂”發(fā)布習題，學生作答后提交，可實時獲得測試成績及統(tǒng)計結果。學生在課前預習授課教師發(fā)布的預習內容，課后完成作業(yè)后提交到“雨課堂”系統(tǒng)，同時可在系統(tǒng)進行互動答疑等。這種互動可提高學生注意力集中的程度，也有助于授課教師實時跟蹤授課效果。

二、“工業(yè)過程控制”課程教學模式

（一）“模塊化”翻轉課堂教學模式設計

“模塊化”是指教學內容以知識塊為主的組織形式。“工業(yè)過程控制”課程的“模塊化”翻轉課堂主要是在課堂中引入課程MOOC資源，改變現(xiàn)在以PPT為主的教學形式為“PPT+MOOC”形式，采用“授課+翻轉+授課”迭代課堂模式進行授課，實現(xiàn)課前學習，課堂翻轉來提升課堂教學效果。

哈爾濱工程大學的“工業(yè)過程控制”課程為 40 課時（包括32學時理論課和8學時實驗課）。課程采用“理論模塊”+“實踐模塊”的設計格局。理論模塊主要包括控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)即被控對象的數(shù)學模型、檢測變送器、執(zhí)行器、控制器四部分組成。該課程從整體上是采用大模塊進行講解，而每一個大模塊當中又包含若干小模塊，例如，被控過程的機理法建模和試驗法建模，既互相聯(lián)系又分別具有較為完整的設計思路，學生在學習一種建模方法時，不必先掌握另一種建模方法。同理，工業(yè)控制中針對不同過程參數(shù)進行測量的各種檢測變送器原理也不相同，同樣可以按照模塊化進行劃分。在小模塊設計過程中簡略介紹本模塊與其他內容的銜接關系，重點講解本模塊需要掌握的原理、方法、設計步驟及應用實例等，使學生通過模塊化的課程學習可以更好地掌握目標知識點，進而達到掌握課程主要內容的目的。課程“實踐模塊”主要由5個與雙容水箱相關的實物實驗及獨立開發(fā)的虛擬仿真實驗組成。所有的內容先按照模塊化思想進行設計后，再結合翻轉課堂教學模式進行講授，這種方式可以使學生更好地掌握每部分的重要知識點。

（二）“可視化”信息融合教學模式應用

通過多年的教學實踐發(fā)現(xiàn)，“工業(yè)過程控制”課程的部分內容具有“抽象”“難懂”等特點，由于該課程的工程應用性強，知識點紛繁蕪雜，學生經常對相似的理論和工程應用過程發(fā)生混淆，基礎概念理解不清，導致對后續(xù)課程的重點內容更加難以理解和掌握，形成惡性循環(huán)。針對上述在教學過程中發(fā)現(xiàn)的各種問題，從“激發(fā)興趣，啟發(fā)式教學”的角度出發(fā)，在教學中結合典型事例，同時充分結合網絡資源，將教學內容進行“可視化”設計。

為使抽象枯燥的知識變得具體化，甚至在教學中富有趣味，理論部分和工程應用過程可以用模擬結果和動畫的形式展現(xiàn)給學生，加深學生對課程中有關概念、方法和工作過程的理解，激發(fā)學生興趣，增強教學效果。“可視化”實施過程可以將課前設計好的元件工作原理或者設計過程以圖片或者動態(tài)Flash的方式展示給學生，例如，熱電偶的工作原理、氣動調節(jié)閥的結構類型及工作原理等均可以用動態(tài)Flash的方式對學生進行講解，給學生以直觀感受，激發(fā)學生興趣。

（三）開展虛擬現(xiàn)實技術的實例化教學

“工業(yè)過程控制”課程教學的難點是實際過程控制系統(tǒng)結構復雜龐大，無法建設物理實驗系統(tǒng)。在理論教學中，學生并不能有效地將理論知識中的數(shù)學模型、控制方法與真實物理系統(tǒng)相聯(lián)系，同時在實踐環(huán)節(jié)中也無法將實驗系統(tǒng)與實際生產系統(tǒng)相匹配。因此，只有將該課程課堂教學與實際應用環(huán)節(jié)相輔相成、形成有效的“前饋—反饋”結構，才能有效地做到理論聯(lián)系實際，才能使學生在工作過程中充分利用所學到的知識解決現(xiàn)實問題。

虛擬現(xiàn)實技術在“工業(yè)過程控制”課程教學中具備許多待挖掘的優(yōu)勢與潛在價值。

1.虛擬現(xiàn)實技術可增強學生對實際物理系統(tǒng)的認

知。利用虛擬現(xiàn)實技術可以在理論教學環(huán)節(jié)中模擬完整的、可控的過程控制虛擬環(huán)境，這一虛擬環(huán)境帶來的直觀性感受明顯優(yōu)于當前教學中所采用的圖片、視頻等傳統(tǒng)多媒體技術。同時，具備可控性的虛擬環(huán)境可以充分模擬實際生產的工作過程、控制器參數(shù)整定、控制變量及被控變量參數(shù)顯示等多種過程，學生通過在虛擬環(huán)境下的隨堂實踐訓練，可以有效地培養(yǎng)工程化思維模式，提高解決實際工程問題的能力。

2.虛擬現(xiàn)實技術可以極大擴展教學內容范圍。自動化的工業(yè)過程控制設備通常具有體積龐大、工作空間封閉、工作過程及原理不具有直觀性等特點，運行數(shù)據(jù)難以進行在線分析。所以，即使身處真實的過程控制的環(huán)境，也無法了解設備的運行規(guī)則與工作狀態(tài)。而運用虛擬現(xiàn)實技術建立的虛擬仿真過程控制系統(tǒng)卻可以顯示元件級的儀表裝置，完整實現(xiàn)從零件級至系統(tǒng)級的大型設備的跨尺度展示與分析，使學生能夠充分“深入”到設備之中，理解工業(yè)生產中的原理及工作過程。

哈爾濱工程大學“三海一核”特色中的大型船舶的輔機過程控制系統(tǒng)是典型的復雜過程控制。由于船舶輔機設備及其過程控制系統(tǒng)非常復雜，實際應用的系統(tǒng)類型也較為繁多，幾個典型的系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、鍋爐及蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等都可以通過虛擬現(xiàn)實技術進行實現(xiàn)，使學生能夠更好地掌握實際過程控制系統(tǒng)設計步驟和調試方法，激發(fā)學生學習、解決工程問題的興趣。

在課程前期建設的基礎上，逐步開展課程內容的“模塊化”“可視化”“虛擬現(xiàn)實化”實踐工作，將研究成果融入教學過程當中，不斷豐富教學內容，提高學生的知識儲備和科研學習能力。通過對課程的持續(xù)建設，在現(xiàn)有省級精品課基礎上積極申報國家級精品課程，力求為學生搭建一個“理論—實踐—探索”逐步提升的學習平臺。

參考文獻：

[1]閆長斌，時剛，張素磊，等.“雙一流”和“雙萬計劃”背景下學科、專業(yè)、課程協(xié)同建設：動因、策略與路徑[J].高等教育研究學報，2019，（3）.

[2]李志義.“水課”與“金課”之我見[J].中國大學教學，2018，（12）.

[3]李欣雪，徐殿雙，龍小麗，等.電路基礎精品課程建設探討[J].電子技術，2018，（7）.

[4]梁士棟，馬明輝.模塊化導向下的大學課程高效教學模式研究[J].教育現(xiàn)代化，2019，（1）.

[5]劉鉞.模塊化微翻轉課堂在教學中的應用[J].課程教育研究，2018，（41）.

[6]范錚，秦磊，張國亮.OBE 教學模式在海洋技術專業(yè)課程教改中的應用和實踐——以海洋天然產物化學課程為例[J].課程教育研究，2019，（7）.

收稿日期：2019-12-04

作者簡介：韓云濤（1978—），男，山東章丘人，哈爾濱工程大學自動化學院講師，主要從事先進控制理論及應用研究。

基金項目：哈爾濱工程大學教學改革項目“基于信息融合打造精品課程的探索與實踐”（JG2019B14）;哈爾濱工程大學教學改革項目“國際院校合作條件下的人才培養(yǎng)模式探索與實踐”（JG2019B13）