基于OBE的《工业过程高级控制》案例库建设要点剖析

刘晓玉

摘要：本文探讨采用OBE（成果导向）模式开展控制工程专业课程《工业过程高级控制》案例库建设的若干要点，包括从控制工程专业培养成果出发的课程教学成果的界定、案例库素材的选择、设问环节的设计以及案例库的实施等。

关键词：OBE；案例库；专业硕士；控制工程；工业过程高级控制

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）33-0037-02

《工业过程高级控制》是控制工程专业硕士的必修课，主要讲授对流程工业中的各种过程参量的控制。依据具体生产工艺和工况条件的不同，过程对象的特性及相应采用的控制方法各异[1]。由此，该课程的特点是内容繁杂，且对学生理论基础及综合实践能力均要求较高。目前，控制工程专业硕士分全日制和非全日制两种。其中全日制生源多为应届毕业生，普遍缺乏对工业领域的感性认识；非全日制硕士多来自工矿企业，实践经验丰富，但理论知识偏薄弱；其共性则为独立科研能力的不足。引入案例教学，将过程控制理论知识从实际生产中引出，又运用到实际生产中，有利于兼顾两类专业硕士对该课程的学习需求，从而改善课程教学效果。但仅以提升单门课程教学效果为目的的案例库建设实属狭隘。采用OBE（成果导向）思想，从专业硕士培养的最终成果出发，以能力培养为目的的课程案例库建设则更有意义。OBE教学模式是以预期学习产出为中心来组织、实施和评价教育的结构模式。目前很多高校都开展了OBE教学模式下的单科课程或课程群的教学改革研究与实践[2，3]，但对OBE模式下有关课程案例库建设的研究则较少。本文即探讨OBE模式在控制工程专业硕士课程《工业过程高级控制》案例库建设中的应用要点。

一、《工业过程高级控制》案例库建设成果的界定

若以OBE模式开展《工业过程高级控制》案例库建设，首先需要分析授课对象——控制工程专业硕士的培养出口。控制工程专业培养的是智能控制技术、自动控制与自动化装置、过程控制与优化、智能检测与信息处理等方面的应用型、复合型高层次工程技术和管理人才[4]。由此，对于该专业主干课程之一《工业过程高级控制》教学成果，乃至案例库建设成果的界定，除学生对课程内容的掌握外，还应包括学生在“应用型”“复合型”“高层次”等方面能力的提升。其中，结合课程特点，“应用型”能力具体为学生对过程控制理论从实践中来到实践中去的应用能力；“复合型”能力表现为学生运用自己的知识体系和技能独立或集体完成针对具体过程控制任务的综合设计能力；“高层次”能力则为针对复杂工业环境下控制系统的新任务和高要求开展研究，提出创新性技术和理论的能力。

二、《工业过程高级控制》案例库素材的选择

工业过程的案例很多，比如热电厂的锅炉系统，为实现优质高产、节能环保的生产目标，会涵盖燃烧系统、汽水系统、烟气系统等多个相互有关联的过程控制系统。从提升学生应用型、复合型、高能力的角度出发，对这些案例要精心挑选和设计。其中，既要包含体现实际工程研发过程的案例，又要有反映开展科学研究所需思路模式的案例[5]。例如，可将对锅炉生产工艺、控制目标和过程对象特点等的介绍作为课程概述部分的案例，引导学生从实际出发，训练其从实践中提炼理论的能力。又比如，可设计以锅炉汽包水位系统为背景的仿真案例，在预设的锅炉蒸汽流量波动、进水流量波动、“假水位”等模拟工况下实现对锅炉汽包水位的控制。此案例要求学生在学习完单回路控制、串级控制等理论知识后独立完成系统设计和仿真实验，从而提升学生的系统分析、设计、算法软件编写、控制参数调试等复合型能力。再比如，针对环境和被控对象复杂性所涌现的各种高级过程控制方法，在实际应用中尚需推广，故实用案例偏少，这些文献资料便可作为案例库素材，而且此类素材的科研特性明显。在对此类案例素材的整理和设计中，应突出科研工作中对实际工程问题的提炼、综述、分析、解决、验证和总结等基本逻辑节点，并强调科学、规范的表述方法的重要性，从而通过此类案例的教学引导学生走上科学研究之路。

三、《工业过程高级控制》案例库设问环节的设计

案例库建设并非只是案例的简单罗列。在案例库中加入设问环节，适宜地引导学生主动思考，激发其主动性和创造性，是比教会学生一两点知识更有意义的事情。具体到《工业过程高级控制》案例库的设计，当前的教学大多只以案例作为理论教学的辅助素材，使学生形成此控制问题的解决方案“必然如此”的思维定式。但实际的过程控制工程，即便控制问题相同，所采用的控制方法也会因解决思路的差异、实际工况和硬件条件等的限制而千差万别，需要设计者灵活应变。故在OBE模式下，从培养学生研究能力的角度出发，将实际的工程案例作为教学案例时，除对案例本身的陳述外，还可在对案例问题的分析、控制目标和控制难点的明确，以及随后的控制变量和控制方案的选择、验证乃至最终确定等各个环节设问，引导学生通过查阅资料、独立思考、团队讨论等给出自己的答案，而非简单接纳老师给出的“标准”答案。而且答案并非唯一，正如实际的控制系统千差万别。即便给出参考答案，也最好同时给出可能的其他思路。比如，针对大延迟系统控制，除了Smith预估补偿方法，预测控制同样在做预估，能否用于同样的案例呢？如果可以，两种方法优劣如何？各自适用场景有区别否？研究思路间有否互为借鉴之处？如此开放性的设问没有标准答案的案例，方可真正激励学生的发散思维和创新精神，从而通过课程教学助其成为“高层次”人才。

四、《工业过程高级控制》案例库的实施

以能力培养为目标，案例库建设中实施环节的设计必不可少。相比静态的案例文本，案例的实施是动态的，需要课堂上教师和学生的互动来完成。尽管每届上课的学生基础相当，教学内容变化不大，又有案例教学来使抽象的理论内容生动化，但在案例实施中仍可结合当代时事，从学生的身边事引入话题，从而首先将学生的学习激情和关注力调动起来。比如，在介绍神经网络理论及其在过程控制领域的应用时，教师可从机器人AlphaGo战胜围棋大师李世石的故事开始，略过其中复杂的深度神经网络理论，仅强调神经网络的自学习、自适应能力，然后引出同样具有自学习、自适应能力的基础神经网络，以及如何利用基础神经网络的这些优点解决实际过程控制的案例，最后反问学生深度神经网络为什么目前这么火？能否利用该技术解决过程控制中的哪些问题？由此激发学生去关注科学前沿，并时刻注意新理论和新技术与自己专业的联系，为其在课程学习后开展科学研究与实践活动进行启蒙教育。教师在案例教学中的精心设计和实施，还需学生的主动配合。一方面要求教师的引导和鼓励，营造轻松的讨论氛围，一方面则要求学生积极主动的思考，并能大胆提出自己的想法或困惑。无论是想法还是困惑，都是对案例教学效果的反馈，案例设置的广度和深度是否合适，学生的接受程度如何，学生的能力和科研意识是否由此有所提高，这些都是在案例实施后需要总结的经验，有必要记录在案，以供后期案例库内容和形式的调整。此乃案例库实施动态性的另一层含义。案例库通过实施、反馈而来的不断改进和完善，使学生在理论研究和实际应用等方面的能力得以提升。

五、结束语

本文以控制工程专业硕士课程《工业过程高级控制》案例库建设为背景，针对目前该专业学生在理论、应用及研究等方面能力的不足，以及案例库仅用于辅助理论教学、未能在学生培养能力上充分发挥作用等问题，提出采用OBE模式开展课程案例库建设的思路。并就应用型、复合型高层次控制类人才培养目标，以及以该目标为导向的案例素材选择、案例设问及实施环节的设计等要点，对《工业过程高级控制》案例库建设中的具体措施进行探讨并给出相关示例。

参考文献：

[1]方康玲.过程控制及其MATLAB实现（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]宋跃，余炽业，胡胜等.基于OBE的嵌入式测控技术课程群建设与探索[J].实验室研究与探索，2016，（6）：208-210，283.

[3]柏晶，谢幼如，李伟等.“互联网+”时代基于OBE理念的在线开放课程资源结构模型研究[J].中国电化教育，2017，（1）：64-70.

[4]郑永斌，张明，李春等.控制工程领域专业学位硕士研究生课程体系改革研究[J].高等教育研究学报，2015，（3）：94-98.

[5]白建峰，顾卫华，庄绪宁等.研究生课程环境工程微生物学教学案例库建设探讨[J].教育教学论坛，2016，（48）：235-236.