基于问题与任务导向理念的过程控制课程教学改革

周哓玲,李 静

(桂林航天工业学院电子信息与自动化学院,广西桂林,541004)

一、引言

2018年,《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》,首次确定了612个项目为“新工科”研究与实践项目。[1]“新工科”针对的是新兴产业所对应的专业,例如智能制造这一类与人工智能相关的新专业,也包括对传统工科专业的改造。人社部预测,2020年我国智能制造领域人才需求750万人,人才缺口300万人;到2050年,人才需求900万人,人才缺口450万人。[2]可见,“新工科”是我国在高新技术人才紧缺的现状下的必然产物。

与传统工科相比,“新工科”强调技能的创新与实践,强调各专业的交叉融合。在新工科背景下,我国对人才的培养要求更多倾向于实践、创新能力的塑造。[3-5]我国向来重视自动化专业的发展及人才培养,自动化专业学科在航空航天、电力、石油化工、建材及医药等诸多领域发挥了重大作用,因此,适应新工科背景对自动化专业教学改革尤为重要。自动化专业的课程围绕自控原理这一核心展开,包括PLC控制、运动控制、过程控制、计算机控制等控制相关课程。其中,过程控制是一门与实际生产过程(主要是大型石油化工、各大制造业等具有连续批量生产或特定的生产过程)紧密联系的综合运用型课程,其主要任务是指导学生掌握生产过程中常用的控制系统组成原理、结构特点与相关检测及控制仪表的使用方法等,培养学生具备完成生产过程控制系统工程设计的能力。因此,培养专业的过程控制领域人才,对我国国民经济发展尤为重要。[6-8]

过程控制课程是桂林航天工业学院(以下简称我校)自动化专业的核心专业课,其实践性和应用性强,课程目标是面向自动化专业中工业自动化方向的学生讲授过程控制相关理论知识、典型应用及其在工业控制、生态环境保护中的重要作用。通过过程控制课程的学习,学生应该掌握以下能力:单容和双容过程控制对象的数学建模;根据检测仪表、控制仪表和执行器特性,对实验结果进行分析与校验并获得有效结论;能够对单回路控制系统、复杂控制系统进行分析、设计与参数正定;能够初步分析及选用先进过程控制方法。为保证充足的理论授课及实践课时,我校自动化专业开设的过程控制课程课时数为64学时,其中理论部分48学时,实验16学时。充足的学时为理论和实践教学提供了良好的基础,但也存在学时过长带来的学习倦怠、学习效率降低的问题。

综上所述,我校过程控制课程改革,需聚焦学习兴趣引导和创新实践能力培养。因此,本文将针对上述问题,设计基于问题与任务导向的教学改革措施。

二、问题

我校过程控制课程是为自动化专业大三学生开设的专业课,在此之前,学生已经系统学习了传感与检测技术、计算机控制、自动控制原理等课程。过程控制课程的教学目标是综合运用上述专业课程知识设计生产过程控制系统,其授课内容较为复杂烦琐,传统的纯讲授式课程教学难以实现课程目标,易陷入以下困境。

(一)课程的整体连贯性欠佳

过程控制课程需要综合运用传感检测技术、计算机控制技术及自动控制原理等知识,其课程章节内容一般是先介绍自控原理基础知识,再介绍检测装置、执行机构,然后进入控制系统设计相关理论、计算机控制系统等。课程章节与章节之间内容跨度比较大,容易在教学中后期出现课程学习知识断层现象。例如,在学习第5章对象建模时,由于时间跨度大,学生在结束此章的学习时很可能忘记最开始学的执行机构和控制仪表的相关特性;在学习第7章复杂控制系统时,学生可能会忘记之前控制律和控制器参数整定的内容。

(二)缺乏师生互动沟通

缺乏师生互动直接导致教师无法有效掌握教学效果实际情况。由于课程内容较多,要在48学时的理论课堂内实现知识点讲授的面面俱到,同时兼顾总结回顾易遗忘的知识点,教师比较容易陷入单方面讲授的境地。这样不仅无法提高教学效率,而且会因为知识铺开面太广,学生难以深入理解相关知识点,学习缺少重点和方向。

(三)学生被动学习

过程控制课程专业综合知识较多,纯讲授式的教学容易导致学生只能被动式听讲,对课程内容的掌握程度较浅,缺乏自主分析能力。这与当前新工科背景要求培养“具有宽阔视野,创新能力和实践能力的复合型人才”的目标有一定的距离。

针对上述问题,本文从提高课程知识体系连贯性、调动学生积极性出发,以问题与任务导向教学理念为指导,从理论教学和实验教学设计两方面提出相应的措施。

三、问题与任务导向教学理念

问题导向教学理念最早应用于医学专业教学领域,要求学生应用专业知识解决生活中的问题,为未来的职业生涯打基础。该理念指导下的教学特点就是将自主权下放给学生,教师抛出与教学内容相关的实际应用问题,学生以小组为单位,解决问题。任务导向教学理念是在建构主义教学理论基础上的教学理念,其旨在引导学生带着真实的任务在探索中学习,通过使学生不断地获得成就感激发学生的求知欲。该理念指导下的教学最开始被应用于语言教学领域,之后逐渐被其他教学领域引进。

以问题与任务为导向的教学理念,从根本上来说,是一种将教学过程、学习内容拆解,引导学生以主人翁的角色建立知识体系的过程。[9]在过程控制课程教学中,引入这些理念设计相关教学活动,可有效化解过程控制课程学习内容复杂烦琐、学时过长导致的学习懈怠问题。同时,以问题与任务为导向的教学活动有利于工程系统设计思想的形成,从而达到提高学生学习的主动性、培养学生的工程意识和解决问题能力的目的。

四、教学设计

(一)框架

问题与任务导向教学理念的具体落实应以师生讨论为载体,以任务设计为引线,以解决问题为动力,以学生自主和分组协作相结合为具体实施方式。本文针对过程控制课程特点,以学生分组为切入点设计教学活动,具体的实现框架如图1所示。教学框架的设计分为教师视角和学生视角。

图1 问题与任务导向的教学设计框架

1.教师视角

教师主要有三大模块的教学活动。第一,分配任务。我校过程控制课程理论授课,包括绪论、检测与控制仪表、执行器、被控过程数学建模、简单控制系统、复杂控制系统、先进过程控制系统和过程控制系统实例等内容。从教学内容上分析,前五章的学习都是为了实现控制系统的设计,这是一条隐藏的任务主线。因此,教师在第一堂课时可罗列各章知识点的关系,布置面向生产过程的过程控制系统设计任务,任务需围绕过程控制常见生产对象的控制设计,例如锅炉汽包水位的控制。第二,问题分解。过程控制课程前五章分别对应了典型控制系统的检测、控制、执行、对象等环节,是一个渐进的层次结构。因此,教师可结合每堂课的授课内容,引导学生分解所领取的任务。例如,在讲授检测仪表时,教师可以引导学生思考以下问题:为控制锅炉汽包水位,首先必须知道实时水位,那么如何获得实时水位?水位检测常用的仪表有哪些?锅炉汽包这个生产过程对检测设备是否有特殊要求?这就是针对具体任务,分解问题的过程。第三,更新课堂内容。在每堂课的开始阶段,教师可以预留15分钟时间进行翻转课堂活动,让各小组快速汇报任务进展并讨论,以此集中学生的注意力,专注于本次课需要解决的问题。汇报也有助于学生逐步了解各章节知识体系之间的联系并形成系统的工程设计思想。教师根据学生汇报的内容,了解学生问题解决的情况,并据此更新下一堂课的内容设计,从而提高教学效率。

2. 学生视角

学生主要有三大模块的学习活动。第一,组成小组,领取设计任务。在第一堂课,学生自发寻找组员,组成任务小组,并根据教师所罗列的知识结构,了解设计任务。第二,问题分解。各小组根据所领取的任务,跟随教师的分析,寻找完成任务的步骤以及每一步所要解决的问题。例如,在锅炉汽包水位控制任务中,对教师所提水位检测问题、仪表选择问题等进行记录,并在此基础上进一步挖掘是否有更为细致的问题需要解决。例如,仪表精度等级如何确定?检测位置安装有没有特殊要求?第三,小组课后讨论及课堂汇报。学生带着问题上课,并将上课过程中产生的思维火花记录下来,课后及时进行小组讨论,敲定最终的问题解决方案,然后在下一堂课开始时,派代表汇报本组任务完成情况。

上述以问题和任务为导向的教学设计,充分发挥了教师的引导作用,让学生感觉到自己作为学习主体的快乐。学生在自主学习的过程中获得成就感,变得更为自信,从而形成一个良性循环。

(二)问题导向的实验设计

过程控制是一门具有较强实践性与应用性的课程,在充足的理论教育的基础上,实验教学对于课程内容的进一步把握与提升十分重要。[10]我校过程控制实验室配备有天煌THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台,可对水箱液位、锅炉加热、盘管流量等典型生产过程进行闭环回路控制、串级控制、比值控制、滞后控制等。常规验证型实验容易出现学生按部就班、不理解实验目的的问题。为改善上述情况,我校推行了问题导向的实验设计,教师引导学生发现问题,学生带着问题做实验,探索问题结果,最终解决问题。具体实验教学活动框架结构如图2所示。我校过程控制实验课共16个学时,分别包括单双容水箱的特性测试、单双容水箱液位控制、锅炉内胆温度特性测试、锅炉内胆温度控制、锅炉夹套水温串级控制、流量比值控制、盘管流量纯滞后控制。实验内容涵盖理论教学中的对象数学建模、简单闭环控制、串级控制、比值控制和纯滞后控制等内容。

图2 问题导向的实验教学设计框架

问题导向的实验教学活动设计具体如下。第一,理论课结束后,教师引导学生将8个实验内容与课本上各章知识点进行一一对应,让学生认识到教学活动的目的。第二,教师根据各实验小组的学习能力发布由简单到困难多个等级的实验问题,以保证各小组均有一定积极性挑战问题、解决问题,获得成就感。需要注意的是,实验任务不能脱离实验本身,应基于理论课的内容,否则容易打击学生的课堂积极性。

例如,单容水箱液位控制实验,基础实验提供完成单容水箱液位控制所需接线及调试步骤,学生需要完成以下实验问题:

1.影响液位的因素有哪些?

2.增加一个幅值较大的扰动,观察当前控制器能否回到原始稳态。

3.如果不能稳定在某一液位,是什么原因?

4.具体解决办法是什么?

相应地,实验考核指标为:完成基础验证性实验,合格;完成问题1,说明进行了一定的实验观察,中等;完成问题1—3,说明进行了一定的实验探索和思考,良好;完成所有问题,说明在探索和思考的基础上,具备动手解决问题的能力,优秀。

第三,问题总结和讨论,在问题导向的实验活动中,大部分学生可以在完成基础实验的调试过程中,专注于控制系统是如何达到稳态的,并探究控制器、对象、控制结构三者之间的关系,并有强烈的欲望想获得正确的答案。因此,实验最后,教师应留小部分时间组织学生进行问题总结和讨论。各小组交流实验过程中所发现的问题和所采用的解决策略,产生思维火花的碰撞,理论课的所学知识也会在这个过程中得以融会贯通,从而让学生更好地理解控制系统设计过程。

五、成效

我校在推行一学期上述理论教学和实验教学活动设计后,在理论教学和实验教学上均取得了一定成效。

(一)理论课

从出勤上看,学生到课率超过95%,学生的上课积极性大为提高;从课后提问交流来看,针对课堂内容提出自己疑问的学生数量明显增多,说明学生具有明显的主动学习意愿;从完成作业的情况来看,课后习题完成的正确率有明显提高,学生都能按时完成作业;从小组完成所发布的生产过程控制任务来看,各小组基本上顺利完成了控制系统的设计,有条理地撰写了小论文,阐述了从仪表选型到控制策略设计及控制系统仿真结果分析的全过程,有个别小组还在原有任务基础之上拓展了关于控制策略的进一步讨论。可见,基于任务与问题导向的教学活动设计显著提高了学生的学习积极性,且使学生基本具备了工程实际系统设计理念。另外,在该任务的引导下,学生期末考试的及格率达到了96.77%,成绩有明显提高。

(二)实验教学

所有学生全勤参加所有实验课程,各小组积极完成实验任务,基础实验验收通过率为100%,提高实验验收通过率为20%,各实验小组的探究精神被激发。针对各次实验所提问题,各小组均能够有条理地给对象施加额外扰动,观察记录实验现象,并加以分析,个别能力较强的小组能够应用理论知识,在一定程度上解决实验问题。例如,在盘管流量纯滞后控制实验中采用PID控制器实现控制时,由于实验对象是纯滞后对象,流量的输出曲线动态偏差较大,有部分学生尝试记录盘管流量的开环状态下的阶跃响应曲线,基于阶跃响应曲线数据对盘管建模,构建Smith预估控制器,改进盘管流量的控制效果。这种积极主动地尝试将理论课上的知识应用到实验分析中的现象,充分反映了问题导向的实验教学活动能较好地提高学生的探索实践能力。

六、结语

过程控制课程是自动化专业的核心专业课,课程内容应用性和实践性均较强,理论教学与实验教学相辅相成。针对过程控制课程教学过程形式单一、教学内容烦琐复杂等问题,本文提出了问题与任务导向的理论教学设计和实验教学设计活动,以教师为主导设计整个课堂,以学生为主体参与课堂,以小组的形式组织实施问题分解与任务完成,引导学生充分发散思维、积极讨论,碰撞思维火花,做到课程内容讲完,学生系统设计任务做完。问题与任务导向的理论教学活动拆解过程控制课程的教学过程、学习内容,引导学生以主人翁的角色建立知识体系,帮助学生树立系统工程设计理念,具备自主学习、解决问题的能力,有助于进一步培养学生的探索实践能力。将问题与任务导向理念引入过程控制教学,符合“新工科”对学生工程实践能力、创新能力的培养要求。