韓云濤 彭秀艷 魏延輝

摘? ? ?要：文章結(jié)合“工業(yè)過程控制”課程教學(xué)實(shí)踐，通過研究基于PPT+MOOC形式的“線上線下”混合式教學(xué)對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革，并根據(jù)課程內(nèi)容與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密等特點(diǎn)，將“模塊化”“可視化”“虛擬現(xiàn)實(shí)化”等設(shè)計(jì)方法融入課程教學(xué)中，以滿足混合式教學(xué)及翻轉(zhuǎn)課堂的需要，持續(xù)推進(jìn)精品課程建設(shè)，培養(yǎng)高素質(zhì)的研究應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：精品課程;教學(xué)模式;工業(yè)過程控制

中圖分類號(hào)：G642.3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2020）08-0038-02

自動(dòng)化專業(yè)作為知識(shí)涵蓋面廣、技術(shù)通用性強(qiáng)的專業(yè)，在我國理工類院校都是重要的學(xué)科專業(yè)方向?！肮I(yè)過程控制”是自動(dòng)化領(lǐng)域的重要分支，可應(yīng)用于石油、化工、船舶、核能、電力等工業(yè)生產(chǎn)中?！肮I(yè)過程控制”課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具備一系列基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，課程本身涉及知識(shí)面廣、難度大，而且直接面對(duì)工程問題，因而傳統(tǒng)教學(xué)模式下的教學(xué)效果不盡如人意，有待提高。因此，如何提升教學(xué)質(zhì)量，如何讓學(xué)生真正掌握工業(yè)過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法，是進(jìn)行課程教學(xué)改革的重要研究?jī)?nèi)容。

一流本科教育、一流人才培養(yǎng)已成為學(xué)校的根本任務(wù)，在新形勢(shì)下對(duì)課程建設(shè)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(yīng)用于本科課程教學(xué)當(dāng)中，例如，虛擬實(shí)驗(yàn)操作模式[3]、模塊化翻轉(zhuǎn)課堂[4-5] 、OBE教學(xué)模式等都在教學(xué)中取得了良好的效果[6]。哈爾濱工程大學(xué)的“工業(yè)過程控制”課程作為自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)核心課程，授課教師也積極進(jìn)行課程改革的探索與實(shí)踐，開展“線上—線下”混合式教學(xué)，努力建設(shè)適應(yīng)新時(shí)代要求的精品課程。

一、“工業(yè)過程控制”課程建設(shè)現(xiàn)狀

（一）出版教材，同步建設(shè)MOOC

通過校級(jí)品牌課程立項(xiàng)，“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(shí)建設(shè)與教材配套的MOOC。MOOC完成后，在“中國大學(xué)MOOC”“智慧樹”和“學(xué)銀在線”三個(gè)平臺(tái)上線。校內(nèi)SPOC教學(xué)資源面向2017級(jí)校內(nèi)11個(gè)班級(jí)335名自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生授課，線上MOOC累計(jì)參加學(xué)習(xí)的學(xué)生人數(shù)已超過1萬人次。在校內(nèi)教學(xué)中，將MOOC資源作為混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的素材，要求學(xué)生課前利用已經(jīng)發(fā)布的視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)，通過課堂講授使學(xué)生能夠充分掌握難點(diǎn)和重點(diǎn)，部分授課內(nèi)容采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，積極引導(dǎo)學(xué)生在課上進(jìn)行討論和研討，課后學(xué)生可利用MOOC資源復(fù)習(xí)和測(cè)試，從而鞏固學(xué)習(xí)效果。

（二）積極開展“線上+線下”混合式教學(xué)

通過開展“線上+線下”混合式教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在日常高校授課過程中應(yīng)用了“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)方法，學(xué)生通過課堂面授和在線MOOC學(xué)習(xí)的方式將教學(xué)大綱中要求的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)懂學(xué)會(huì)，然后通過小班研討的形式對(duì)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行提升學(xué)習(xí)，由教師引導(dǎo)，學(xué)生自主解決問題，從而增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。小班研討的視頻發(fā)布到課程平臺(tái)，在線學(xué)習(xí)的學(xué)生可以持續(xù)參加討論，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（三）利用“雨課堂”進(jìn)行課堂互動(dòng)

本課程還注重教學(xué)手段的提升，在課堂教學(xué)中利用“雨課堂”教學(xué)工具完成與學(xué)生的互動(dòng)。學(xué)生掃碼進(jìn)入班級(jí)，授課過程中若有不明白的地方可在“雨課堂”學(xué)生端進(jìn)行標(biāo)記，方便教師掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，課上利用“雨課堂”發(fā)布習(xí)題，學(xué)生作答后提交，可實(shí)時(shí)獲得測(cè)試成績(jī)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)授課教師發(fā)布的預(yù)習(xí)內(nèi)容，課后完成作業(yè)后提交到“雨課堂”系統(tǒng)，同時(shí)可在系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)答疑等。這種互動(dòng)可提高學(xué)生注意力集中的程度，也有助于授課教師實(shí)時(shí)跟蹤授課效果。

二、“工業(yè)過程控制”課程教學(xué)模式

（一）“模塊化”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式設(shè)計(jì)

“模塊化”是指教學(xué)內(nèi)容以知識(shí)塊為主的組織形式。“工業(yè)過程控制”課程的“模塊化”翻轉(zhuǎn)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(xué)形式為“PPT+MOOC”形式，采用“授課+翻轉(zhuǎn)+授課”迭代課堂模式進(jìn)行授課，實(shí)現(xiàn)課前學(xué)習(xí)，課堂翻轉(zhuǎn)來提升課堂教學(xué)效果。

哈爾濱工程大學(xué)的“工業(yè)過程控制”課程為 40 課時(shí)（包括32學(xué)時(shí)理論課和8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課）。課程采用“理論模塊”+“實(shí)踐模塊”的設(shè)計(jì)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型、檢測(cè)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(jìn)行講解，而每一個(gè)大模塊當(dāng)中又包含若干小模塊，例如，被控過程的機(jī)理法建模和試驗(yàn)法建模，既互相聯(lián)系又分別具有較為完整的設(shè)計(jì)思路，學(xué)生在學(xué)習(xí)一種建模方法時(shí)，不必先掌握另一種建模方法。同理，工業(yè)控制中針對(duì)不同過程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的各種檢測(cè)變送器原理也不相同，同樣可以按照模塊化進(jìn)行劃分。在小模塊設(shè)計(jì)過程中簡(jiǎn)略介紹本模塊與其他內(nèi)容的銜接關(guān)系，重點(diǎn)講解本模塊需要掌握的原理、方法、設(shè)計(jì)步驟及應(yīng)用實(shí)例等，使學(xué)生通過模塊化的課程學(xué)習(xí)可以更好地掌握目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到掌握課程主要內(nèi)容的目的。課程“實(shí)踐模塊”主要由5個(gè)與雙容水箱相關(guān)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)及獨(dú)立開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)組成。所有的內(nèi)容先按照模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)后，再結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行講授，這種方式可以使學(xué)生更好地掌握每部分的重要知識(shí)點(diǎn)。

（二）“可視化”信息融合教學(xué)模式應(yīng)用

通過多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，“工業(yè)過程控制”課程的部分內(nèi)容具有“抽象”“難懂”等特點(diǎn)，由于該課程的工程應(yīng)用性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)紛繁蕪雜，學(xué)生經(jīng)常對(duì)相似的理論和工程應(yīng)用過程發(fā)生混淆，基礎(chǔ)概念理解不清，導(dǎo)致對(duì)后續(xù)課程的重點(diǎn)內(nèi)容更加難以理解和掌握，形成惡性循環(huán)。針對(duì)上述在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的各種問題，從“激發(fā)興趣，啟發(fā)式教學(xué)”的角度出發(fā)，在教學(xué)中結(jié)合典型事例，同時(shí)充分結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行“可視化”設(shè)計(jì)。

為使抽象枯燥的知識(shí)變得具體化，甚至在教學(xué)中富有趣味，理論部分和工程應(yīng)用過程可以用模擬結(jié)果和動(dòng)畫的形式展現(xiàn)給學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)課程中有關(guān)概念、方法和工作過程的理解，激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果?！翱梢暬睂?shí)施過程可以將課前設(shè)計(jì)好的元件工作原理或者設(shè)計(jì)過程以圖片或者動(dòng)態(tài)Flash的方式展示給學(xué)生，例如，熱電偶的工作原理、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)類型及工作原理等均可以用動(dòng)態(tài)Flash的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解，給學(xué)生以直觀感受，激發(fā)學(xué)生興趣。

（三）開展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)例化教學(xué)

“工業(yè)過程控制”課程教學(xué)的難點(diǎn)是實(shí)際過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，無法建設(shè)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在理論教學(xué)中，學(xué)生并不能有效地將理論知識(shí)中的數(shù)學(xué)模型、控制方法與真實(shí)物理系統(tǒng)相聯(lián)系，同時(shí)在實(shí)踐環(huán)節(jié)中也無法將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)相匹配。因此，只有將該課程課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)相輔相成、形成有效的“前饋—反饋”結(jié)構(gòu)，才能有效地做到理論聯(lián)系實(shí)際，才能使學(xué)生在工作過程中充分利用所學(xué)到的知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“工業(yè)過程控制”課程教學(xué)中具備許多待挖掘的優(yōu)勢(shì)與潛在價(jià)值。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際物理系統(tǒng)的認(rèn)

知。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在理論教學(xué)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(dāng)前教學(xué)中所采用的圖片、視頻等傳統(tǒng)多媒體技術(shù)。同時(shí)，具備可控性的虛擬環(huán)境可以充分模擬實(shí)際生產(chǎn)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(xué)生通過在虛擬環(huán)境下的隨堂實(shí)踐訓(xùn)練，可以有效地培養(yǎng)工程化思維模式，提高解決實(shí)際工程問題的能力。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以極大擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容范圍。自動(dòng)化的工業(yè)過程控制設(shè)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(diǎn)，運(yùn)行數(shù)據(jù)難以進(jìn)行在線分析。所以，即使身處真實(shí)的過程控制的環(huán)境，也無法了解設(shè)備的運(yùn)行規(guī)則與工作狀態(tài)。而運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬仿真過程控制系統(tǒng)卻可以顯示元件級(jí)的儀表裝置，完整實(shí)現(xiàn)從零件級(jí)至系統(tǒng)級(jí)的大型設(shè)備的跨尺度展示與分析，使學(xué)生能夠充分“深入”到設(shè)備之中，理解工業(yè)生產(chǎn)中的原理及工作過程。

哈爾濱工程大學(xué)“三海一核”特色中的大型船舶的輔機(jī)過程控制系統(tǒng)是典型的復(fù)雜過程控制。由于船舶輔機(jī)設(shè)備及其過程控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)類型也較為繁多，幾個(gè)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(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生能夠更好地掌握實(shí)際過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和調(diào)試方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)、解決工程問題的興趣。

在課程前期建設(shè)的基礎(chǔ)上，逐步開展課程內(nèi)容的“模塊化”“可視化”“虛擬現(xiàn)實(shí)化”實(shí)踐工作，將研究成果融入教學(xué)過程當(dāng)中，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和科研學(xué)習(xí)能力。通過對(duì)課程的持續(xù)建設(shè)，在現(xiàn)有省級(jí)精品課基礎(chǔ)上積極申報(bào)國家級(jí)精品課程，力求為學(xué)生搭建一個(gè)“理論—實(shí)踐—探索”逐步提升的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

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收稿日期：2019-12-04

作者簡(jiǎn)介：韓云濤（1978—），男，山東章丘人，哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院講師，主要從事先進(jìn)控制理論及應(yīng)用研究。

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