基于PBL模式的“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

謝莉 徐琛 陶洪峰

摘要為了主動(dòng)適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，支撐國家重大發(fā)展戰(zhàn)略，建設(shè)工程教育強(qiáng)國，教育部自2017年開始大力推進(jìn)新工科建設(shè)。在此背景下，本文以自動(dòng)化專業(yè)“新工科”人才培養(yǎng)為目標(biāo)，針對“過程控制系統(tǒng)”課程所存在的教學(xué)內(nèi)容繁雜、授課形式僵化、實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱、考評方式單一等問題，通過引入PBL教學(xué)模式并借助于智慧教學(xué)工具“雨課堂”，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核體系等方面進(jìn)行了全方位的教學(xué)改革，從而促進(jìn)自動(dòng)化專業(yè)工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效提升。

關(guān)鍵詞PBL教學(xué)模式;過程控制系統(tǒng);課程改革;新工科

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.34.040

Teaching Reform and Practice of Process Control System Based on PBL Mode XIE Li，XU Chen，TAO Hongfeng

（College of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122）

AbstractIn order to actively adapt to the new economic development，support the national major development strategy and build a powerful country in engineering education，the Ministry of education has vigorously promoted the construction of new engineering since 2017. In this context，aiming at the training of "new engineering" talents of automation specialty，aiming at the problems existing in the course of process control system，such as complex teaching contents，rigid teaching forms，weak practical links and single evaluation methods. This paper introduces PBL teaching mode and with the help of intelligent teaching tool "rain classroom". An all-round teaching reform has been carried out in the aspects of experimental teaching and assessment system，so as to promote the effective improvement of the training quality of automation engineering talents.

KeywordsPBL teaching mode;process control system;course reform;new engineering

“過程控制系統(tǒng)”是自動(dòng)化專業(yè)的一門核心課程，具有非常強(qiáng)的專業(yè)性和實(shí)踐性。這門課程不僅講授過程控制的理論知識，又體現(xiàn)了控制理論在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程觀念、設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練，以及理論與實(shí)踐相結(jié)合解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。[1]然而，“過程控制系統(tǒng)”課程當(dāng)前仍然存在教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜抽象、授課形式僵化、實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱、考評方式單一等傳統(tǒng)工科課程普遍存在的共性問題，難以適應(yīng)“新工科”建設(shè)所提出的“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”這一人才培養(yǎng)需求，因此對其進(jìn)行教學(xué)改革勢在必行。[2-3]

PBL（ProblemBased Learning）教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜、有意義的問題情境中，鼓勵(lì)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和集體討論，相互協(xié)做分析、解決問題，從而逐步獲取和掌握相關(guān)的專業(yè)知識。[4]本文將以自動(dòng)化專業(yè)“新工科”人才培養(yǎng)為目標(biāo)，將PBL教學(xué)模式引入到江南大學(xué)的“過程控制系統(tǒng)”課程，并借助于智慧教學(xué)工具“雨課堂”，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核體系等方面進(jìn)行全方位改革，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高課堂效率和學(xué)習(xí)成效，全面培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力，以及工程實(shí)踐能力。

1教學(xué)現(xiàn)狀分析

“過程控制系統(tǒng)”課程的主要教學(xué)內(nèi)容較為繁雜，包括過程控制的基本概念，過程特性的建模方法，單回路控制系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)，先進(jìn)控制系統(tǒng)，以及相關(guān)的典型應(yīng)用實(shí)例。然而，自2017級開始，江南大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的理論教學(xué)由60學(xué)時(shí)縮減為44學(xué)時(shí)。在理論學(xué)時(shí)嚴(yán)重壓縮的情況下，必須對課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，才能保障教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成。

“過程控制系統(tǒng)”課程包含一些復(fù)雜抽象的理論知識，如過程的機(jī)理建模、串級控制系統(tǒng)副回路特性的分析、相對增益矩陣的計(jì)算、內(nèi)模控制系統(tǒng)的性能分析等，采取傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以取得理想的教學(xué)效果。因此，必須以學(xué)生為中心，采取多樣化的教學(xué)方法，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高課堂效率和學(xué)習(xí)成效。

“過程控制系統(tǒng)”課程目前開設(shè)了12學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，但是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，目的在于幫助學(xué)生理解有關(guān)的理論知識，掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作能力，學(xué)會(huì)簡單的PID工程整定方法，在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性和綜合性方面較為欠缺。因此，需要構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從而全面提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

“過程控制系統(tǒng)”課程當(dāng)前的成績評定主要以期末考試為主，占總評成績的比例達(dá)到60%-70%。然而，期末考試成績在課程考核體系中占比過高，不能真正考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和專業(yè)能力。因此，需要加強(qiáng)過程性評價(jià)，改革課程考核體系，從而提升評價(jià)方法的全面性和科學(xué)性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的主動(dòng)性和積極性。

2教學(xué)改革舉措

2.1整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，在強(qiáng)化過程控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識的同時(shí)，引入過程控制工程設(shè)計(jì)和先進(jìn)控制系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識寬度，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

由于理論學(xué)時(shí)嚴(yán)重壓縮，必須刪除“過程控制系統(tǒng)”與“自動(dòng)控制原理”“傳感與檢測技術(shù)”“自動(dòng)化儀表”和“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”等有關(guān)課程的重復(fù)性知識，形成各有側(cè)重、互為銜接、互為促進(jìn)的課程群。例如，在“自動(dòng)控制原理”課程中介紹了PID控制器的傳遞函數(shù)，并通過Bode圖分析了PID控制對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的改善。因此，在“過程控制系統(tǒng)”這門課程中，可淡化PID控制理論知識的講解，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)PID控制規(guī)律在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及PID參數(shù)的工程整定方法。

以“厚基礎(chǔ)”為基本出發(fā)點(diǎn)，將單回路控制、串級控制、比值控制、分程控制、選擇性控制等典型控制系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成、工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法作為本課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，保證每位學(xué)生都能夠靈活掌握和應(yīng)用。同時(shí)，為了加強(qiáng)學(xué)生的工程意識和系統(tǒng)觀念的培養(yǎng)，結(jié)合授課教師主持和參與的橫向課題，增加過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的常用標(biāo)準(zhǔn)、管道儀表流程圖的繪制、控制方案的選擇原則等教學(xué)內(nèi)容。此外，為了拓寬學(xué)生的知識寬度，通過科研反哺教學(xué)的方式，以專題講座和研討的形式介紹補(bǔ)償控制、內(nèi)?？刂啤⒔怦羁刂?、預(yù)測控制等先進(jìn)控制系統(tǒng)的基本原理、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及應(yīng)用案例等有關(guān)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過自主性和研究性學(xué)習(xí)，提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.2基于PBL教學(xué)模式，借助智慧教學(xué)工具“雨課堂”，完成以“教”為中心到以“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高課堂效率和學(xué)習(xí)成效

基于PBL教學(xué)模式開展“過程控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)，首先應(yīng)立足于每節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，針對教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生前期課程學(xué)習(xí)的具體情況，創(chuàng)設(shè)一些具有現(xiàn)實(shí)意義的開放式問題。進(jìn)一步圍繞問題啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生對問題背后的學(xué)習(xí)目標(biāo)形成共識，同時(shí)確定解決問題所需掌握的學(xué)習(xí)要點(diǎn)。經(jīng)授課教師的引導(dǎo)，學(xué)生通過探索和學(xué)習(xí)，在問題求解的過程中逐個(gè)突破遇到的知識關(guān)卡。這種帶著問題去思考和學(xué)習(xí)的方式更容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從而加深對理論知識的理解和掌握。問題得以解決之后，授課教師還將再次組織學(xué)生進(jìn)行研討，總結(jié)學(xué)習(xí)成果和分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生在反思解決問題的過程中提煉所掌握的知識要點(diǎn)，進(jìn)一步檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效。

借助智慧教學(xué)工具“雨課堂”，將“過程控制系統(tǒng)”課堂教學(xué)延伸至互聯(lián)網(wǎng)，使教學(xué)不再受時(shí)間和地點(diǎn)的局限。首先，制作涵蓋創(chuàng)設(shè)問題的預(yù)習(xí)PPT，并配以適當(dāng)?shù)恼Z音或視頻講解，通過“雨課堂”提前推送給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有針對性的課前預(yù)習(xí)。其次，教師在課堂上可隨時(shí)發(fā)布相關(guān)題目，讓學(xué)生限時(shí)作答，通過答題情況實(shí)時(shí)評估學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況;學(xué)生也可通過彈幕和投稿功能向教師提問，教師針對共性問題組織所有學(xué)生一起研討，從而幫助學(xué)生及時(shí)解決問題。學(xué)生通過手機(jī)端能夠隨時(shí)查看課堂教學(xué)內(nèi)容，方便利用碎片時(shí)間進(jìn)行課后復(fù)習(xí);同時(shí)，還可通過討論區(qū)、留言板、向特定人提問等功能向教師提問，獲得教師的個(gè)性化指導(dǎo)。通過“雨課堂”搭建師生互動(dòng)平臺，能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率和學(xué)習(xí)成效。

2.3構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，增設(shè)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Matlab仿真教學(xué)，全面提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力

“過程控制系統(tǒng)”課程目前所開設(shè)的6個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是以水箱的液位、溫度、流量控制為主的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡單，且實(shí)驗(yàn)步驟詳細(xì)具體，學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力得不到足夠的培養(yǎng)。為此，對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了升級改造，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中僅提出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的，而實(shí)驗(yàn)的方案步驟、儀器儀表的選用、儀表的連接方式、控制方案的選擇等完全由學(xué)生自己設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

SMPT1000高級多功能過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠模擬由鍋爐和蒸發(fā)器組成的水汽熱能全流程，比水箱更適合開展綜合性實(shí)驗(yàn)。但是學(xué)院僅有1套設(shè)備，無法滿足學(xué)生的課內(nèi)需求，因此綜合性實(shí)驗(yàn)只能在課外進(jìn)行。該套設(shè)備每周開放60小時(shí)供30組學(xué)生使用，能夠保證“過程控制系統(tǒng)”課程的每位學(xué)生每兩周有一次綜合實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。同時(shí)，以教育部“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽為契機(jī)，在自動(dòng)化專業(yè)的所有學(xué)生中開展校級比賽，遴選優(yōu)秀學(xué)生參加分賽區(qū)初賽和全國總決賽，通過競賽的方式檢驗(yàn)學(xué)生運(yùn)用過程控制系統(tǒng)專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題的能力，并促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的提高。

相對于基于實(shí)際被控對象的過程控制實(shí)驗(yàn)，Matlab仿真能夠更加方便、快速、低成本的對過程控制系統(tǒng)的理論知識進(jìn)行驗(yàn)證，幫助學(xué)生直觀地理解控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和評價(jià)控制方案的優(yōu)劣;而且能夠分散進(jìn)行，不受實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的限制。因此，開發(fā)與“過程控制系統(tǒng)”理論教學(xué)同步的Matlab仿真案例，將其由淺入深的引入到常規(guī)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生在仿真模型搭建和仿真結(jié)果分析的過程中，能夠更加深刻的理解和掌握被控對象建模，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、方案設(shè)計(jì)、性能分析、控制器參數(shù)整定等學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.4結(jié)合“雨課堂”提供的教學(xué)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)過程性評價(jià)，合理分配各項(xiàng)成績所占權(quán)重，提高課程考核評價(jià)的全面性和科學(xué)性

課程考核方式很大程度上決定了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，為了堅(jiān)持能力本位原則，加強(qiáng)過程性評價(jià)，“過程控制系統(tǒng)”課程通過降低期末考試成績所占權(quán)重，同時(shí)提高平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)成績所占權(quán)重的方式，提高課程考核評價(jià)的全面性和科學(xué)性。

目前平時(shí)成績主要由課堂考勤和平時(shí)作業(yè)兩部分構(gòu)成，以手寫的平時(shí)成績記錄表作為主要文件依據(jù)，不便于信息公開且容易被篡改。而“雨課堂”提供了每堂課的完整教學(xué)數(shù)據(jù)，包括預(yù)習(xí)答題得分、課堂考勤情況、課堂測試得分、課堂互動(dòng)情況、課后作業(yè)得分、單元測驗(yàn)得分、知識點(diǎn)總結(jié)得分等，通過對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，能夠更加科學(xué)的量化學(xué)生的平時(shí)成績，進(jìn)行過程性考核評價(jià)。

實(shí)驗(yàn)成績由基礎(chǔ)層實(shí)驗(yàn)成績、提高層實(shí)驗(yàn)成績、仿真實(shí)驗(yàn)成績?nèi)糠謽?gòu)成，各占一定權(quán)重，從而全面評價(jià)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力?；A(chǔ)層實(shí)驗(yàn)成績由6個(gè)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的平均成績給出，主要考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的正確性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性等方面。提高層實(shí)驗(yàn)成績由“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽的校賽成績確定，以過程控制賽項(xiàng)的具體要求作為評分標(biāo)準(zhǔn)，從方案設(shè)計(jì)、技術(shù)報(bào)告、設(shè)計(jì)成果、成果展示、團(tuán)隊(duì)成員評價(jià)等方面進(jìn)行綜合考核。仿真實(shí)驗(yàn)成績由3-5 次具有一定難度的Matlab仿真作業(yè)成績給出，主要考核學(xué)生運(yùn)用Matlab對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真、分析和設(shè)計(jì)的能力。

3教學(xué)改革成效

通過在“過程控制系統(tǒng)”課程開展基于PBL模式的教學(xué)改革與實(shí)踐，取得了較為顯著的成效。首先，完成了2020 級教學(xué)大綱的修訂工作，融入了改革后的教學(xué)內(nèi)容及考核評價(jià)方法。另外，本門課程的3位授課教師在2020-2021-2學(xué)期全院200余門課程的學(xué)生評教中均排名前20%，表明了學(xué)生們對本次課程改革的認(rèn)可。此外，在第十五屆教育部“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽中，自動(dòng)化專業(yè)9支參賽隊(duì)伍在華東二賽區(qū)的初賽中共斬獲特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲獎(jiǎng)項(xiàng)數(shù)和獲獎(jiǎng)率創(chuàng)歷史新高，并為我校爭得了2個(gè)晉級全國總決賽的名額。這些成績既是對本門課程改革成效的驗(yàn)證，也加深了授課教師進(jìn)一步開展教學(xué)改革和探索的信心。

4總結(jié)

通過對“過程控制系統(tǒng)”課程當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)和考核評價(jià)等四個(gè)方面進(jìn)行了基于PBL模式的教學(xué)改革與探索，取得了初步的成效。實(shí)踐表明，新的教學(xué)機(jī)制更能被學(xué)生所接受，能夠充分吸引學(xué)生在課堂上的注意力，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和工程實(shí)踐能力，促進(jìn)自動(dòng)化專業(yè)工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效提升。

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