基于OBE的《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫建設(shè)要點(diǎn)剖析

劉曉玉

摘要：本文探討采用OBE（成果導(dǎo)向）模式開展控制工程專業(yè)課程《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫建設(shè)的若干要點(diǎn)，包括從控制工程專業(yè)培養(yǎng)成果出發(fā)的課程教學(xué)成果的界定、案例庫素材的選擇、設(shè)問環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)以及案例庫的實(shí)施等。

關(guān)鍵詞：OBE；案例庫；專業(yè)碩士；控制工程；工業(yè)過程高級(jí)控制

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）33-0037-02

《工業(yè)過程高級(jí)控制》是控制工程專業(yè)碩士的必修課，主要講授對(duì)流程工業(yè)中的各種過程參量的控制。依據(jù)具體生產(chǎn)工藝和工況條件的不同，過程對(duì)象的特性及相應(yīng)采用的控制方法各異[1]。由此，該課程的特點(diǎn)是內(nèi)容繁雜，且對(duì)學(xué)生理論基礎(chǔ)及綜合實(shí)踐能力均要求較高。目前，控制工程專業(yè)碩士分全日制和非全日制兩種。其中全日制生源多為應(yīng)屆畢業(yè)生，普遍缺乏對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的感性認(rèn)識(shí)；非全日制碩士多來自工礦企業(yè)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，但理論知識(shí)偏薄弱；其共性則為獨(dú)立科研能力的不足。引入案例教學(xué)，將過程控制理論知識(shí)從實(shí)際生產(chǎn)中引出，又運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，有利于兼顧兩類專業(yè)碩士對(duì)該課程的學(xué)習(xí)需求，從而改善課程教學(xué)效果。但僅以提升單門課程教學(xué)效果為目的的案例庫建設(shè)實(shí)屬狹隘。采用OBE（成果導(dǎo)向）思想，從專業(yè)碩士培養(yǎng)的最終成果出發(fā)，以能力培養(yǎng)為目的的課程案例庫建設(shè)則更有意義。OBE教學(xué)模式是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育的結(jié)構(gòu)模式。目前很多高校都開展了OBE教學(xué)模式下的單科課程或課程群的教學(xué)改革研究與實(shí)踐[2，3]，但對(duì)OBE模式下有關(guān)課程案例庫建設(shè)的研究則較少。本文即探討OBE模式在控制工程專業(yè)碩士課程《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫建設(shè)中的應(yīng)用要點(diǎn)。

一、《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫建設(shè)成果的界定

若以O(shè)BE模式開展《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫建設(shè)，首先需要分析授課對(duì)象——控制工程專業(yè)碩士的培養(yǎng)出口。控制工程專業(yè)培養(yǎng)的是智能控制技術(shù)、自動(dòng)控制與自動(dòng)化裝置、過程控制與優(yōu)化、智能檢測(cè)與信息處理等方面的應(yīng)用型、復(fù)合型高層次工程技術(shù)和管理人才[4]。由此，對(duì)于該專業(yè)主干課程之一《工業(yè)過程高級(jí)控制》教學(xué)成果，乃至案例庫建設(shè)成果的界定，除學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握外，還應(yīng)包括學(xué)生在“應(yīng)用型”“復(fù)合型”“高層次”等方面能力的提升。其中，結(jié)合課程特點(diǎn)，“應(yīng)用型”能力具體為學(xué)生對(duì)過程控制理論從實(shí)踐中來到實(shí)踐中去的應(yīng)用能力；“復(fù)合型”能力表現(xiàn)為學(xué)生運(yùn)用自己的知識(shí)體系和技能獨(dú)立或集體完成針對(duì)具體過程控制任務(wù)的綜合設(shè)計(jì)能力；“高層次”能力則為針對(duì)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下控制系統(tǒng)的新任務(wù)和高要求開展研究，提出創(chuàng)新性技術(shù)和理論的能力。

二、《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫素材的選擇

工業(yè)過程的案例很多，比如熱電廠的鍋爐系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)，會(huì)涵蓋燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)等多個(gè)相互有關(guān)聯(lián)的過程控制系統(tǒng)。從提升學(xué)生應(yīng)用型、復(fù)合型、高能力的角度出發(fā)，對(duì)這些案例要精心挑選和設(shè)計(jì)。其中，既要包含體現(xiàn)實(shí)際工程研發(fā)過程的案例，又要有反映開展科學(xué)研究所需思路模式的案例[5]。例如，可將對(duì)鍋爐生產(chǎn)工藝、控制目標(biāo)和過程對(duì)象特點(diǎn)等的介紹作為課程概述部分的案例，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際出發(fā)，訓(xùn)練其從實(shí)踐中提煉理論的能力。又比如，可設(shè)計(jì)以鍋爐汽包水位系統(tǒng)為背景的仿真案例，在預(yù)設(shè)的鍋爐蒸汽流量波動(dòng)、進(jìn)水流量波動(dòng)、“假水位”等模擬工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐汽包水位的控制。此案例要求學(xué)生在學(xué)習(xí)完單回路控制、串級(jí)控制等理論知識(shí)后獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，從而提升學(xué)生的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、算法軟件編寫、控制參數(shù)調(diào)試等復(fù)合型能力。再比如，針對(duì)環(huán)境和被控對(duì)象復(fù)雜性所涌現(xiàn)的各種高級(jí)過程控制方法，在實(shí)際應(yīng)用中尚需推廣，故實(shí)用案例偏少，這些文獻(xiàn)資料便可作為案例庫素材，而且此類素材的科研特性明顯。在對(duì)此類案例素材的整理和設(shè)計(jì)中，應(yīng)突出科研工作中對(duì)實(shí)際工程問題的提煉、綜述、分析、解決、驗(yàn)證和總結(jié)等基本邏輯節(jié)點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)科學(xué)、規(guī)范的表述方法的重要性，從而通過此類案例的教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生走上科學(xué)研究之路。

三、《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫設(shè)問環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

案例庫建設(shè)并非只是案例的簡(jiǎn)單羅列。在案例庫中加入設(shè)問環(huán)節(jié)，適宜地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)其主動(dòng)性和創(chuàng)造性，是比教會(huì)學(xué)生一兩點(diǎn)知識(shí)更有意義的事情。具體到《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫的設(shè)計(jì)，當(dāng)前的教學(xué)大多只以案例作為理論教學(xué)的輔助素材，使學(xué)生形成此控制問題的解決方案“必然如此”的思維定式。但實(shí)際的過程控制工程，即便控制問題相同，所采用的控制方法也會(huì)因解決思路的差異、實(shí)際工況和硬件條件等的限制而千差萬別，需要設(shè)計(jì)者靈活應(yīng)變。故在OBE模式下，從培養(yǎng)學(xué)生研究能力的角度出發(fā)，將實(shí)際的工程案例作為教學(xué)案例時(shí)，除對(duì)案例本身的陳述外，還可在對(duì)案例問題的分析、控制目標(biāo)和控制難點(diǎn)的明確，以及隨后的控制變量和控制方案的選擇、驗(yàn)證乃至最終確定等各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料、獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)討論等給出自己的答案，而非簡(jiǎn)單接納老師給出的“標(biāo)準(zhǔn)”答案。而且答案并非唯一，正如實(shí)際的控制系統(tǒng)千差萬別。即便給出參考答案，也最好同時(shí)給出可能的其他思路。比如，針對(duì)大延遲系統(tǒng)控制，除了Smith預(yù)估補(bǔ)償方法，預(yù)測(cè)控制同樣在做預(yù)估，能否用于同樣的案例呢？如果可以，兩種方法優(yōu)劣如何？各自適用場(chǎng)景有區(qū)別否？研究思路間有否互為借鑒之處？如此開放性的設(shè)問沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的案例，方可真正激勵(lì)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神，從而通過課程教學(xué)助其成為“高層次”人才。

四、《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫的實(shí)施

以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，案例庫建設(shè)中實(shí)施環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)必不可少。相比靜態(tài)的案例文本，案例的實(shí)施是動(dòng)態(tài)的，需要課堂上教師和學(xué)生的互動(dòng)來完成。盡管每屆上課的學(xué)生基礎(chǔ)相當(dāng)，教學(xué)內(nèi)容變化不大，又有案例教學(xué)來使抽象的理論內(nèi)容生動(dòng)化，但在案例實(shí)施中仍可結(jié)合當(dāng)代時(shí)事，從學(xué)生的身邊事引入話題，從而首先將學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和關(guān)注力調(diào)動(dòng)起來。比如，在介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及其在過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，教師可從機(jī)器人AlphaGo戰(zhàn)勝圍棋大師李世石的故事開始，略過其中復(fù)雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，僅強(qiáng)調(diào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，然后引出同樣具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的基礎(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及如何利用基礎(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些優(yōu)點(diǎn)解決實(shí)際過程控制的案例，最后反問學(xué)生深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為什么目前這么火？能否利用該技術(shù)解決過程控制中的哪些問題？由此激發(fā)學(xué)生去關(guān)注科學(xué)前沿，并時(shí)刻注意新理論和新技術(shù)與自己專業(yè)的聯(lián)系，為其在課程學(xué)習(xí)后開展科學(xué)研究與實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行啟蒙教育。教師在案例教學(xué)中的精心設(shè)計(jì)和實(shí)施，還需學(xué)生的主動(dòng)配合。一方面要求教師的引導(dǎo)和鼓勵(lì)，營造輕松的討論氛圍，一方面則要求學(xué)生積極主動(dòng)的思考，并能大膽提出自己的想法或困惑。無論是想法還是困惑，都是對(duì)案例教學(xué)效果的反饋，案例設(shè)置的廣度和深度是否合適，學(xué)生的接受程度如何，學(xué)生的能力和科研意識(shí)是否由此有所提高，這些都是在案例實(shí)施后需要總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，有必要記錄在案，以供后期案例庫內(nèi)容和形式的調(diào)整。此乃案例庫實(shí)施動(dòng)態(tài)性的另一層含義。案例庫通過實(shí)施、反饋而來的不斷改進(jìn)和完善，使學(xué)生在理論研究和實(shí)際應(yīng)用等方面的能力得以提升。

五、結(jié)束語

本文以控制工程專業(yè)碩士課程《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫建設(shè)為背景，針對(duì)目前該專業(yè)學(xué)生在理論、應(yīng)用及研究等方面能力的不足，以及案例庫僅用于輔助理論教學(xué)、未能在學(xué)生培養(yǎng)能力上充分發(fā)揮作用等問題，提出采用OBE模式開展課程案例庫建設(shè)的思路。并就應(yīng)用型、復(fù)合型高層次控制類人才培養(yǎng)目標(biāo)，以及以該目標(biāo)為導(dǎo)向的案例素材選擇、案例設(shè)問及實(shí)施環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，對(duì)《工業(yè)過程高級(jí)控制》案例庫建設(shè)中的具體措施進(jìn)行探討并給出相關(guān)示例。

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