韩云涛 彭秀艳 魏延辉

摘     要：文章结合“工业过程控制”课程教学实践，通过研究基于PPT+MOOC形式的“线上线下”混合式教学对课堂教学进行教学改革，并根据课程内容与工程应用联系紧密等特点，将“模块化”“可视化”“虚拟现实化”等设计方法融入课程教学中，以满足混合式教学及翻转课堂的需要，持续推进精品课程建设，培养高素质的研究应用型人才。

关键词：精品课程;教学模式;工业过程控制

中图分类号：G642.3         文献标识码：A         文章编号：1002-4107（2020）08-0038-02

自动化专业作为知识涵盖面广、技术通用性强的专业，在我国理工类院校都是重要的学科专业方向。“工业过程控制”是自动化领域的重要分支，可应用于石油、化工、船舶、核能、电力等工业生产中。“工業过程控制”课程的学习，要求学生具备一系列基础理论知识和专业基础知识，课程本身涉及知识面广、难度大，而且直接面对工程问题，因而传统教学模式下的教学效果不尽如人意，有待提高。因此，如何提升教学质量，如何让学生真正掌握工业过程控制系统分析、设计、实现方法，是进行课程教学改革的重要研究内容。

一流本科教育、一流人才培养已成为学校的根本任务，在新形势下对课程建设提出了更高要求[1-2]。各高校也将课程改革的新思路、新方法不断应用于本科课程教学当中，例如，虚拟实验操作模式[3]、模块化翻转课堂[4-5] 、OBE教学模式等都在教学中取得了良好的效果[6]。哈尔滨工程大学的“工业过程控制”课程作为自动化专业的专业核心课程，授课教师也积极进行课程改革的探索与实践，开展“线上—线下”混合式教学，努力建设适应新时代要求的精品课程。

一、“工业过程控制”课程建设现状

（一）出版教材，同步建设MOOC

通过校级品牌课程立项，“工业过程控制”课程的授课教师编写课程教材并在高等教育出版社出版，同时建设与教材配套的MOOC。MOOC完成后，在“中国大学MOOC”“智慧树”和“学银在线”三个平台上线。校内SPOC教学资源面向2017级校内11个班级335名自动化专业学生授课，线上MOOC累计参加学习的学生人数已超过1万人次。在校内教学中，将MOOC资源作为混合式教学和翻转课堂的素材，要求学生课前利用已经发布的视频进行预习，通过课堂讲授使学生能够充分掌握难点和重点，部分授课内容采用翻转课堂的形式，积极引导学生在课上进行讨论和研讨，课后学生可利用MOOC资源复习和测试，从而巩固学习效果。

（二）积极开展“线上+线下”混合式教学

通过开展“线上+线下”混合式教学，提高学生的学习效果。在日常高校授课过程中应用了“翻转课堂”的教学方法，学生通过课堂面授和在线MOOC学习的方式将教学大纲中要求的基础知识学懂学会，然后通过小班研讨的形式对知识点内容进行提升学习，由教师引导，学生自主解决问题，从而增强学生解决问题的能力。小班研讨的视频发布到课程平台，在线学习的学生可以持续参加讨论，增强学生学习兴趣。

（三）利用“雨课堂”进行课堂互动

本课程还注重教学手段的提升，在课堂教学中利用“雨课堂”教学工具完成与学生的互动。学生扫码进入班级，授课过程中若有不明白的地方可在“雨课堂”学生端进行标记，方便教师掌握学生对知识点的掌握情况，课上利用“雨课堂”发布习题，学生作答后提交，可实时获得测试成绩及统计结果。学生在课前预习授课教师发布的预习内容，课后完成作业后提交到“雨课堂”系统，同时可在系统进行互动答疑等。这种互动可提高学生注意力集中的程度，也有助于授课教师实时跟踪授课效果。

二、“工业过程控制”课程教学模式

（一）“模块化”翻转课堂教学模式设计

“模块化”是指教学内容以知识块为主的组织形式。“工业过程控制”课程的“模块化”翻转课堂主要是在课堂中引入课程MOOC资源，改变现在以PPT为主的教学形式为“PPT+MOOC”形式，采用“授课+翻转+授课”迭代课堂模式进行授课，实现课前学习，课堂翻转来提升课堂教学效果。

哈尔滨工程大学的“工业过程控制”课程为 40 课时（包括32学时理论课和8学时实验课）。课程采用“理论模块”+“实践模块”的设计格局。理论模块主要包括控制系统的组成环节即被控对象的数学模型、检测变送器、执行器、控制器四部分组成。该课程从整体上是采用大模块进行讲解，而每一个大模块当中又包含若干小模块，例如，被控过程的机理法建模和试验法建模，既互相联系又分别具有较为完整的设计思路，学生在学习一种建模方法时，不必先掌握另一种建模方法。同理，工业控制中针对不同过程参数进行测量的各种检测变送器原理也不相同，同样可以按照模块化进行划分。在小模块设计过程中简略介绍本模块与其他内容的衔接关系，重点讲解本模块需要掌握的原理、方法、设计步骤及应用实例等，使学生通过模块化的课程学习可以更好地掌握目标知识点，进而达到掌握课程主要内容的目的。课程“实践模块”主要由5个与双容水箱相关的实物实验及独立开发的虚拟仿真实验组成。所有的内容先按照模块化思想进行设计后，再结合翻转课堂教学模式进行讲授，这种方式可以使学生更好地掌握每部分的重要知识点。

（二）“可视化”信息融合教学模式应用

通过多年的教学实践发现，“工业过程控制”课程的部分内容具有“抽象”“难懂”等特点，由于该课程的工程应用性强，知识点纷繁芜杂，学生经常对相似的理论和工程应用过程发生混淆，基础概念理解不清，导致对后续课程的重点内容更加难以理解和掌握，形成恶性循环。针对上述在教学过程中发现的各种问题，从“激发兴趣，启发式教学”的角度出发，在教学中结合典型事例，同时充分结合网络资源，将教学内容进行“可视化”设计。

为使抽象枯燥的知识变得具体化，甚至在教学中富有趣味，理论部分和工程应用过程可以用模拟结果和动画的形式展现给学生，加深学生对课程中有关概念、方法和工作过程的理解，激发学生兴趣，增强教学效果。“可视化”实施过程可以将课前设计好的元件工作原理或者设计过程以图片或者动态Flash的方式展示给学生，例如，热电偶的工作原理、气动调节阀的结构类型及工作原理等均可以用动态Flash的方式对学生进行讲解，给学生以直观感受，激发学生兴趣。

（三）开展虚拟现实技术的实例化教学

“工业过程控制”课程教学的难点是实际过程控制系统结构复杂庞大，无法建设物理实验系统。在理论教学中，学生并不能有效地将理论知识中的数学模型、控制方法与真实物理系统相联系，同时在实践环节中也无法将实验系统与实际生产系统相匹配。因此，只有将该课程课堂教学与实际应用环节相辅相成、形成有效的“前馈—反馈”结构，才能有效地做到理论联系实际，才能使学生在工作过程中充分利用所学到的知识解决现实问题。

虚拟现实技术在“工业过程控制”课程教学中具备许多待挖掘的优势与潜在价值。

1.虚拟现实技术可增强学生对实际物理系统的认

知。利用虚拟现实技术可以在理论教学环节中模拟完整的、可控的过程控制虚拟环境，这一虚拟环境带来的直观性感受明显优于当前教学中所采用的图片、视频等传统多媒体技术。同时，具备可控性的虚拟环境可以充分模拟实际生产的工作过程、控制器参数整定、控制变量及被控变量参数显示等多种过程，学生通过在虚拟环境下的随堂实践训练，可以有效地培养工程化思维模式，提高解决实际工程问题的能力。

2.虚拟现实技术可以极大扩展教学内容范围。自动化的工业过程控制设备通常具有体积庞大、工作空间封闭、工作过程及原理不具有直观性等特点，运行数据难以进行在线分析。所以，即使身处真实的过程控制的环境，也无法了解设备的运行规则与工作状态。而运用虚拟现实技术建立的虚拟仿真过程控制系统却可以显示元件级的仪表装置，完整实现从零件级至系统级的大型设备的跨尺度展示与分析，使学生能够充分“深入”到设备之中，理解工业生产中的原理及工作过程。

哈尔滨工程大学“三海一核”特色中的大型船舶的辅机过程控制系统是典型的复杂过程控制。由于船舶輔机设备及其过程控制系统非常复杂，实际应用的系统类型也较为繁多，几个典型的系统包括燃油系统、滑油系统、锅炉及蒸汽系统、冷却水系统等都可以通过虚拟现实技术进行实现，使学生能够更好地掌握实际过程控制系统设计步骤和调试方法，激发学生学习、解决工程问题的兴趣。

在课程前期建设的基础上，逐步开展课程内容的“模块化”“可视化”“虚拟现实化”实践工作，将研究成果融入教学过程当中，不断丰富教学内容，提高学生的知识储备和科研学习能力。通过对课程的持续建设，在现有省级精品课基础上积极申报国家级精品课程，力求为学生搭建一个“理论—实践—探索”逐步提升的学习平台。

参考文献：

[1]闫长斌，时刚，张素磊，等.“双一流”和“双万计划”背景下学科、专业、课程协同建设：动因、策略与路径[J].高等教育研究学报，2019，（3）.

[2]李志义.“水课”与“金课”之我见[J].中国大学教学，2018，（12）.

[3]李欣雪，徐殿双，龙小丽，等.电路基础精品课程建设探讨[J].电子技术，2018，（7）.

[4]梁士栋，马明辉.模块化导向下的大学课程高效教学模式研究[J].教育现代化，2019，（1）.

[5]刘钺.模块化微翻转课堂在教学中的应用[J].课程教育研究，2018，（41）.

[6]范铮，秦磊，张国亮.OBE 教学模式在海洋技术专业课程教改中的应用和实践——以海洋天然产物化学课程为例[J].课程教育研究，2019，（7）.

收稿日期：2019-12-04

作者简介：韩云涛（1978—），男，山东章丘人，哈尔滨工程大学自动化学院讲师，主要从事先进控制理论及应用研究。

基金项目：哈尔滨工程大学教学改革项目“基于信息融合打造精品课程的探索与实践”（JG2019B14）;哈尔滨工程大学教学改革项目“国际院校合作条件下的人才培养模式探索与实践”（JG2019B13）