《过程控制与仪器仪表》教学方法改革与实践

一、引言
《过程控制与仪表》是检测控制和自动化专业的一门重要专业课。过程控制在化工、水力、电力等许多领域占据着重要的地位。随着工业不断地发展，控制对象复杂，控制要求多样，传统的过程控制教学方式相对地较落后。为了使其更好地适应新技术和新应用的发展，真正实现实践型与创新型人才培养的需求，从教学内容、教学理念、教学方法和教学手段等方面，对过程控制及仪表课程进行了教学改革探索。同时在本课程的教学实践中进行应用，从而提高了学生的学习兴趣，培养了学生的自学能力、思维能力和创新能力，提升了教学质量和教学效果。随着国家对高校教育投入力度不断加大，过程控制实验室有了明显的改观。过程控制的理论教学和实践教学也有了很大的进步。
然而，随着国家提出的“工业4.0”高科技战略计划和“中国制造2025”的号召，当前的教学方式和实验条件已经满足不了时代的发展和要求，在新时代的需求下对现有的《过程控制与仪表》的教学方法进行改革显得尤为重要。
从国际形势来看，中国成为《华盛顿协议》第18个正式成员，这是我国科技组织在国际舞台上取得重要话语权的标志，是中国的高等教育受到世界认可的标志。《华盛顿协议》是一项工程教育本科专业认证的国际互认协议，是推进我国工程师资格国际互认的基础和关键，对于我国工程技术领域应对国际竞争、走向世界具有重要现实意义，所以教学思想、教学观念和教学结构、教学模式的转变要适应社会的发展。
从国际国内形势来看，《过程控制与仪表》这门课程的改革和探索急需加强，这正是本项改革要探讨的问题。
二、研究的目的和意义
本研究的目的是让该课程更加具有系统性、合理性；提高学生对该课程的兴趣，使其积极主动地去学习和探索，用学习的理论知识指导生产实践，学以致用；开阔学生的视野、了解国内外在该领域的最新动态，提高本专业学生的理论水平和工程实践能力。本课题的研究具有如下意义：
1.提高教师的理论水平和实践能力。教师在教学中起到关键的作用，教师的教学水平时直接影响学生接受知识的重要因素之一。在教学中要让高校教师既精通专业理论知识，又要熟练掌握有关操作技术，在实验、实习及工作现场教学生操作技能，这对教师来说无疑增加了任职难度，但这是时代的呼唤，高等教育要达到可持续发展的目的，就必须满足社会用人的需要，勇于接受这一挑战。
2.提高电子类专业学生的工程实践能力与专业型培养高层次人才。提高学生的工程实践能力在现代社会中具有重大意义，学生的综合能力，尤其是工程实践能力、工程意识与创新思维的培养是高等学校的一项重要任务。结合工程训练实践环节、教学改革以及课外创新活动的开展，从教学观念的转变、工程教育体系的完善和师资队伍的建设等方面，如何培养出具有工程实践能力强、专业性比较强的复合型人才具有重要的研究意义。
三、微课在选修课教学中的应用
1.选修课学习者的特征及存在的问题。笔者通过对西安科技大学选修课《过程控制与仪表》选课情况的调查发现：（1）选课学生的年级分布情况为：一、二、三、四个年级学生分别占0%、85%、12%、3%。这说明选修课学习者由不同年级的学生组成，使得课后学生之间的讨论和交流缺失或弱化。（2）选课学生的专业包括：安全工程、汉语言文学、艺术设计等10个专业。这说明选修课学习者的专业背景和知识结构差异较大，使得教学目标、教学内容及教学进度的制定产生困难。（3）选修课采用大班教学，难以实现个性化指导以及促进每个学生积极思考、主动参与探究。（4）四年级学生面对就业与考研压力，旷课次数增多。
2.教学模式设计。（1）在教学过程中教师的语言流畅、准确、精练，感染力强，教学基本功扎实，有较好的教学理论基础和研究能力。运用了案例教学法积极鼓励学生独立思考。案例教学重视双向交流。在案例教学中，学生拿到案例后，先要进行消化，然后查阅各种学生认为必要的理论知识。这无形中加深了对知识的理解。捕捉这些理论知识后，学生还要经过缜密的思考，提出解决问题的方案，这一步应视为能力上的升华。同时学生的答案随时由教师给以引导，这也促使教师加深思考，根据不同学生的不同理解补充新的教学内容。同时，双向的教学形式对教师也提出了更高的要求。让学生观看相关视频讲座，做好笔记，写好心得，增强学生对这门课程的兴趣，同时教师也要加强自身学习，不断地充实自己、提高自己。（2）与大型企业进行合作的培养模式。高等院校与大型企业合作培养高层次专业型人才。具体实施方案如下：高校与相关企业关于过程控制相关内容签署战略合作协议，在制定卓越工程师教育培养计划、企业导师合作、学生奖学金及助学金等方面开展深入合作，面向社会发展需求，共同优化人才培养模式，大力推动创新型人才培养。该模式是由学校和企业、科研院所合作，将理论学习与实践训练相结合，培养学生的实践能力和创新精神，全面提高学生素质的一种新型的教育模式。①合理设计教学内容。以生产实践环节为主掌握过程控制中基本概念，减少理论知识的讲解，突出应用技能为教学重点。教学中要充分考虑到工程实践中的实际需求。此外，在教学时还要充分结合电子类专业的专业特点，有针对性地增加学生的专业知识，为后面的学习打好基础。②删除不实用的陈旧内容。教学过程应该本着够用、能用的原则，着重介绍过程控制中的基本概念、原理和主要分析方法，对于一些烦琐的数学公式推导能避免则避免。尽量减少或删除当前工业控制中已经不再使用的仪器仪表部分，采用当前比较常用的仪器仪表进行讲解。③增加新兴的科学知识。随着科学技术的不断发展，过程控制中涌现了新的知识，因此教学内容应该增加过程控制中的一些前沿知识和新兴技术，对于原有的、脱离实际的理论知识要及时剔除。教师在教学过程中及时引入这些先进的内容，不断扩充学生的知识面。④互动式教学法。在过程控制教学过程中，采用“以学生为主体”的教学方式，教师根据学生遇到的问题进行设疑，集思广益，共同探讨找出问题的答案。使学生能够独立思考并解决问题，由被动接受者转变成主动研究问题、解决问题的探究者，由此培养学生思考问题的能力，继而提高学生主动探索问题的能力。⑤与大型企业相结合的教学模式。如艾默生电气公司等大型跨国企业，结合这些大型企业中过程控制的先进技术和管理模式及市场导向等反馈到教学中，实现教学和企业相结合的模式培养学生的国际化视野和实践能力。
3.教学目标的设计与教学重点的确定。由于选修课面对学生的专业、知识结构存在很大差异，使得教学目标的设计与教学重点的确定变得困难。以笔者在《过程控制与仪器仪表》中的粒子群算法为例，从学生所提问题可以看出：计算机、自动化专业的学生更关心粒子群算法的改进方法和最新的理论进展；工商管理、电子商务等专业的学生更关心基本粒子群算法的应用问题；艺术设计、语言学的学生对粒子群算法的起源与产生背景更感兴趣。这说明如果教学目标定得过低，像计算机、自动化专业的学生会觉得课程过于简单，学不到东西。如果目标定得过高，又会使大多数专业的同学感觉艰涩难懂。如何解决这一问题，笔者认为应该对微课进行分类创建。不同需求的同学根据自己的实际情况选择适合自己的微课分类，真正达到个性导学的教学目的。
4.对学生的学习成果进行有效的评估。虽然笔者在《智能算法智能控制》的教学实践中，设置了学生成果展示这个环节，但是由于课堂时间有限，成果展示以小组完成。是否每个小组成员均得到确实的锻炼，不得而知。而且如果所布置作业统一命题，又会造成大量雷同的成果出现。针对这一问题，笔者认为一是在作业布置时避免统一命题，建立题库使得各小组根据本组特点选择不同题目。二是进行一定形式的随堂测试。
本文为提高选修课教学质量，设计新的翻转课堂导学模式。基于新的导学模式，将微课引入选修课《过程控制与仪器仪表》的教学实践，对微课在选修课中的应用进行了有益的探索。