《过程控制与集散系统》国家精品课程建设实践

黄卫华，方康玲，龙海燕 （武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉430081）

自动化技术与生产过程密切相关，过程控制是自动化技术的一个重要分支［1］。工业生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程，其目标是充分了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上，应用理论对系统进行分析与综合，以生产过程中物流变化信息量作为被控量，选用适宜的技术手段，实现生产过程的控制目标［1］。《过程控制与集散系统》是一门理论与实践联系紧密的综合性专业课程，是武汉科技大学自动化专业的重要专业课，为专业核心课程之一，其教学效果将直接影响本专业学生的培养质量。它是以过程控制系统为主体，控制理论为基础，结合过程工艺、自动化仪表和计算机技术为一体的理论与应用结合的课程［2－3］。

《过程控制与集散系统》课程的前身为20世纪60年代开始设立的 《仪表控制系统》，随着过程控制理论和技术的不断发展，经历了 《仪表控制系统》、《自动化仪表与过程控制》、《过程控制系统》和 《过程控制与集散系统》4个阶段。《过程控制与集散系统》课程2006年被评为湖北省精品课程，2007年被评为国家精品课程。经过多年的发展，《过程控制与集散系统》课程教学不断的求实创新、与时俱进，逐步建立了一套完整、科学的教学体系，集理论性、实践性和工程性于一体。

1 课程建设

创建国家精品课程是教育部 “质量工程”的重要组成部分。《过程控制与集散系统》课程内容丰富，涉及面广，学生对该课程学习的好坏、对有关知识点掌握的熟练程度以及有效地实施相关实践教学环节将直接影响到自动化专业学生运用专业知识解决实际问题的能力。因此，如何进行教学内容、教学方法以及教材建设的改革是 《过程控制与集散系统》课程建设的核心。

针对控制科学与控制工程学科的发展，在课程建设中，基于自动化专业学生的学习基础，通过制定合理的课程结构体系、不断更新教材内容、改善实验教学条件、优化师资队伍等措施，从而逐步形成了一套科学、先进、完整的课程教学内容体系。同时，在教学过程中，采用灵活、互动性的教学方法，实现了理论教学与实践教学、课堂讲授与网络自学相结合的教学方式。

1．1 教学方法

《过程控制与集散系统》课程最突出的特点是控制策略的多样性和针对性，以及理论与实践的紧密结合。因此，在教学过程中，如何以学生为主体、如何将已学的控制理论相关知识与过程控制中的新内容有机融合、如何让学生在有限时间内掌握课程内容、如何培养学生的工程实践能力、如何有效地引导学生独立思考和创造能力，这些问题对于该课程的教学至关重要。

课程组成员在多年的教学过程中，经过不断的探索和改革，在传统的课堂教学中，采用多媒体教学、工程实例教学以及课堂讨论等形式，并且通过互动式、启发式和引导式教学模式，充分提高学生的学习兴趣，从而激发学生的求知潜能，提高课程的教学质量。

1）传统教学与多媒体教学有机结合 采用多媒体课件与传统的黑板板书相结合的教学方式。教学内容以教材为蓝本，通过多媒体课件的演示，向学生们生动的展示课程讲义、例题演示等内容，增加课堂教学的信息量，从而提高课堂效率。针对理论推导环节，教学方式着重传统的黑板板书。如在讲解串级控制系统特点时，通过板书一步一步的推导环节，向学生传递系统分析的过程及要点，加深同学们对理论知识的理解。同时，基于MATLAB软件平台，将各种控制策略进行仿真实验，通过对比实验的多媒体演示，充分的让学生们了解各种控制策略的特点。

2）工程实例教学 鉴于该课程的工程实践性，在教学过程中，将教师的科研课题作为教学内容的实例，从设计方案、设备选型、系统组建及调试等方面，完整、系统的介绍某过程控制系统设计及实现过程，特别是介绍系统调试的心得，从而开拓学生的思维，激发他们对理论学习的兴趣，使其能够将书本知识和工程需求相结合，将抽象的书本知识具体化，提升他们的专业认同感。

3）课堂讨论 学生是课堂教学的主体，启发式和引导式教学对于提高教学质量的重要环节。在教师授课的同时，适当的加入课堂讨论环节，激发学生的学习积极性。《过程控制与集散系统》课程开设之前，有少数同学在假期参加了 “全国大学生智能车大赛”，这部分同学已经提前自学了PID控制器参数工程整定的方法，并且积累了丰富的调试经验，因此在讲解 “PID调节原理”时，介绍完PID控制器参数整定方法后，让参与过 “智能车大赛”的同学以智能车PID控制器设计及参数调试为内容，准备好PPT，在课堂上向同学们讲解整个智能车PID控制系统的设计思路，特别是参数整定的过程，然后，通过视频的动态演示，向同学生展现智能车运行效果。从课堂现场反馈可以看出，这种教学方式取得了非常好的教学效果，学生们反应热烈，不断向讲台上的同学提问，形成了良好的学习互动效果。

1．2 实践教学

实验教学是 《过程控制与集散系统》教学中必需的重要环节，构建了理论教学与实践教学、课堂教学与课外科技实践密切结合的创新平台。该课程的实验环节包括基本实验、综合实验和创新实验。通过这些实验环节不仅使学生巩固理论课的基本理论和基础知识，还能培养了独立科研工作的能力。

过程控制与集散系统实验室拥有30台过程控制实验仪，每次实验课可以保证1人1台设备，可独立进行操作，从而保证了实验课程的教学质量。为了增强学生实践能力，在原有实验内容的基础上，延长开放实验室的时间，增加实验内容，将原有的4个实验单元增加为8个单元，包括过程控制实验仪器的认识，组态软件认知实验，调节阀、流量、压力的关系实验，单容水箱液位定值控制实验，单容水箱液位和进口流量串级控制实验，单闭环流量比值控制系统实验，DCS控制系统认识实验等。

该实验仪除了提供基本的实验内容外，还可以进行二次开发，满足过程控制系统对象特性分析，控制系统设计以及工业现场模拟等各类型的实验。老师提出实验目的和设计要求后，学生自行设计实验方案并搭建实验平台，对实验结果进行观测－分析－整定，并得出相关结论。在整个实验过程中，学生是主角，教师只是辅助学生，给予学生指导性的建议。

创新实验目的在于培养学生的独立科研工作和创新能力。配合校级大学生创新基金以及各种学科竞赛活动，指导教师提供选题，开设专题讲座，然后，由学生们自主选择题目展开研究。学生也可根据自己的学习兴趣和实验准备情况，通过预约，进入实验室进行相关实验。在此基础上，学习成绩优秀的同学进一步参与各种竞赛，如 “全国大学生智能车大赛”。

为了方便学生预习和复习课程实验，《过程控制与集散系统》课程还在课程网页上提供了实验课程录像，将实验过程变得更为清晰，提高了实验环节的生动性，激发学生的学习兴趣。基于实验录像的反复可观看性，学生可实现实践－认识－再实践－再认识的过程，加深对理论学习的理解。

1．3 教学网站建设

建设了 《过程控制与集散系统》网络教学网站。网络教学网站主要包括多媒体课件、实验教学、视频点播、网上自测、网上答疑、课程论坛、课程导学、教学改革、教学信息发布、往年考题等。教师可利用网络进行辅助教学，学生可进行远程、自主的学习，共享教学资源。

2 教材建设

教材是精品课程建设的基础。《过程控制与集散系统》课程主讲教师根据多年的教学经验和科研成果，结合课程教学实际和专业特点，编写了一系列适用性强的教材，包括主教材、实验教材、习题集以及辅助教材等。其中，主教材经过了不断的完善和充实，力求将最新的教学内容、教学手段和科研成果融入教材中，保证教学内容的前沿性和时代感。

课程主讲教师编写的 《过程控制系统》（2002年，第1版）注重过程控制基本概念，并且介绍了国内外过程控制。该教材经过4年多的使用，编者结合过程控制技术的发展，对第1版教材的内容进行了修正和更新，2007年出版了 《过程控制系统》（第2版）。鉴于高可靠、智能化仪表和集中分散控制系统是过程工业自动化的标准发展模式［2］，2009年出版了 《过程控制系统与集散系统》，该教材在原有教材的基础上，增加数字PID控制算法、DCS的原理和设计方法等章节，并加强对预测控制等先进过程控制方法的介绍，从而保证了教学内容的新颖性。针对 《过程控制与集散系统》课程中控制方法种类多，工程实践性强的特点，课程组成员根据学生学习的需求，出版了 《过程控制系统－习题解答及课程设计》。这样，学生在课下可以通过书中提供的课程重点、例题讲解和习题等环节，巩固课堂所学知识。

3 师资建设

课程教学师资队伍是教学质量的重要保证。《过程控制与集散系统》课程的教学队伍有从事教学工作40多年的学术带头人1人，40～50岁2人，30～40岁2人，30岁以下2人，教学队伍逐步形成了一支责任感强、思想活跃、积极进取的老中青结合的教学梯队。年长的教师和青年教师定期进行教学交流，讨论教学方法、修改教学计划及内容，从而保证教学队伍的稳定性。

另外，教学团队中的部分教师承担了多项科研项目，具有丰富的工程实践经验并取得了多项科研成果。这些教师在教学和实验过程中，可以尽可能的满足 《过程控制与集散系统》课程的实践性和综合性强的特点，更好的为课程教学服务。

4 结 语

经过5年多的国家精品课程的建设，《过程控制与集散系统》课程基于自动化技术的发展和学生的学习需求，做到了规范化、制度化和网络化的教学过程。另外，积极开展各项教学研究工作，积极与国内其他高校进行教学交流和研讨，吸取先进的教学理论和经验，不断地更新和充实教学内容和方法，保证了精品课程的可持续发展。在教学过程中，严格执行教学督导和学生的教学评价制度，教学效果及时反馈，保证教学的质量。

［1］方康玲 ．过程控制与集散系统 ［M］．北京：电子工业出版社，2009．

［2］邵惠鹤 ．工业过程高级控制 ［M］．上海：上海交通大学出版社，2003．

［3］孙京诰，罗健旭，刘漫丹，等 ．过程控制工程国家精品课程特色建设探讨与实践 ［J］．化工高等教育，2012（12）：15－18．