“过程控制系统”课程的实验教学改革

杨马英，李 敏，陈伟锋

(浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023)

“过程控制系统”是自动化专业的一门理论与应用联系密切的专业课程。本课程实践教学环节的效果对毕业生的专业意识与能力培养的重要性是不言而喻的。在课程实践教学中，山东大学设计了综合性实验教学平台[1]，浙江大学、华东理工大学在典型对象实验教学的基础上结合了自主设计与综合仿真实验教学方法[2，3]，江南大学提出了课内外多形式的多层次创新实验教学体系[4]，从多个方面提高了课程的实验教学质量。值得注意的是，由于专业培养方案中课程体系结构的差异，学生专业背景和就业方向的差异，以及实验设备条件的差异，该课程实验教学改革需更多地结合学校自身特点进行。过去的几年中，我们着力在激发学生的主动参与意识与团队协作意识、提升工程实践能力等方面进行了一些实验教学改革尝试，收到了很好的效果。

1 课程实验的教学目标

“过程控制系统”课程实验，作为自动化专业课程体系的有机组成部分，和其他教学环节一起，共同担负着培养专业人才的重要任务。一般而言，学生完成专业学习后必须掌握的知识和具备的技能包括以下几方面:①专业知识和技能;② 个人素质和能力;③人际能力;④ 工程项目(系统)建造能力。而对“过程控制系统”课程实验这一教学环节而言，突出能力与素质培养的功能尤为重要，我们以一系列具体实验项目为载体，培养学生与过程控制相关的基本专业技能，我们希望达成的教学目标是:理论联系实际、提高分析问题解决问题的能力，具备严谨认真的工作作风与团队合作精神，良好的学习与沟通能力。

2 实验教学内容设计

实验教学的改革需依托现有实验室条件进行。我校的过程控制系统实验设备是多套两路流量可调的循环水系统，包括液位、流量、温度参数的检测和控制。实验设备安装有工业界流行的自动化仪表，可实现基于数字调节器的控制、基于可编程控制器(PLC)的控制或基于工控机的控制。因此，实验项目的设计具有一定的灵活性。

我们学院有实验室开放机制，学生可预约非课内实验时间进入实验室，这也为有的学生课后加做感兴趣的实验开了绿灯。

我们对实验项目的设计原则是:在有限的实验课时内，通过实验加深对过程控制系统这一门课程的核心内容的理解;从应用需求出发，掌握控制系统设计与调试的基本技能方法;借助典型实验项目，使绝大多数学生在训练动手能力，提升专业素养方面受益。

2.1 跟课实验的教学内容

跟课实验共有8学时，我们安排了系统认识(对象及检测仪表与控制仪表;组态监控系统操作)、对象特性测试、单回路系统PID参数整定及控制、串级控制系统的参数整定这几个必做实验项目，一般采用水箱液位作为被控参数，但学生也可选择流量和温度参数来实现这些实验项目。控制器可选择数字调节器，如果学生感兴趣的话，教师鼓励其实现基于PLC或工控机的控制。这样，实验项目安排就具有了一定的操作弹性和可拓展性，能兼顾到不同学生的学业基础，达成基本教学目标。同时也能使基础较好的学生得到更多更深入的实践锻炼机会。避免在实验课时内有的学生不满足、有的学生做不完的尴尬情况出现。

2.2 课程设计的教学内容

除了跟课实验，我校的“过程控制系统”课后另有1.5周的课程设计。我们对课程设计的内容进行了精心编排。

实验内容是项目驱动式的，给出设计任务，通过教师的辅导和小组成员的讨论，让学生一步步在做中学，在完成设计任务的同时收获成就感，提升专业学习兴趣与自信心[5]。

具体地，我们针对实验室循环水系统这一被控对象，采用西门子S7-200 PLC设计一个控制系统(至少包含一个回路)，根据设计规范完成管道仪表流程图等典型图表的绘制，编写控制程序，并利用昆仑通泰MCGS组态软件完成监控系统的设计，完成系统调试，调整系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。最终编写完成课程设计报告。

通过这一课程设计，意在锻炼学生几方面的能力:①综合运用专业及基础知识、解决实际工程问题的能力;②工程绘图和程序开发与调试的能力;③编写技术报告和技术资料的能力。

实验所用可编程控制器和组态软件是主流工业化产品，使专业技能的培养与社会需求接轨。

实验分组是2人一组，除了各自独立设计控制方案，在方案实现的过程中，其中一人负责PLC的控制编程，另一人负责运用组态软件的监控系统设计。虽有分工，但设备驱动与数据通信等功能的实现需要小组成员的学习讨论与密切配合。这样的安排是我们有意为之的。事实证明，一人一组的实验安排并不是最佳的，尤其对综合性的实验而言。学生实验后也普遍反映，这一分工安排对锻炼团队沟通与合作能力效果明显。

虽然各组实验调试用的是同样的设备，但在布置设计任务时，教师会给不同的小组规定一些诸如被控变量、采样周期、控制规律、监控界面风格等方面的不同要求，这样要求的结果是，没有两个小组的设计任务是完全相同的。这样的个性化设计任务也杜绝了一些学生可能会有的偷懒拷贝的想法，保证了课程设计的整体教学效果[6]。

3 实验教学的方式方法

如何利用有限的教学时间和资源高效率地实现培养目标?如何保证大多数学生受益以达到培养目标?教学过程中以学生为中心、注重对学生学习积极性的调动是关键[7]。

传统的实验教学方式较多的是由教师讲解与实验相关的知识点，布置学生在固定的实验台上验证，甚至给出完整详细的实验操作步骤，实验教学方式以教师为中心，实验中学生被动地按照实验要求和操作步骤进行。学生可能没有理解实验的完整结构和原理，实验就变成了连线和复制程序;导致实验课形式化，达不到增强学生实践能力的目的。

我们的实验教学方式调整从实验指导书的改编开始。在跟课实验中对几个实验项目的内容和步骤的介绍由详到略，实验步骤不再事无巨细，给出学生自主思考空间;配合实验项目后面的思考题，激发学生对相关问题的主动思考，培养其理论联系实际的能力。

教师在实践教学环节中，更多地通过互动交流，引导学生关注实物装置的对象特点、仪表配置与操作台布局、控制系统如何组成、实验中的现象说明了什么问题以及如何提高控制性能等方面问题，调动学生的学习积极性和参与性。有的问题教师不给出固定的答案，让学生自己在实践中分析。让学生明白，做实验重在参与，重在学会分析，重在实验过程有收获，至于实验结果如何那是次要的。

例如，在过程控制系统的课堂理论教学时，我们已布置学生通过Matlab仿真的手段对控制系统模型的响应、控制器参数对控制性能的影响等问题进行了分析。但在跟课实验中，PID参数的整定仍是主题之一。遇到学生在实验分析，尤其是串级控制实验中闭环响应曲线性能不佳时，教师应鼓励学生在确保安全的前提下积极思考，大胆尝试，进一步加深关于PID参数作用的理解。

我们指导课程设计时，虽然仍然提供了设计指导书，但指导书给出的仅是设计意义、设计任务与要求、实验装置介绍、控制系统设计要点与规范、PLC编程与MCGS组态概论等内容。至于组态软件和PLC的详细了解需借助“MCGS用户指南”和“S7-200系统手册”这样的原始参考资料获得。教师在讲解时也告知学生，学会带着设计任务查找资料、在做的过程中学到知识是这一课程设计的重要特点。由于没有了具体的操作步骤，有的学生一开始不太适应，甚至无从下手。教师在设计过程中更加注意关注各组工作进程，了解他们遇到的问题和困惑，并根据需要给予指点和引导。这样既保护了学生的学习积极性，又保证了设计任务的顺利完成。

经过几届课程设计，学生普遍反映这样的教学方式对于提高资料查阅能力、分析问题解决问题能力和提升专业学习兴趣效果明显。许多学生在后续的毕业设计中又针对实验装置开发了基于OPC的预测控制和解耦控制等复杂控制系统，并取得优秀的成绩。也有学生参加全国西门子杯工业自动化挑战赛，并取得了设计开发组全国总决赛的二等奖。

4 实验结果评价

实验报告是评定学生实验成绩的重要依据。我们在对学生实验报告的写作要求上，不希望学生大段摘取实验目的与内容等指导书已有内容，更多地强调了实验数据整理和分析的要求，督促学生对重点问题和实验现象进行思考分析，提高了学生归纳、整理、分析实验结果和撰写报告的能力。

实验成绩不只是取决于实验报告，我们在每组学生完成各实验项目时都会进行验收并计入成绩。验收时检查学生是否已达到规定的实验要求，并通过即兴提问了解学生对原理的理解，实验过程遇到的问题及实验收获。会对实验现象进行分析，能解决实验过程中遇到的问题，比一路顺利得到漂亮的实验结果更加重要。这样的实验评价方式也引导学生更加关注于对实验过程的思考。

5 结语

实验教学环节更能反映工程教育的质量，实验环节的教改受到众多因素制约、难以取得明显的实际效果。本文是我们对“过程控制系统”实验教学改革的一些探索。我们从学生学习兴趣的提升中受到鼓舞，也期待在与同行的交流中进一步完善教改措施。

[1]刘成云，陈振学，过程控制系统实验平台的建立与开放研究[J]，南京:电气电子教学学报，2013，35(4):104-106

[2]于玲，戴连奎，过程控制系统自主设计与综合仿真教学方法[J]，上海:化工高等教育，2012(2):90-92

[3]刘漫丹，杨洁，罗健旭等，过程控制工程的计算机仿真实验设计[J]，上海:化工高等教育，2006(03):72-73

[4]杨慧中，陈刚，朱志芳等，“过程控制系统”创新实践教学的研究与探索[J]，上海:化工高等教育，2012(2):70-72，85

[5]王冬艳，郑骊，李小平，项目驱动教学法进行数字电子技术实训改革[J]，南京:电气电子教学学报，2012 ，34(6):77-79

[6]邓晓刚，杨明辉，王树斌，基于差异化策略的自动控制课程设计探索[J]，南京:电气电子教学学报，2013，35(6):101-103

[7]查建中，徐文胜，顾学雍等，从能力大纲到集成化课程体系设计的CDIO模式---北京交通大学创新教育实验区系列报告之一[J]，武汉:高等工程教育研究，2013(2):10-23