过程控制工程实验课程教学改革与实践

邓晓燕， 高红霞， 黄道平， 孙宗海， 哀 薇

(华南理工大学 自动化科学与工程学院， 广州 510641)

过程控制工程实验课程教学改革与实践

邓晓燕， 高红霞， 黄道平， 孙宗海， 哀 薇

(华南理工大学 自动化科学与工程学院， 广州 510641)

根据新形势下对培养创新型人才的要求以及在实验课程体系中存在的问题，结合实验课程的特点，对过程控制工程实验课程体系进行了反向设计，建立多位一体、分层次、重能力的教学模式，针对不同层次培养不同能力采取了形式多样的正向教学实施过程，并推行了特色鲜明的教学实践。本实验课程教学模式得到学生的普遍认可，对工程类实验课程的开展有一定的借鉴作用。

过程控制工程; 实验教学; 教学改革

0 引 言

在新形势下，自动化专业作为面向工程技术的专业之一，贯彻落实卓越工程师教育培养计划，不仅要求工科教育要强调理论与实践相结合，培养学生的动手实践能力，还要求培养和造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量创新型工程技术人才。有高校提出了开展“创新实践课程，搭建创新实践平台[1-2]”，以促进学生创新实践能力的培养。也有高校提出“务实基础，建立校企联合人才培养机制[3-4]”，借助地方和企业的资源，共同培养创新创业型人才等，通过各自的教学改革和实践，采取的相应策略起到了一定成效，但大多并没有形成完善的培养体系，学生潜能仍有待发掘。因此有必要对实验课程的开设进行体系化设计。本文阐述了在过程控制工程实验课程中所采用的系统性全方位的教学模式，实践中取得了很好的效果，对工程类实验课程的开展有一定的借鉴作用。

1 实验教学体系存在的问题

(1) 教学目标和方向不明确。在实验课程的开设上，一些老师对课程教学培养目标不明确，往往不清楚这门课程或者实验内容在对学生培养方面起到怎样的作用，或者基于怎样的教学方向去设计实验项目，仍一成不变地延用长期积累下来的实验项目进行教学，导致课程内容老旧，重点不突出，开设的课程对学生能力的培养起不到太大作用。

(2) 缺乏较为完善的课程体系。课程体系是由特定的课程观、课程目标、课程内容、课程结构和课程活动方式所组成[5]。但从目前来看，许多实验课程的开设并没有形成一个较为完善的课程体系，课程内容反映不出课程观和目标，课程结构不清晰，不同实验的实施过程也不明确。

(3) 实验内容单一。学生常常反映课程内容枯燥单一，实验内容多为验证性实验，学生学习兴趣不高，很难调动学生的积极性[6]，课程内容较为落后，不能紧跟科技发展步伐，在培养学生工程应用和创新能力方面的实验也比较欠缺。

2 建立多位一体、分层次、重能力的教学模式

“过程控制工程”是自动化专业的核心必修课，涵盖了控制理论、计算机技术、生产工艺和仪表仪器等多方面的知识，是一门综合应用性较强的课程[7]。学生要能理解和掌握控制系统的构成，运用自动控制原理，结合生产过程机理，在实践中能利用自动化仪表及装置分析、设计和运行过程控制系统[8]，因此这门课程的实验环节尤为重要。在过去，“过程控制工程”实验课程也存在着上述的一些问题。根据社会需求，结合这门实验课程自身的特点，对该门课程进行了教学体系的反向设计，确定了重基础、重能力、重需求、重创新实践的教学方向，按照课程的设置以及实践教学方向，分为基础层、专业综合设计层、工程设计创新层以及学生自主创新实践和研究层4个层次，进行逐层递进的实践教学，以达到培养学生掌握基础操作能力、应用实践能力、解决复杂工程问题能力、创新创业能力的目标，如图1所示。在教学过程中实行正向实施，以学生为中心，针对不同层次培养不同能力采取形式多样的教学方法，并推行特色鲜明的教学实践，最终培养出适应社会需求的创新型人才。

图1 过程控制工程实验教学反向教学设计

3 推行分层次正向教学，开展特色鲜明的教学实践

在过程控制工程的实验教学过程中，以学生为中心，对不同层次不同能力的培养实施正向教学过程，将验证性实验、综合设计性实验、探索性实验和自主创新实践相结合，将实物实验、虚拟仿真和科研实践相结合。让学生通过基础实验掌握基本实验操作、巩固原理知识，利用虚拟仿真实验对复杂控制系统进行综合设计，从而融会贯通、举一反三，以解决复杂工程问题为着力点，以科研项目为驱动，在实验室中探索新方法解决相关问题，并申请和完成相关的自主实践和研究项目。

3.1 开展实物实验的基础性实验

第一层次的实验教学主要以实训型、演示型、验证型实验为主，培养学生动手实践的能力，此类实验为基础性实验[9]，针对已知的实验结果而进行的以验证实验结果，掌握和巩固所学的基础专业知识，培养基本实验操作能力为目的的重复性实验，对象为所有专业课学生，为必做实验。学生通过实验，掌握基本的过程控制理论，深化对理论知识的理解，掌握实验仪器和装置的性能和使用方法，为进行更高层次的实验项目打下坚实的基础。这一层次的实验教学正向实施过程如图2所示。

图2 基础层实验教学过程

该层次实验主要的实验内容是实验对象结构认识、对象特性测试实验和单回路控制系统实验等，实验的对象包括温度、液位、流量等，能够更直观了解PID参数对控制系统质量指标的影响，学会整定简单的控制系统等。对于对象特性测试和单闭环控制系统等实验利用PCT-IV过程控制实验装置进行实验，该实验装置的控制对象原型全部来源于工业现场，能够较为真实、直观地反应实际生产过程中的控制情况，因此是一种实物实验，学生能较容易理解整个实验的过程以及各个控制参数之间的关系。

3.2 虚实结合和在线教育的专业综合设计性实验

第二层次的实验教学主要以综合设计型实验为主[10]，培养学生专业操作技能和设计能力。此类实验是在给定实验目的要求和实验条件，学生综合运用本课程所学知识或与本课程相关知识设计实验方案并加以实验，对象为所有专业课学生，为必做实验。该层次的教学融合在线教育的思想，制作了相关的教学视频，课前提出了相应的教学任务，师生和同学间可在线进行互动交流。在相关专业课程和对应验证性实验结束后，考察学生对课程专业知识和操作能力的掌握程度，通过实验可以培养学生运用所学专业知识解决实际问题的应用实践能力。具体实验教学过程如图3所示。

图3 专业综合设计层实验教学过程

该层次的主要实验内容是控制系统控制质量的研究、双容液位控制系统的设计、串级控制系统的设计、比例控制系统的仿真实验、前馈反馈控制系统的仿真实验以及解耦控制系统的仿真实验。从简单到复杂，采取实物和虚拟仿真相结合，对于复杂控制系统先要求学生完成虚拟仿真实验，采用VB与Matlab混编技术，开发了过程控制实验仿真系统[11]，主界面如图4所示。该系统利用VB在用户界面设计和快速开发等方面的优势设计了实验仿真系统的界面，利用Matlab建立了仿真模块，并能实现图形显示和保存，学生提交实验结果等功能。仿真系统整体的结构较为清晰简洁，学生可以利用该实验仿真系统设计并完成不同的虚拟实验。

3.3 开展以科研项目为背景的工程设计创新性实验

第3层次的实验教学过程如图5所示，主要以探索性、创新性实验为主，培养学生综合运用各种知识和技能，从事实际工程技术工作的能力。此类实验是从事开创性研究工作时，在不知晓实验结果的前提下，通过独立思考，设计拟定实验方案和步骤，自己动手实验、探索、分析、研究得出结论的实践活动，对象为创新班(本硕连读班)为必修课，本专业其他学生为选修课。实验内容更多地注重与国民需求紧密联系，与实际工程应用相吻合，尽可能地利用原有的实验装置，将科研项目的技术成果转化为计划内实验教学内容，在实验室开放时间中完成，倡导学生自主能动性，允许学生实验失败，让学生学会探索并运用科研项目的新技术解决实验当中存在的问题。通过实验培养学生解决复杂工程问题能力，使学生能够了解新技术在工程中的应用成果及发展方向，并在该过程中能大胆创新。

图4 过程控制实验仿真平台主界面

图5 工程设计创新层实验教学过程

目前该层次主要的实验内容有大时滞温度控制系统实验、基于组态软件与Matlab的高级过程控制实验和基于Trnsys与Matlab的中央空调系统群控系统设计等[12-14]。以大时滞温度控制系统实验为例，实验结合实验设备的对象特性，学生通过实验得到大时滞温度系统的传递函数，自行探索选择自适应控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制等先进过程控制技术设计控制器，实现对复杂系统的控制。

3.4 开展丰富的学生自主创新实践和研究性实践

第4层次的教学主要以课外学术科技作品竞赛、实习以及参与教师的科研项目等活动，培养学生的创新能力。此类实践以研究形成创新成果为目标，以学生为主体，从实践课题的提出到形成创新成果均由学生主持，自行寻找与课题背景相关的指导老师，或直接参与教师的科研项目，独自承担相应的研究内容。对象为有扎实专业知识和较强创新实践能力的学生，自主申报有关课题项目。通过实践活动，提高学生的科研能力，培养学生的创新创业能力，为相关行业企业发展需要提供更多高层次人才。

主要实践内容是主要以国家大学生创新性实验计划、学校百步梯攀登计划、学校学生研究计划(SRP)等为依托，学生自主申报有关研究项目并在指导老师指导下完成相关研究内容，形成创新实践作品，教师组织有一定研究成果的学生积极参与国家级比赛和研究，鼓励有一定科研能力的学生参与到教师的科研项目，尤其是校企合作项目，如产学研项目和与本专业相关的横向项目等，让学生独自承担部分科研内容，培养适应行业企业发展需要的高层次创新型人才。

4 改革效果与评价

目前过程控制工程实验课程的实验条件已基本满足不同层次实验教学的开展，整合了课程长期积累的资源，并在实践当中充分利用，编写了相应的实验指导书、课程资源和设计了教学辅助系统。经过学期末学生问卷调查结果显示：95.1%的学生都认可分层次实验教学的模式，学生对指导教师和课程教学的评价较高，具体结果见表1。

表1 学生对指导教师和课程教学的评价结果

另外从2011年至今，学生申报的与过程控制方面相关的课题中，国家大学生创新性实验计划4项，学校百步梯攀登计划5项，学校学生研究计划(SRP)10项；参加国家级比赛6项，其中获得一等奖3项，总体取得了一定的成效。

5 结 语

根据新形势下社会人才需求，结合过程控制工程实验课程特点，对“基础层-专业综合设计层-工程设计创新层-学生自主创新实践和研究层”4个层次的实验课程体系进行反向设计，并实施正向实践教学过程，取得了较好的效果。学生可根据自身的特点和能力是否参与更高层次的实践活动，有针对性地培养自身能力，从学生评价了解到本实验课程教学设计得到学生的普遍认可。随着经济社会的发展，实验课程要紧跟时代的步伐，不断改革创新才能更好地培养更多社会急需人才，为推动国家现代化建设提供不竭动力。

[1] 李 辉.建设创新实践平台，提升大学生创新能力[J].中国高等教育,2013(17):57-59.

[2] 张 臣,周合兵,罗一帆.大学生创新创业一体化实践平台的构建[J].实验室研究与探索,2013,32(11):262-265.

[3] 李 明.依托校企联合实验室的PBL创新人才培养机制初探[J].实验室研究与探索,2012,31(8):269-272.

[4] 解万翠,高 倩.理工科研究生校企联合培养基地模式下的协同创新人才培养机制探索[J].农产品加工,2015(3):86-88.

[5] 百度百科.课程体系[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/10550360.htm.

[6] 王鸿懿.“过程控制仪表”课程教学方法改革的探索与实践[J].中国电力教育,2008(12):39-40.

[7] 张运波.《过程控制工程》课程教学体系优化的研究与实践[J].长春工程学院学报(社会科学版),2009,10(4);92-94.

[8] 陈夕松,汪术兰.过程控制系统[M].北京:科学出版社,2005.

[9] 杨 佳,许 强.“过程控制系统”课程教学与实验改革探讨[J].中国电力教育,2010(10):125-126.

[10] 黄艳岩,徐红伟.过程控制实验课程教学改革实践[J].高校实验室工作研究,2009(3):9-10.

[11] 邓晓燕,袁 玲.基于Matlab与VB的过程控制实验仿真系统设计[J].信息技术,2013(2):21-23.

[12] 赵 璐,柏逢明.“自动化仪表与过程控制”课程教学改革与实践[J]. 长春理工大学学报,2011(12):196-197.

[13] 罗健旭,顾幸生.过程控制工程课程教学的创新与改革[J]. 化工高等教育,2012(2):19-22,65.

[14] 薄翠梅,张广明.过程控制工程创新实践教育模式建设研讨[J]. 化工高等教育,2012(2):23-26,40.

Reform and Practice on the Experimental Teaching of Process Control Courses

DENGXiaoyan，GAOHongxia，HUANGDaoping，SUNZonghai，AIWei

(Institute of Automation Science and Engineer, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

According to the requirement of cultivating innovative talents and the problems of experimental course system, combining with the characteristics of the course, the experimental course system of process control engineering has been designed and the hierarchical teaching model has been set up. Different levels take various forms of positive teaching implementation process for different abilities. This experiment course teaching mode has been widely recognized by students, and it can be used as a reference for the development of engineering experiment course.

process control engineering; experiment teaching; teaching reform

2016-03-21

2014广东教育教学成果奖(高等教育)培育项目；华南理工大学第一批“探索性”实验项目(Y1140700)；2015年华南理工大学教改教研项目(Y1150970)；2015广东省高等教育教学研究和改革项目；2015教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究课题；2016年华南理工大学教改教研项目

邓晓燕(1983-)，女，广东大埔人，硕士，实验师，研究方向为：实验室管理和实验教学以及控制科学与控制工程。

Tel.：13760623296；E-mail：dengxy@scut.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0214-04