过程控制竞教研创一体化实践教学模式研究

陶洪峰++谢莉++杨慧中++陈刚

摘 要 为满足流程工业对自动化人才在工程观念、实践与创新能力和综合素质方面的要求，提高学生的复合型素质，就教学内容整合、竞赛性实验改造、科研创新和项目孵化等问题进行分析和研究，不仅强调多层次一体化的实践教学模式，而且为开展卓越工程师教育计划提供思路。

关键词 过程控制系统；实践教学；创新教育

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）24-0169-03

Research on Integration Practice Teaching Mode of Competition， Teaching， Research and Innovation in Process Control System//TAO Hongfeng， XIE Li， YANG Huizhong， CHEN Gang

Abstract In order to meet the requirements of the process industry on the engineering concept， practice innovation ability and the com-prehensive quality of automation specialty talents， and improve the

quality of students compound quality， this paper analyzes the pro-blem of integration of course content， reformation of competition experiment， research innovation and project incubation. It not only emphasizes the multi-level integrated practice teaching mode， but

also provides the access to carry out the excellent engineers educa-tion training plan.

Key words process control system； practice teaching； innovation education

1 前言

目前，新技术革命的迅猛发展使得社会对高质量工程技术人才的需求更加迫切，世界各国无一不把培养一流的创新型工程技术人才放在突出的位置。特别是美国、德国、日本等发达国家，在培养人才的类型和要求上、教学思想上、课程体系结构和教学方法上都进行了重大的转变，不断加强工程实践创新素质培养，进行课程的综合与集成，以及更新教学手段与设施。美国康奈尔、斯坦福、加州伯克利等8所大学联合进行的工程教育改革计划的核心思想就是“综合实践创新”，要求在培养人才过程中将工程知识与实际问题相结合[1]。美国国家科学基金会（NSF）作为美国政府的联邦机构，持续推动美国的工程教育改革，使得高等工科院校出现几种变化：由科研优先、注重研究生转向重视本科生教育；开始重视与工业企业界的结合，重视工程实践；师资队伍由原来注重学术研究型开始转向注重工程实践型，并以此改革和修订专业教学计划[2]。

国内最近一份调查表明，60.4%的受访者认为现在的创新教育不能给工科大学生提供充分的工程训练，工科学生对工程设计和动用综合知识解决实际问题的重要性普遍缺少理解。为此，国内高校开始与企业联手，启动一批合作培训项目和卓越工程师计划，进行一系列创新型工程人才的教育研究与实践，加深学生对工程的理解，提高他们的创新意识和工程实践能力。

过程控制系统是自动化专业的一个主流方向，具有明显的行业背景特色。它针对工艺原理，运用自动控制理论，采用计算机控制、可编程逻辑控制、自动化仪器仪表、现场总线和检测技术等实施流程工业的过程控制，实现生产过程的安全、平稳、节能降耗[3]。因此，过程控制系统是一门涉及众多内容、体现宽口径知识体系的课程，具有综合性、实践性的特点，对于实施工程实践教学和创新教育具有得天独厚的优势。

2 国内外教育现状分析

在针对流程工业的自动化专业过程控制方面，国外大学紧密结合实际流程工业对象，学习流程工业对象的工业问题，再通过化工、炼油项目和锅炉、水箱等实物装置培养学生的综合创新能力，不断提炼实际对象和模拟工业环境下的具体控制科学和技术问题。一方面，通过工程获取的化工过程数据和模拟软件，用多个操作单元组成的过程控制流程模拟实际的生产过程，在理论学习的同时考虑过程控制方法在实际应用状况下的补偿和实施问题；另一方面，通过生产过程现场或半实物仿真装置训练学生的现场操作调试技能，再结合实际操作结果分析与理论结果不同的原因，完成“理论—实践—理论”的过程控制系统人才培养的反馈学习过程。

在国内，清华大学、浙江大学、北京化工大学、华东理工大学、南京工业大学等自动化过程控制特色鲜明的高校开展了一些校内与校外相结合的过程控制人才培养方式。在校内将过程控制系统与其他学科其他专业课的教学内容进行相互补充，突出过程控制系统的流程工业背景；在校外联合西门子、中国石化、浙大中控等企业，走进生产现场，通过以熟悉工藝原理为基础的方式，使得过程控制问题不再是简单的数学模拟和仿真，提炼的问题从实践中来，最终通过实践来反馈学习，一定程度上也提升了学生的感性认识和实践技能，走的是一条卓越工程师培养方案下的“校内理论—校外实践”的多层次学习方式[4]。

当前，在自动化专业的过程控制系统人才培养方面仍存在以下亟待解决的问题。

1）过程控制相关课程教学内容的系统性不强，基础课程、专业课程和实践教学等教育方式未实现有效融合，多是单门单节课程的局部改造，缺乏整体性教学内容的突破。

2）过程控制实践创新平台并不完善，校内多是小型独立的实验设计，缺乏多个综合实验设计来培养学生的过程控制综合实践能力，校内理论与校外实践缺乏有效的过渡。

3）无论是在理论教学，还是实践教学，过程控制的实践创新内容都偏重于传统和经典知识的训练，未能将目前较新的过程控制研究成果、方法和技术引入教学中，在知识点和个人能力上未能与后续的学术深造研究和社会实践工作的最新应用技术进行衔接。

3 改革思路和举措

针对上述问题，广泛征求意见，总结教育教学方法，对于过程控制系统的实践教育模型进行一定的思考和探索。通过研究，根据流程工业对自动化专业人才的能力和素质要求，围绕自动化专业人才培养目标，结合江南大学自动化专业轻工过程控制教育的特点和学科优势，通过图1所示的“竞教研创”一体化的综合实践创新“123N”模式，立足自动化过程控制特色专业一条主线，构建理论教学与实践教学两大教学与实践体系，依托“轻工过程先进控制教育部重点实验室”“自动化卓越工程师培养基地”和“大学生实践创新基地”三大创新平台，通过教育部全国大学生自动化过程控制仿真多个系列挑战赛，提高学生在过程控制领域内运用专业知识解决各种实际问题的能力，满足流程工业对自动化工程人才在工程观念、实践与创新能力和综合素质方面的培养要求，提高复合型工程实践创新人才素质。

结合卓越工程师实践创新计划，整合过程控制相关课程教学内容 从流程工业的行业特点出发，同时结合现有自动化专业卓越工程师实践创新计划和卓越工程师培养基地，调研、综合和分析现有流程工业企业对自动化工程师的知识结构和专业能力的要求，将知识、技能、个人素质、实践经验及管理能力等方面作为能力模型的输入要素，研究建立合理的能力评价机制，进而优化整合自动控制原理、过程控制系统、控制仪表与装置等相关课程的教学内容和教学计划，采用多形式、多层次、多资源的人才培养方式，剔除重复性内容，突出各门课程的重点内容，提高课堂教学效率。

在校外，充分利用现有过程控制方向卓越工程师实践基地，让学生接触最新的过程控制仪表和装置；在校内，在现有单容水箱液位数学模型的测定、闭环双水箱液位串级控制等设备基础上，对实验内容进行优化整合，突破以往实践教学只限于验证性和演示性的状况，减少验证性实验，多开设综合性、设计性、应用性强的实践项目，构建多层次实验教学体系，进而创建多形式的实践能力培养模式和考核模式，将实际生产过程中的最新技术和装备与理论教学内容进行有效衔接。

参加过程控制领域的权威大学生技能竞赛，培养学生的综合创新能力 全国大学生自动化控制仿真挑战赛历年由教育部、中国自动化学会过程控制委员会、系统仿真学会和国际知名的自动化企业西门子公司联合举办，是过程控制领域最权威的大学生竞赛。该竞赛不仅需要学生具有过程控制理论知识，更需要学生具备实践操作和现场应变能力，比赛公平公正，每年的竞赛题目和流程工业对象都会有所不同。江南大学每年带领本科生参加该竞赛并获得多次全国性奖项，通过实践环节的竞争以及与全国学生和教师的交流，加深对过程控制专业知识的理解。同时进一步对过程控制竞赛的题目进行后续开发，将竞赛案例引入课堂和课程实验，鼓励学生走上课堂讲台讲授体验，答辩遇到的问题以及解决方法，从而培养学生的综合创新能力，最终达到以竞促教、竞教结合的目的。

依托学院轻工过程先进控制教育部重点实验室，开展科技创新 学院轻工过程先进控制教育部重点实验室现具有大量实际和模拟的流程工业对象和控制装置，以研究流程工业中的一系列理论与工程问题为研究重点。积极引导专业学生投身科研并转化为实践能力，通过将学生的普适教育和优秀本科生提前进实验室相结合的方法，注重把过程控制研究的前沿科研成果转化为教学和实验内容，使学生与导师和优秀研究生接触，在感受科研氛围的同时，提前接受严格的基本科研训练，培养创新能力，达到传授知识、培养能力、提高素质的一体化模式，摆脱一般本科教育学科型教育模式的束缚，构建高层次“实践—理论—科研”型科教结合的实践创新模式。

立足大学生创新实践基地，鼓励自主科研申请和创新项目孵化 针对部分学有余力的学生特点，开展因材施教，依托以自主性、开放性、科学性、层次性为主要特点的大学生创新基地，鼓励学生自主申请参加学院和学校的大学生创新项目，将他们引入一些实际的过程控制方面的创新项目中，通过过程控制类项目来提高学生的创新能力和动手能力。同时，对这些大学生创新项目并不是简单地指导，而是进一步孵化其中一些优秀的创新项目转化为创业项目，开展创业评比，丰富学生的实践领域和感受。目标是让学生通过参加这些项目，增强工程实践思维能力、团队合作意识，为今后走向社会打下扎实的工程实践基础。

4 结语

根据流程工业对自动化专业人才的能力和素质要求，围绕自动化专业人才培养的总体目标，结合学院的轻工过程特色和学科优势，重点优化整合过程控制相关课程中的实践内容，有序引入过程控制系统前沿科研成果与现有教学内容，设计开发新的过程控制综合性实验，将竞赛和科研中的研究问题转化为适应现有实验装置的综合性实验。同时，结合流程工业特点和专业学生现有知识体系，选择合适的企业，研讨制订合理的综合实践能力培养方案和需求。通过这些举措，提高了学生在过程控制领域内运用专业知识解决各种实际问题的能力，满足流程工业对自动化工程人才在工程观念、实践与创新能力和综合素质方面的培养要求，最终提高学生的工程实践创新素质。

參考文献

[1]邢贵宁.工学结合模式下电气自动化专业课程开发的研究[D].石家庄：河北师范大学，2012.

[2]杨慧中.美国高校创新人才培养模式的启示[J].中国校外教育：理论，2010（11）：11-12.

[3]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2011.

[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].化工高等教育，2012（2）：70-72，85.