《过程控制系统》教学改革与实践

蔡林沁，虞继敏，向敏，唐晓铭

摘要：本文介绍了《过程控制系统》的教学体系、教学模式、实践教学等课程改革主要内容，提出了“基础知识+专题讲座”相结合的课程教学体系，采用“案例+问题+讨论”的启发式、研究性教学模式，加强学习过程的动态管理和实践教学环节，培养学生综合实践能力与创新意识。

关键词：过程控制系统；教学体系；研究性学习；实践教学

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）46-0105-02

引言

《过程控制系统》是自动化专业方向的课程之一，涉及控制理论、生产过程、计算机技术、检测仪表等多学科知识的综合与应用，对培养学生工程实践能力非常重要。当前自动化所处的环境与以往大为不同，大型系统和网络的规模和复杂程度已大大超出了控制的传统应用范围。信息物理融合系统（CPS）、工业4.0、工业互联网、中国制造等战略的相继实施与推进，人工智能的快速发展与知识自动化的攻城掠地，为自动化专业人才培养提供了前所未有的机遇与挑战[1-2]。因此，结合新形势下自动化专业工程实践能力培养的实际需求，改革自动化专业课程的教学内容与教学模式，探索有效的教学方法，对自动化人才培养具有重要意义。本文以《过程控制系统》课程为对象，探索了新形势下《过程控制系统》的课程体系与教学内容建设、教学方法改革等主要问题。

一、优化教学内容，采用“基础知识+专题讲座”相结合的课程体系

面向新形势下自动化专业工程实践能力培养的实际需求，采用“基础知识+专题讲座”相结合的课程体系。基础知识模块采用课程讲授方式，突出该课程中传统的工业过程数学模型、执行器选择、单回路控制、串级控制等内容；强调Profibus、FF现场总线和工业无线在过程控制系统的应用。专题讲座部分采用课堂讲授、论文阅读、工程实践分析、前沿知识介绍等方式，主要介绍前馈控制、比例控制、均匀控制、分程控制、选择控制、先进控制的基本原理、特点、应用案例等，并设计研讨性问题，引导学生进行研究性学习，拓展学生的知识宽度，加强学生自主学习能力的培养；增加过程控制系统工程设计专题，介绍过程控制工程设计的主要内容、相关标准、设计方法等，提高学生解决工业过程实际复杂问题的综合能力。同时，结合当前工程教育认证现状及自动化专业特色[3]，加强过程控制系统分析、设计与评价等内容的教学，培养学生对过程控制系统及产品进行经济评价和综合评判的能力。

二、改革教学模式，采用“案例+问题+讨论”的启发式、研究性教学

传统教学在课堂上用了大量的时间讲解公式及其推导过程，涉及的内容过于抽象，使得学生感觉枯燥难懂，学习积极性不高。本课程采用“案例+问题+讨论”教学方法，在课程前对章节的重点知识进行简单概括和诠释，让学生清楚地知道课程内容体系。在每一章节中，结合中药萃取、核反应堆控制、工业锅炉等典型工业过程控制装置或实际工程项目，设计与章节内容相关的启发性问题和“包袱”，实施研究性教学[4-5]，引导学生思考与讨论，吸引学生对章节内容产生兴趣。例如，在讲授简单过程控制系统这一章时，首先用了2个学时介绍连续精馏装置的过程控制、工业锅炉的自动控制，以及自建的中药萃取装置，并对不同案例对象的特性进行分析与比较，引出“过程控制系统方案设计的基本要求与主要内容是什么”、“如何确定控对象的被控参数”、“如何对被控参数进行控制”、“如何选择调节阀及其流量特性与气关/气开作用方式”、“如何形成负反馈”等问题，引导学生进行讨论。

三、加强实践教学环节，培养学生综合实践能力与创新意识

除了设置基本随堂实验，测试单容水箱系统对象特性和单容水箱液位控制及PID整定实验外，本课程还设置了综合实践教学环节。学期一开始就向学生介绍课程体系及考核，使同学们从整体上把握课程知识结构，并搜集近三年发表的过程控制相关学术论文，按“建模与Matlab/Simulink仿真、组态软件、硬件设计、应用案例”进行分类[6-7]，将资料上传到QQ交流群，引导学生阅读、学习科技论文，了解课程涉及的内容。然后，要求学生进一步查阅相关文献，自由组队，自选题目。一般每组3-4人，以过程控制为对象，综合应用自动控制原理、计算机控制技术、单片机技术、系统仿真、组态软件等课程的综合知识，完成过程控制系统设计大作业，充分发挥同学的创造性和自主学习能力。

课程后半学期，根据学生大作业完成进度，要求每组学生在课程上介绍设计内容与成果，并由同学相互评分，得出各小组成绩，再根据各小组每位同学的表现，计算每位同学的应得分数。小组成绩系数是各小组在具体作业过程中，由同学们根据各自承担的工作量及任务情况，确定每位同学的成绩比例。各小组成绩系数总和为1，基本能体现对学生学习过程的考核。

四、结束语

通过对《过程控制系统》课程的内容体系、教学模式、考核方式、实践教学等环节进行改革与探索，形成新的课程教学内容与方法，有利于培养新形势下学生的实践能力、研究性学习能力及创新意识。改革成果已在本校自动化专业2011级、2012级、2013级学生中实施，实践表明，新的教学内容与模式能充分激发学生的积极性与创造力，同学们都能按计划完成各环节任务，特别是在课堂上介绍自己设计的作品时，除了结合PPT阐述设计方案外，都能进行仿真软件、算法程序或硬件作品的演示，学生间问答互动都非常精彩。近三年该课程督导评教和学生评教都名列学院前列，特别是2016-2017学年第1学期该课程的学生评教进入全校一千多门课程的前5%，取得较为显著的教学效果。

参考文献：

[1]吴晓蓓.《中国制造2025》与自动化专业人才培养[J].中国大学教学，2015，（08）.

[2]刘丁.全国高校自动化专业“卓越工程师教育培养计划”调研报告[J].中国大学教学，2014，（04）.

[3]韩璞，林永君，刘延泉，等.自动化专业卓越工程师课程体系的改革与实践[J].实验室研究与探索，2011，（10）：274-276.

[4]崔学荣，曹爱请，李娟，等.研究性教学模式在实验教学方法改革中的应用[J].2016，（01）：176-178

[5]张昌兵，王琴，李莉.论大学教师的研究性教学能力培养[J].大学教育，2016，（01）：1-3.

[6]王茜，陈国达，李孝禄.基于Matlab的过程控制系统仿真实验设计[J].实验技术与管理，2017，（02）：119-123.

[7]楊马英，李敏，陈伟锋.“过程控制系统”课程的实验教学改革[J].电气电子教学学报，2015，（02）：106-108.