“过程控制系统”课程的教学改革

赵黎明， 张 冰

(广东海洋大学 电子与信息工程学院， 广东 湛江 524088)

0 引言

“过程控制系统”作为理工科院校自动化专业的核心专业课程，涵盖了自动控制理论(经典控制及现代控制)、传感器、仪器仪表、工艺技术、计算机和网络技术等理论知识，是一门具有很强应用背景的核心专业课[1-3]。

多年来，我校自动化专业在该课程教学中针对应用型本科人才培养目标，对教学现状不断分析并结合多年教学经验，不断探索、总结，逐步完成了一系列教改方案，在教学实践中取得了很好的效果。

1 现状

目前我校的“过程控制系统”是由早期的“过程控制”及“过程控制仪表”两门课程合并而来的，开展教改以来，本课程的学时一减再减。与此同时，过程控制技术在不断地朝着复杂化、大型化、智能化发展，应用也越来越广泛。数字替代模拟、总线式及网络化替代单体、分布替代集中、智能替代简单的同时，组态技术、DCS、IPC、PLC、FCS等不断发展并交叉融合，使得传统的技术界限模糊化[4,5]。这些使得课程内容变得庞大而繁杂，学生的学习陷入“学时减少”但“内容增加、要求更高”的矛盾之中。为解决此矛盾，该课程的教学改革势在必行。

2 课程的教改

2.1 优化教学内容

1)重视绪论，“开门见山”激发学习兴趣

一般而言，“过程控制系统”课程的绪论部分主要介绍过程控制的历史发展和研究现状、课程学习的目的及要达到的要求、在专业体系中所处地位、与其它相关课程的联系和作用、课程结构及学时安排、各章节概况等。这些授课内容中规中矩且枯燥乏味，对于尚缺乏专业深刻认知的学生来说，难以引起其重视。所以如何在一开课就能吸引学生，从而激发其学习热情是教改的热点之一。

教师“开门见山”，列举实例来吸引学生的学习兴趣。例如在介绍课程的目的、要求及应用时，教师可以给学生展示大量的过程控制的实际工程应用案例以及往届学生利用课程设计、毕业设计、各类大赛竞赛制作开发的作品、教师的科研成果等。还可以直接在课堂上播放一些过程控制的视频资料，如德国的杀鸡流水线、德国工业4.0、宝马汽车自动化装配线、国内相关行业自动化生产线等，让学生结合前期在东风汽车发动机总厂、三峡电站等实习期间的所见所闻进行纵横对比，了解当前国家正号召的中国工业4.0等。

总之将过程控制系统及其应用直观具体地展现给学生，使其对课程充满期待，提高学习兴趣。

2)围绕案例教与学，培养工程意识

教学时，通过案例来讲解知识点，学生极易接受且教学效果良好，同时更重要的是建立和强化课程的“过程”与“系统”的工程概念，也培养了学生从理论到实践转变的工程意识[6,7]。

课程前面章节介绍典型单闭环系统的四个环节：控制器、执行器、被控对象、测量变送。在教学时，可以通过增加当前各环节常见的仪器仪表的例举，来加强对四个环节的认识。比如控制器部分例举前序课程中的各种单片机、PLC等实物及相关应用介绍；执行器部分例举各种阀门、实验室所用的MM420变频器等实物及相关应用介绍；测量变送部分以实物或图片、视频资料例举学生在各类大赛竞赛及毕业设计中使用过的多种传感器实物及相关应用介绍。

在后续典型单闭环、串级、前馈—反馈、比值、均匀、阀位等控制系统的讲授过程中，都可例举相应的实际工程应用实例加强对典型控制系统的学习理解。比如例举单容系统、管式加热炉的温度-温度串级控制、多种液体混合系统等实际案例。这些案例不但包含了各种典型的信号控制(开关量、模拟量、数字量)、信号测量、手自动跟踪等，同时也包含了系统的工程整定过程、投运步骤及过程报警和连锁保护等知识，涵盖了工程“系统”的完整过程。

3) 关注作业，总结分析及时反馈给学生

作业中出现的问题充分反映了学生对所学内容、各知识点的掌握程度，教师在批改后要及时总结、分析，善于发现作业中错误的共性和个性问题，这样对学生学习所欠缺之处做到心中有数。

比如绪论部分作业中，对照锅炉汽包水位控制示意图要求画出其系统方框图，不少学生的系统框图画得千奇百怪或生搬硬套典型单闭环的四个环节方框图，没有指明具体被控过程、执行器；通过对作业的分析可知，这些学生对过程控制系统组成及特点部分的学习不扎实、知识点未掌握。而个别学生将“汽包”写成“气泡”，则说明其学习态度不端正。将诸如此类的作业错误在下一次上课前就给学生指出来，让他们及时纠正错误并回顾掌握前面章节的相关内容，这便有利于他们“轻装上阵”地学习后续章节。

4)有机调整、优化教学内容

本课程涉及的内容及知识点庞杂，同时也与前期相关课程在内容上有相当的交叉重叠，所以有机调整和优化教学内容势在必行。比如四个环节的检测变送部分与“传感器与检测技术”课程在传感器处的内容，执行器部分与“电气控制及PLC”课程在PLC处的内容，简单控制系统与“自控原理”课程在单闭环的内容等交叉重叠较多，所以删减这些内容并将余下授课时间调整给讲授过程控制中的相关应用方面很有必要。

2.2 改进教学方法及教学手段

1)板书与多媒体相互配合

板书作为传统教学手段必不可少，其在公式推演的讲解中具有不可替代的作用，然而板书耗时颇多的缺点使得学生的注意力难以始终如一地专注授课内容。所以将文、图、声、像融为一体的高质量多媒体课件很受学生欢迎。比如在对比各种控制规律的优劣时，将Matlab语言和过程控制有机结合，就能很好地降低授课内容的抽象性，增加其直观性[8,9]。

2)网络教学平台的开发和应用

网络教学平台，可使师生之间的教学活动不受时间、地点的限制，这在课堂教学学时受限的情况下，更能凸显网络平台的重要性。通过网络，教师可将相关教学资料、作业等发布在网络教学平台上，并进行网上答疑、讨论，学生能及时方便地得到教师和其他同学的解答。我们采用Blackborad在线教学管理平台进行课外的师生教学交流，使得课程教学的效果及质量均有良好的保障[10]。

3)重视数学及工程软件的引入

过程控制系统的设计主要是根据控制指标的要求，进行系统建模和控制器设计计算，并对各部件进行选型并整定。根据过程对象数学模型、搭建系统模型、仿真验算、调整控制器参数、观察系统仿真输出曲线等，Matlab软件的Simulink具有直接直观的优势。所以在课程教学，尤其在控制器动态特性、各种复杂控制系统以及控制系统的整定等知识的讲解中，Matlab仿真实例辅助教学具有良好的效果。

除了对课程知识点的掌握外，过程控制系统更强调“工程应用”的特点。目前各行各业的过程控制系统都结合PLC、DCS、组态系统等进行上位机监控，所以应积极将PLC、DCS、组态软件等引入到课程教学中来，这样才能体现课程的“工程应用”特色。

4)多方式交流开拓知识面

(1)适当穿插介绍自动化行业的最新发展和最新成就，提高学生的行业认知高度。由于相关技术的快速发展，使得过程控制系统不断向“纵深”发展。因此，除了典型的课程知识点外，还应当在教学中适当穿插介绍一些传感器、工业网络、控制等技术的最新发展及其应用动态。

(2)不定期将工程企业界技术专家和精英请到学校讲台上，给学生及教师开设技术专题讲座，这是沟通院校教育与就业职业技能接轨、交流技术经验、培养专业素质和创新能力的好方法。

(3)充分利用毕业生返校交流、座谈的时机，让他们引领学生了解本课程在相关领域的具体应用，为在校生提供良好的现实借鉴和指引。

3 改进及拓展实践环节

实践环节包括实验、课程设计和各类实习实训等。我校过程控制实验室主要有天煌教仪的PCS3000高级过程控制系统，可实现单容、双容、多容、锅炉、管道对象的液位控制、流量控制、温度控制，可实现单闭环、串级、前馈-反馈控制等，这些能满足基础性实验要求；另有一套码头集装箱堆垛系统，可实现模拟码头集装箱堆垛运输的位置、运动、机械手等控制，满足较高要求的复杂实验。除此之外，还在以下几个方面对实践环节做进一步改进和拓展。

1)深化基础性实验，增加设计性实验

基础性实验强调让学生清楚实验的整个来龙去脉。比如单容水箱特性测试实验，除了得出单容特性的结论外，还要求学生深入了解实验所用设备装置、传感器、控制规律、上位机软件等软硬件特点，这样使基础性实验涵有“系统”的深入认知。当然，为了培养学生的创新能力和实践能力，增加设计性实验也是重要的。

2)课程设计改革

课程设计一般遵循“选题”、“分析题目”、“确定方案”、“建模仿真”、“控制系统设计和实现”这个基本过程。本课程的课程设计环节如何达成培养学生的创新及实践能力这一目标，是课程教改及实践的热点之一。我们结合一周的课程设计安排，比如一个简单的双容水箱水位单闭环控制系统设计，划分为以下三个层次。第一层次，基础内容包括选题分析、过程建模、控制方案确定、Matlab仿真、PID参数的工程整定、单闭环系统各环节的设备选型、阀的气开气关选择、单闭环系统的无扰切换及投运等；第二层次，在第一层次基础上增加设计内容及难度，进一步将单闭环系统改进为串级控制系统的方案设计、串级控制系统的工程整定方案；第三层次，在第二层次基础上继续增加设计的内容及难度，再进一步利用实验室现有设备实现整个系统的WinCC或ForceControl组态串级监控系统等。一个简单的控制系统课程设计涵盖了本课程的大部分环节，做到简单可行、全面反映课程知识的学习以及工程应用能力、创新能力的锻炼。

3)灵活多样的实践教学方式

本课程实习实训环节一般采用灵活多样的方式进行，既可以利用实验室现有设备做PLC+典型单双容水箱或加热炉的水位、温度、流量的过程控制系统设计，也可以利用Matlab做一些过程控制系统的仿真设计；除此之外，还利用课余时间邀请感兴趣的学生去参观中海油南海西部石油公司涵盖流量、热工等海洋石油采集及运输过程的大型湛江仿真平台，使学生了解海洋石油的生产及储运过程，结合所见所闻与课程内容相互印证，从而反哺到课程知识的掌握及其工程应用上来。

4 转变考核方式，评价学习效果

为突出“过程控制系统”课程的工程应用特点，其课程考核包括：理论、实践、平时表现、实验等，对于各考核所占权重由教师酌情定夺，课程的评价体系结构如图1所示。理论部分的考核主要采取闭卷笔试，考题的深度、广度、难度应符合教学大纲要求。理论考核的分数基本上能反映出学生对内容的掌握程度，但考核的目的并不仅仅为了获得考核分数，而应该着重对学生分析问题、解决问题、工程应用能力进行考核，这样才能使考核更全面客观、更有意义。为了能充分评价学生对该课程的工程应用能力，我们在评价体系中引入设计类的大作业方式，有效地弥补了理论考核的单一性。

图1 课程评价体系结构

5 结语

6年的教改实践过程表明，以工程应用为主线贯穿“过程控制系统”课程的教学改革，使得教学内容丰富多彩、强化知识点且突出工程应用及系统特

色，多种教学方法及教学手段的相互配合，灵活、全面而客观的考核方式等方面的教改实践，积极调动和提高了学生的学习兴趣。这些教改实践虽然取得了良好的成果，但仍存在一些问题和不足，比如对于主动性不高、自主学习能力不强的学生，如何设计有针对性的考核方式促使他们尽快摆脱困境；如何使得各层次的学生尽可能在工程应用能力及创新能力方面有所突破，做好“因材施教”是进一步教改探索的方向。

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