面向国际工程教育认证的过程控制工程课程教改探索

摘  要：近年來国际工程教育认证对控制工程相关的专业课程体系建设提出了新要求，面向工程实践的过程控制工程课程紧密结合自动控制理论、化工原理、检测技术与测量仪表、计算机控制技术等，对培养具有实践能力的控制工程专业人才具有重要作用，因此教改显得尤为必要和迫切。文章结合大连理工大学和南京工业大学在过程控制工程课程教改方面的经验，分析过程控制工程课程应达到的教学目标，提出一种新的课程教改方案和创新教学模式，探讨教学方法改革的可行措施，并且介绍近期取得的一些明显成效。

关键词：过程控制工程;课程体系;教学改革;创新实践

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）01-0119-05

Abstract： In the recent years， new demands have been proposed for building the course systems of Control Engineering related majors， with respect to the accrediting standards of international engineering education. Facing to engineering practice， the course of process control engineering tightly integrates the Automatic Control Theory， Chemical Engineering Principles， Detection Technology and Measurement Instruments， and Computer Control Technology etc.， which takes an important role for cultivating Control Engineering talents with ability of engineering practice. Therefore， the teaching reform is especially necessary and urgent. This paper combines the experiences of teaching reform on the course of Process Control Eengineering from Dalian University of Technology and Nanjing Tech University， analyzes the desired teaching objective of this course， and proposes a new teaching reform scheme together with an innovated teaching mode. Moreover， practical measures are explored for reforming the teaching methods， and meanwhile， some evident results recently obtained are presented.

Keywords： Process Control Engineering; course system; teaching reform; innovation practice

自2016年我国正式成为工程教育《华盛顿协议》第18个成员国后，我国工程教育和人才培养质量实现与其他成员国实质等效和相互认可，教育部大力推进新工科建设和发展规划[1]，越来越多的工科院校开展了专业课程体系的教学改革，如“卓越工程师教育培养计划”[2]，以期达到国际工程教育专业认证的要求。然而对于控制工程人才培养中通识能力和工程实践能力的水平认证，尚有待于工程界的实证。

目前全国设置化学工程、冶金工程、机械工程等专业的高校在控制工程技术与实践教学方面基本上都开设有过程控制工程课程，它将自动控制理论、化工原理、检测技术与测量仪表、计算机控制技术等综合在一起，针对典型化工生产过程的“三传一反”特性（即动量传递、热量传递、质量传递、化学反应）和实际运行操作要求，培养具有控制工程实践和创新能力的专业技术人才。浙江大学戴连奎教授等[3]指出过程控制工程的核心教学目标是使本科生掌握控制系统的设计与实现技术。南京工业大学薄翠梅教授等[4]较早地提出了一些关于过程控制工程课程的教学改革与工程实践方法，有效地提高了该课程的讲授效果。华东理工大学罗健旭和顾幸生教授等[5]从过程控制课程体系构建、教学方法改革、实践环节设计等方面探讨了培养具有学习能力、工程实践能力和创新意识的过程控制人才的教学模式。近期教改论文[6-7]在该课程的实验教学方面提出了一些改进措施，有助于提高学生的控制工程实践能力。有文章[8]提出设立一些多学科交叉的教学项目来丰富理论与实践相结合的教学内容，从而提高学生独立科研创新能力和项目组织管理能力。

本文根据国际工程教育专业认证标准，分析过程控制工程课程的培养目标，围绕培养学生控制工程实践能力这一核心目标，提出一种新的课程教改方案和教学模式，为有关高校规划建设师资队伍、整合教学资源，以及建设学科新平台等提供参考方案。结合大连理工大学和南京工业大学在过程控制工程课程教改方面的经验，探讨一些可行的教学方法改革措施，并且说明由此取得的一些较好效果，以促进相关高校提高过程控制工程课程的教学质量。

一、过程控制工程课程的教学目标

国内高校自动化类、化学工程、冶金工程等专业基本上都开设专业必修课或选修课程——过程控制工程，但教学目标不尽相同。这里以大连理工大学和南京工业大学制定的课程教学大纲为例，简要说明一些共同的教学目标：

1. 通过简单控制系统的学习掌握工业控制系统的构成，各构成单元的特性与功能，以及控制系统实施的相关知识和基本概念。

2. 通过复杂控制系统的学习了解各种复杂控制系统的构成，工作原理、适用范围和工程实施中的基本应用技术。

3. 通过先进控制方法的介绍，了解现代控制技术的发展方向及最新控制技术。

4. 通过过程工业典型操作单元的控制应用，进一步理解上述各控制方案在工程中的应用特点和实施技术。

5. 通过本课程的学习，使学生具备对控制系统的分析能力、依据生产过程工艺控制要求制定合理控制方案和方案实施的基本技能，以及实现对本专业技能进一步学习和研究的基础和能力。

根据国际工程教育专业认证标准，大连理工大学制定的自动化专业毕业生能力要求中有9条涉及过程控制工程课程教学，具体如下：

1. 工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。

2. 问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

3. 设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

4. 研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。

5. 使用现代工具：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

6. 工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。

7. 环境和可持续发展：能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

8. 沟通：能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

9. 项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。

可见基于上述的过程控制工程课程基本教学目标难以达到国际工程教育专业认证的相关要求，必须通过建设更加科学合理的课程教学方案来解决，充分利用现有的师资队伍和教学资源，建设好配套的学科实验平台和实习基地，调动学生学习课程的积极性和主动性，才能实现上述教学目标和学生能力培养要求。

二、课程教学方案创新

针对上述教学目标和国际工程教育专业认证标准制定的相关毕业能力要求，这里提出一种具有灵活性的过程控制工程课程教学方案，如图1所示。

由图1可见，该课程教学方案的特点在于：（1）引入一定量的控制工程网络慕课（MOOC）教学资源和参考文献;（2）提高课堂教学的互动性;（3）增强工程实践能力培养。随着国内外慕课教学模式的推广应用，越来越多的过程控制工程专业课程资源可以通过教学网络和数据库获取。因此，为进一步丰富过程控制工程课程知识内容、扩大学生知识视野，建议更多地采用线上线下混合教学模式，包括根据所在院校专业特色制作相关的教学视频、来访专家学术报告以及有关学术会议报告等，每次授课前发给选课学生电子课件内容、参考文献以及有关视频资料，以便在授课期间同学生们互动交流，课后发布相应的课程作业和参考资料，从而有助于检验学生知识掌握情况和复习巩固，并且培养学生自学专业知识能力，尤其是可以解决近年来很多高校因削減本科生专业教学总学时数而引起过程控制工程课程教学时数减少的问题，如大连理工大学、南京工业大学和浙江大学等的过程控制工程课程教学时数（未包括控制工程实验）已削减至48学时。通过大力开展慕课教学资源建设，可以有效地补充课堂教学内容不足之处。

在提高课堂教学的互动性方面，注意引导学生对课堂教学内容的积极性和兴趣，通过每次授课前后发给学生有关授课内容的慕课资源和参考文献等，调动学生在课余时间学习课程知识的兴趣和主动性。建立以解决问题为驱动的课堂教学新模式，使教学过程从单向的知识传输转为师生互动，从而有效地提高学生的学习兴趣和教学效果。例如，对于第二章的教学，我们首先在第一章讲课结束后给学生发送第二章的电子课件和参考文献，包括大连理工大学和南京工业大学的磁悬浮控制台和水箱液位单回路控制案例材料，以及英国曼彻斯特大学相关本科课程Process System Engineering的慕课资源，布置三个自学思考题：（1）什么样的控制系统被称为简单控制系统？举例说明;（2）如何评价一个简单控制系统的性能和稳定性？列举一些指标;（3）请找出一种比经典PID整定方法更好的控制器设计方法？并说明设计思路。然后在课堂教学中，根据教学进程提出这些问题让学生回答，既可以鼓励学生主动回答并计入平时成绩，又可以采用随机点名的方式请学生回答，从而顺查学生上课考勤情况，无形中督促学生积极上课和参加互动交流。

此外，鼓励学生参与课程教学的备课和串讲，作为课程教学平时作业成绩的评分依据。例如，对于图1所示的第三至第八章讲授的复杂调节系统，其中关于串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统等章节的内容可以安排学生们成立学习兴趣小组，提供给他们有关电子课件、慕课资源以及参考文献，让他们分别申请这些章节的备课和课堂讲解，由此可以替代他们对这些章节的平时作业，并且进行课堂授课效果评比和打分，计入平时作业成绩。这样，学生们对这些章节的学习积极性得到提高，而且通过自学和组织学习兴趣小组，可以增强学习兴趣，发现和提出更多的学习问题，从而保证在课堂教学过程中产生良好的互动提问和交流解答。

在培养学生工程实践能力方面，需要从典型过程控制实验装置、计算机仿真平台、科研创新平台、生产实习基地这四方面做好建设和规划。根据各院校实际办学条件和学科建设平台，设置和完善一些典型的过程控制工程教学实验装置如三级水箱液位调节装置、电热炉加热装置等，以满足对图1所示第二章中的简单控制系统、第三至第八章中的复杂调节系统，以及第十一至第十二章中的典型操作单元控制的教学实验设计和学生实践练习。结合学校计算机教学硬件和软件仿真资源，以及网络慕课软件资源和参考程序，对第九至第十章中介绍的先进控制方法提供计算机仿真案例和程序，培养学生对过程控制工程进行计算机控制与仿真模拟的实践能力，通过鼓励学生自行独立编制计算机仿真程序、设计先进的计算机控制系统，并且可作为平时作业和计入平时成绩，能有效地提高学生们对先进计算机仿真技术的学习积极性和兴趣。此外，充分利用所在学科专业教师和研究生导师承担科研项目情况，以及校办生产企业和合作生产企业的实习基地等，开设第二课堂，组织和安排学生参观实习，引导学生参加有关过程控制工程的实践项目，包括大学生创新创业计划项目、科研训练项目，以及课外创新创业自主实践项目等，设置灵活的控制工程实验内容，如大连理工大学和浙江大学为过程控制工程课程配套有16学时控制工程实验，通过改革这些实验学时的实施方式，可以有效地提高对学生工程实践能力的培养质量。

三、教学改革的可行措施

这里根据我们近年来在大连理工大学和南京工业大学讲授过程控制工程课程方面积累的经验，介绍对该课程教学改革的一些可行措施。为了契合国际工程教育专业认证，我们根据前面第一节中介绍的9条涉及过程控制工程课程教学的自动化专业毕业生能力要求，制定了该课程各章节的对应教学目标和教学方式，如表1所示。

其中，对应教学目标1-9即为前面第一节中介绍的9条涉及该课程教学的自动化专业毕业生能力要求。由表1可见，第三章至第十二章的教学目标都覆盖到了工程教育专业认证的9条学生能力培养要求，相对于传统的课堂教学模式，明显加强了课外学习和锻炼，并且无形地增加了学生自学课程知识和学习时间，能有效地拓宽学生的知识视野，提高学生对课程内容的学习兴趣和积极主动性。通过课堂互动、学生串讲第二课堂如科研实验平台和生产实习基地等、计算机仿真作业以及实验设计，能有效地提高学生的专业综合素质和工程实践能力。如图2所示，我们在讲授第九章的先进控制方法过程中，安排学生参观我们自主研制的工业结晶反应釜温度调节自动控制装置。

直观地给学生介绍如何将一种先进的两自由度控制方法编程写入工控机，以实现系统设定点温度跟踪和负载干扰（如环境散热等）抑制的相对独立调节和整定，以及自动控制系统的硬件组成和调试步骤。从而有效地调动学生主动学习第九章内容和讨论细节的积极性，并且无形地提高了对学生专业素质的培养。

此外，在开设第二课堂和参观实习方面，我们注意结合学院的来访学者学术讲座和专业学术会议，邀请来访学者和参会专家为选修过程控制工程课程的学生介绍一些相关工程应用案例和国际前沿研究进展，引导学生对课程相关内容的学习兴趣，并且扩大有关知识视野。例如2019年5月邀请来访的国际知名控制学者、美国普渡大学Zoltan Nagy教授顺便给学生全英文讲授2学时第九章中的模型预测控制方法，演示了他给美国大学生的电子课件和应用教学案例，很大地激发了学生们的上课热情和兴趣。而且，结合学院硕士博士生导师承担国家和省市级科研项目的进展和完成情况，组织研究生导师和高年级研究生给选课学生介绍有关过程控制工程技术的研究成果和应用项目案例，从而培养学生们的科研志向和钻研精神，为过程控制工程领域的研究生培养提供生源力量。利用学校建设的专业生产实习工厂以及校办生产企业提供的实习基地，组织学生根据第三至第八章、第十一至第十二章内容进行相应的参观和实习，并且为学生选择课程实验设计内容提供参考，从而促进学生更加积极主动地参加教学内容参观和实习，进一步提高课程实验设计水平。

在布置计算机仿真作业方面，我们根据本文第一作者关于过程控制工程的英文专著[9]中介绍的先进生产系统辨识建模方法、模型预测控制系统设计方法以及多变量解耦控制系统设计方法，编制了计算机仿真参考程序和练习题，很大地方便了学生学习先进控制方法的计算机仿真和测试验证，通过完成练习题作为平时作业成绩，进一步掌握先进控制系统的设计方法和计算机控制技术，为参加大学生科技创新竞赛项目、生产实习、毕业设计等打下较好的应用基础。

在安排课程实验设计和生产实习方面，我们不仅通过完善现有实验室过程控制装置的测试功能来提供多样化的实验设计方案，方便学生利用慕课资源和计算机仿真作业开展丰富多样的实验设计和应用测试，而且鼓励学生通过报名参加相关的大学生科技创新竞赛项目以及合作生产企业的实习项目，替换课程安排的实验设计和生产实习，从而进一步调动学生的积极性，提高对工程实践能力的培养质量。

四、近年取得的教学成效

近年来我们通过探索和实施如前所述的课程教改方案，取得了一些明显进步的学生培养成效，如下：

1. 大连理工大学自动化专业顺利通过2016年国际工程教育专业认证，获得优秀评价。

2. 大连理工大学控制科学与工程学院自动化专业分流到过程控制工程方向的学生数量逐年稳步上升，由2014年40余名选修学生增加至2020年80余名，数量翻了一倍，而且教学质量评价满意度由75.8%升高到94.6%。

3. 由本文第一作者讲授的过程控制工程专业选修课自2017年以来持续被评为本科示范教学课程。

4. 本文作者和教学团队成员采用创新的过程控制工程课程教学方案，近三年连续指导三届本科生兴趣小组成员荣获2017年2018年“AB杯”全国大学生自动化系统应用大赛一等奖、2019年大赛的特等奖。

五、结束语

为适应国际工程教育认证标准要求，很多高校的过程控制工程课程教学改革势在必行，而且是一个紧迫的任务。这里我们提出了一种新的课程教改方案，并且给出了一些实际可行的教改措施，为有关高校开展相关专业的工程教育认证建设、进一步提高学生培养质量提供可参考实施的办法与经验，共同促进教学改革的发展与完善。

参考文献：

[1]刘宝，任涛，李贞刚.面向工程教育专业认证的自动化国家特色专业改革与建设[J].高等工程教育研究，2016（2）：48-52.

[2]劉丁，季瑞瑞，李少远，等.自动化类专业“卓越工程师教育培养计划”实施情况分析与思考[J].高等工程教育研究，2020（2）：76-80.

[3]戴连奎，于玲.过程控制工程课程教学体系的优化[J].化工高等教育，2012，124（2）：46-50.

[4]薄翠梅，李俊，林锦国.过程控制工程课程教学改革与实践[J].化工高等教育，2006，118（5）：29-32.

[5]罗健旭，顾幸生，刘漫丹，等.过程控制工程课程教学的创新与改革[J].化工高等教育，2012，124（2）：19-22.

[6]曹宪周，王明旭，张海红，等.基于专创教科融合的过程装备与控制工程专业建设研究[J].高教学刊，2020（6）：24-27.

[7]邓晓燕，高红霞，黄道平，等.过程控制工程实验课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2017（2）：214-217.

[8]哀薇，孙宗海，罗家祥.基于交叉融合项目的“过程控制工程”课程案例改革[J].电气电子教学学报，2020，42（1）：14-18.

[9]Tao Liu， Furong Gao. Industrial Process Identification and Control Design： Step-test and Relay-experiment-based Methods[M]. London UK： Springer， 2012：13.