基于工程能力培养的“过程控制系统”实验教学改革

收稿日期：2023-09-11

基金项目：2022年度蚌埠学院一般教育教学改革研究项目（2022jyxm9）；大学生创新创业训练项目（S202111305138）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.036

摘  要：为更好地培养学生的工程能力，更好地落实教育部“卓越工程师教育培养计划”，针对“过程控制系统”的实验课程目前无法充分培养学生工程能力的现状，对“过程控制系统”实验课程的教学方法进行改革并应用到实际的实验课程教学过程中。5年的实践结果表明，“过程控制系统”实验教学改革取得了良好的效果，学生取得该领域国家级学科竞赛一等奖1项、二等奖1项，省部级奖项12项。改革培养了学生工程能力，响应了教育部的“卓越工程师教育培养计划”。

关键词：工程能力；过程控制系统；教学改革；卓越工程师

中图分类号：TP39；G642    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）07-0184-05

Experimental Teaching Reform of“Process Control System”Based on

Engineering Ability Training

RU Xueyan

（School of Electronic and Electrical Engineering， Bengbu University， Bengbu  233030， China）

Abstract： In order to better cultivate students' engineering ability and implement the“Outstanding Engineer Education and Training Program”of the Ministry of Education， in view of the current situation that the“process control system”experimental course cannot fully cultivate students' engineering ability， the teaching method of“process control system”experimental course is reformed and applied to the actual experimental course teaching process. After 5 years of practice， the results show that experimental teaching reform of“process control system”has achieved good results， and students have won 1 first prize， 1 second prize in national discipline competitions and 14 provincial and ministerial awards in this field. The reform has cultivated students' engineering abilities and responded to the Ministry of Education's“Outstanding Engineer Education and Training Plan”.

Keywords： engineering ability; process control system; teaching reform; outstanding engineer

0  引  言

我国高等教育旨在培养具有较强实践能力和创新精神的人才[1]，近年来，教育部强调高等学校的教育要加强对学生工程能力的培养，并对实验课程提出了更高培养的目标[2]。“过程控制系统”实验课程是控制类专业重要的实践性教育环节，课程强调工程观点，是培养学生工程能力的重要课程。以往的“过程控制系统”的采用传统水槽开展实验课程的教学，学生只能对“过程控制系统”的理论学习内容进行简单的认知，这种实验教学方式已经不能满足新形势下对控制类专业学生培养的要求。然而，由于过程控制系统中的工业流程往往具有高温、高压的特点，并且具有较强的非线性单元，过程相对复杂[3，4]。因此，对“过程控制系统”课程的实验教学内容、教学方法和课程考评体系进行研究和改革十分必要。

1  教学现状

目前，蚌埠学院“过程控制系统”课内教学时数为48学时，其中课堂讲授38学时，实验10学时，实验课程所占比重超过20%，所占课程比重较大。然而多数“过程控制系统”实验课程均为验证性实验，无法有效提升学生的工程能力[5]。对“过程控制系统”实验课程而言，具有工程背景的设计性实验项目基本处于空白状态[6]。

2  教学改革方法

2.1  更新教学内容

过程控制系统教学内容繁杂，学生对理解理论知识并加以运用的能力欠缺，通过在“过程控制系统”实验教学中引入WinCC监控画面和仿真技术，动态的画面可以增加学生的学习兴趣，引导学生使用现代工具开展学习，可以打破实验设备和进入实验室的时间限制，提高学习效率，增强学生学习的乐趣与自信心，进一步培养学生的学习能力和工程能力。

2.1.1  动画图形更加丰富

教学内容现代化，形式跟上时代的发展，通过“过程控制系统”实验课程，培养学生工程能力。例如，为了使学生更直观理解流量、液位、温度、压力等参数的动态变化情况，在教学过程中加入WinCC监控画面，实现连续过程控制系统的可视化组态，所设计监控主界面如图1所示。监控主界面能够直观的显示混合罐、反应罐以及闪蒸罐等主要设备的实时运行情况，并能够对系统进行安全监控等。

2.1.2  引入计算机仿真技术

过程控制系统的特点是需要利用控制理论对系统进行定量或定性的分析，为使学生理解所学内容，引入计算机仿真技术[7]，使用PCS7集成的结构化控制语言（SCL）设计单神经元自适应PSD控制器对闪蒸罐压力进行实验。运用计算机仿真技术，将过程控制系统中装置的特性用数字化手段再现。可以用于控制对象的特性分析、控制方案设计、系统实施、优化调度、节能减排等多专业复合型实验教学。此外，过程控制系统中的实验对象特性与实际工业装置相吻合，具有多种信号，并具有以太网通信、Profibus-DP等不同的通信方式，几十个不同的检测点等，学生自由地设计“过程控制系统”中的实验内容、探索不同的控制算法，真正实现新工科对“多学科交叉复合知识”“复杂工程问题解决能力”“创新能力”等培养要求。启动SMPT-1000，对闪蒸罐（图1中V102）压力控制系统的投运和参数整定，部分代码及调试界面如图2所示，实时响应曲线如图3所示。

2.2  改革教学方法

2.2.1  采用引导式教学法

“过程控制系统”实验课程实践性很强，内容枯燥且难于理解，导致部分学生学习积极性不高，在教学过程中采用引导式教学方法，通过具体案例来加深学生对课程内容的理解。例如，在讲解“单回路控制系统”时，如图4所示，以“锅炉水位控制系统”为例，由手动控制系统引出“单回路控制系统”的构成、各部分作用和设计原则等。将传感器、变送器类比为研究，将控制器类比为大脑，将执行器类比为双手，使学生理解抽象的过程控制系统的术语，在头脑中构建系统的整体概念。

2.2.2  充分发挥第二课堂学科活动的作用

采用项目引导和兴趣驱动的方法，建立过程控制创新协会、电子科技创新协会等，加强学生与老师之间以及学生之间的沟通交流，逐步形成学习的体系，发挥“传帮带”的作用。实验室具有开放学习机制，在授课教师发卡后，学生经预约可以随时进入实验室进行第二课堂的学习，这也为学生做拓展学习开了绿灯。实验室兼具“过程控制系统”的教学设备与服务于学生科学研究的设备，拓宽了学生学习的范围，对于不同水平的学生，可以选择不同的设备加以练习，从多个层面培养学生的工程能力。

2.3  开发学科竞赛、工程设计应用与课程实践教学相融合的创新性实践

以具体实验项目为载体，并结合开发学科竞赛与课程实践教学相融合的创新性实践，使学生在实际操作中进行理论知识的运用[8]。在实践过程中提高学生工程能力，树立以学生主体能力培养为中心的教学观念，不同层次的学生可以选择不同的实践内容。教学过程中以学生为中心、注重对学生学习积极性的调动是关键。在实践教学环节中，将过程控制系统的理论和实践相结合，并将部分实践环节以视频的方式呈现，建立线上学习资源库，学生能利用课余时间去学习和巩固知识，对所用到的理论知识进行汇总。在巩固其理论知识的同时，达到依托过程控制系统实验课程培养学生的工程应用能力。通过组织学生参加“过程控制系统”课程相关的学科竞赛，如“西门子杯”中国智能制造挑战赛以及“大学生创新训练计划”等相关的科技研究活动，进一步实现依托过程控制系统实验课程为，培养学生工程能力[7，8]。

2.4  改革实验教学体系

2.4.1  改革实验项目

为进一步培养学生的工程能力，需要改进原有的“过程控制系统”实验教学内容。依据过程控制行业对当代人才的需求，我们将探索实验课程与学科竞赛内容相融合的“过程控制系统”实验教学模式[6]。针对不同层次的学生制定不同的实践课程内容，不断丰富和改进实验教学模块。

培养学生工程能力需依托现有实验室条件进行，以我校目前有SMPT-1000高级多功能过程与控制实训系统，为培养学生的工程能力，将实验项目分为验证性实验和设计性实验。SMPT-1000锅炉包括4个基本单元：除氧器单元、炉膛单元、减温器单元和汽包单元，有21个模拟量和6个开关量检测点，此外还有9个调节阀、5个开关阀、2台泵和1台压缩机的执行机构以及动设备[9]。改革后的“过程控制系统”实验项目包括10个学时，其中利用2个学时完成基础的验证性实验。完成验证性实验后，用剩余的8个学时完成“过程控制系统”的设计性实验，该部分实验具有一定的过工程背景，能够培养学生工程能力，过程控制系统”改革后的实验课程教学内容如表1所示。

改革后的“过程控制系统”实验内容由易到难，由点到面，共分为5个模型。对于验证性实验学生可以自由的在单容水箱特性的测试和锅炉内胆特性测试两个验证性实验选择一个进行操作，增加了学生学习的自主权和自由度。验证性实验旨在帮助学生了解“过程控制系统”实验装置的使用方法，训练学生在过程控制系统实验课程学习中的基本实践能力，为后面即将开展的设计性实验夯实基础。设计性试验共分为4个模块，学生所选的实验项目必须覆盖所有的模块，在每个模块中有2～3个具体的实验项目，学生可以自由选择对应模块中的其中一个实验内容展开学习。

为了进一步提高学生的工程能力，对于完成“过程控制系统”10个实验内容后还学有余力的学生，指导其参加相关国/省/校级学科竞赛、申请大学生创新创业训练项目、参与教师科研项目、撰写论文申请专利等。对“过程控制系统”实验课程建立以“基础训练级、提高级和创新实践级”为架构的3层次实践教学平台体系，如图5所示。

2.4.2  改革实验教学考核方式

课程考核方式很大程度上决定了学生的学习方式[10，11]。培养学生的工程能力必须建立相应的课程考核方式。“过程控制系统”实验课程改革后的考核内容包括课前的预习设计、实验过程中的操作情况、实验能力、测试的试验结果和提交的实验报告撰写情况，共5环节。重在实验操作过程，全面评定总成绩。各环节所占实验课总成绩比例如表2所示。

3  过程控制系统实验教学改革效果

通过对“过程控制系统”实验课程的教学改革，使学生更全面的掌握了先进的过程控制技术，全面培养了学生的工程概念和能力，人才培养质量显著提高。在完成课程教学改革的基础上，指导学生在参加具备工程背景的学科竞赛，如教育部2021年第十五届“西门子杯”中国智能制造挑战赛流程行业自动化（过程控制）赛项，参赛学生以本科组第一名的成绩获国家级一等奖。2019年指导学生首次参加“西门子杯”中国智能制造挑战赛流程行业自动化赛项，获得国家级二等奖。实践结果表明，对“过程控制系统”实验课程进行改革达到了培养学生工程能力的目的，落实了教育部“卓越工程师教育培养计划”，2019年至2023年学生参加“西门子”杯中国智能制造挑战赛（过程控制赛项）获奖情况如表3所示。

4  结  论

“过程控制系统”实验是培养控制类专业学生工程能力非常重要的实践性教育环节，课程强调工程观点。近年来，教育部强调高等学校的教育要加强对学生工程能力的培养，并对实验课程提出了更高培养的目标。传统水槽等小型实物装置只能进行一些简单的认知实验，已经无法满足当前新形势下对控制类专业学生培养的要求。通过对“过程控制系统”实验课程的进行改革，首先在教学过程中丰富动画图形，添加现场监控画面并引入计算机仿真技术，增加学生对论知识的理解并加以运用的能力。第二，采用引导式教学法并充分发挥第二课堂的作用。第三开发学科竞赛、工程设计应用与课程实践教学相融合的创新性实践，积极地将先进的、目前科研和企业急需的软硬件技术引入课程实践中，进一步实现依托过程控制系统实验课程，培养学生工程能力。第四，改革实验项目和考核方式，针对不同层次的学生制定不同的实践课程学习内容，不断丰富和改进实验教学模块。经5年的实践探索，“过程控制系统”实验教学改革取得了良好的效果，可以更好的全面培养学生的综合素质和工程能力，培养具有创新意识和创造能力的“卓越工程师”。

参考文献：

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[8] 胡斌，舒秀兰，叶伟慧.过程控制技术实验课程教学改革 [J].高师理科学刊，2021，41（7）：79-83.

[9] 杜青青.基于SMPT-1000实验平台的连续过程控制系统的设计 [J].兰州石化职业技术学院学报，2019，19（3）：21-25.

[10] 韩树人，刘晖，朱俊林.基于工程能力培养的自动化专业过程控制类课程的教学改革与研究 [J].西部素质教育，2017，3（23）：13-14.

[11] 彭飞.地方高校电信类专业实践体系的构建与学生工程能力培养研究 [J].科技信息，2011（32）：188+190.

作者简介：茹雪艳（1991—），女，汉族，安徽蚌埠人，讲师，硕士研究生，研究方向：自动化控制技术。