《過程控制與集散系統(tǒng)》國家精品課程建設(shè)實踐

黃衛(wèi)華，方康玲，龍海燕 （武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）

自動化技術(shù)與生產(chǎn)過程密切相關(guān)，過程控制是自動化技術(shù)的一個重要分支［1］。工業(yè)生產(chǎn)過程是指物料經(jīng)過若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過程，其目標(biāo)是充分了解生產(chǎn)過程的工藝流程和動靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用理論對系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，以生產(chǎn)過程中物流變化信息量作為被控量，選用適宜的技術(shù)手段，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標(biāo)［1］?！哆^程控制與集散系統(tǒng)》是一門理論與實踐聯(lián)系緊密的綜合性專業(yè)課程，是武漢科技大學(xué)自動化專業(yè)的重要專業(yè)課，為專業(yè)核心課程之一，其教學(xué)效果將直接影響本專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。它是以過程控制系統(tǒng)為主體，控制理論為基礎(chǔ)，結(jié)合過程工藝、自動化儀表和計算機(jī)技術(shù)為一體的理論與應(yīng)用結(jié)合的課程［2－3］。

《過程控制與集散系統(tǒng)》課程的前身為20世紀(jì)60年代開始設(shè)立的 《儀表控制系統(tǒng)》，隨著過程控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)歷了 《儀表控制系統(tǒng)》、《自動化儀表與過程控制》、《過程控制系統(tǒng)》和 《過程控制與集散系統(tǒng)》4個階段?！哆^程控制與集散系統(tǒng)》課程2006年被評為湖北省精品課程，2007年被評為國家精品課程。經(jīng)過多年的發(fā)展，《過程控制與集散系統(tǒng)》課程教學(xué)不斷的求實創(chuàng)新、與時俱進(jìn)，逐步建立了一套完整、科學(xué)的教學(xué)體系，集理論性、實踐性和工程性于一體。

1 課程建設(shè)

創(chuàng)建國家精品課程是教育部 “質(zhì)量工程”的重要組成部分。《過程控制與集散系統(tǒng)》課程內(nèi)容豐富，涉及面廣，學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)的好壞、對有關(guān)知識點(diǎn)掌握的熟練程度以及有效地實施相關(guān)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)將直接影響到自動化專業(yè)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識解決實際問題的能力。因此，如何進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教材建設(shè)的改革是 《過程控制與集散系統(tǒng)》課程建設(shè)的核心。

針對控制科學(xué)與控制工程學(xué)科的發(fā)展，在課程建設(shè)中，基于自動化專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，通過制定合理的課程結(jié)構(gòu)體系、不斷更新教材內(nèi)容、改善實驗教學(xué)條件、優(yōu)化師資隊伍等措施，從而逐步形成了一套科學(xué)、先進(jìn)、完整的課程教學(xué)內(nèi)容體系。同時，在教學(xué)過程中，采用靈活、互動性的教學(xué)方法，實現(xiàn)了理論教學(xué)與實踐教學(xué)、課堂講授與網(wǎng)絡(luò)自學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式。

1．1 教學(xué)方法

《過程控制與集散系統(tǒng)》課程最突出的特點(diǎn)是控制策略的多樣性和針對性，以及理論與實踐的緊密結(jié)合。因此，在教學(xué)過程中，如何以學(xué)生為主體、如何將已學(xué)的控制理論相關(guān)知識與過程控制中的新內(nèi)容有機(jī)融合、如何讓學(xué)生在有限時間內(nèi)掌握課程內(nèi)容、如何培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、如何有效地引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)造能力，這些問題對于該課程的教學(xué)至關(guān)重要。

課程組成員在多年的教學(xué)過程中，經(jīng)過不斷的探索和改革，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，采用多媒體教學(xué)、工程實例教學(xué)以及課堂討論等形式，并且通過互動式、啟發(fā)式和引導(dǎo)式教學(xué)模式，充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而激發(fā)學(xué)生的求知潛能，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

1）傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)有機(jī)結(jié)合 采用多媒體課件與傳統(tǒng)的黑板板書相結(jié)合的教學(xué)方式。教學(xué)內(nèi)容以教材為藍(lán)本，通過多媒體課件的演示，向?qū)W生們生動的展示課程講義、例題演示等內(nèi)容，增加課堂教學(xué)的信息量，從而提高課堂效率。針對理論推導(dǎo)環(huán)節(jié)，教學(xué)方式著重傳統(tǒng)的黑板板書。如在講解串級控制系統(tǒng)特點(diǎn)時，通過板書一步一步的推導(dǎo)環(huán)節(jié)，向?qū)W生傳遞系統(tǒng)分析的過程及要點(diǎn)，加深同學(xué)們對理論知識的理解。同時，基于MATLAB軟件平臺，將各種控制策略進(jìn)行仿真實驗，通過對比實驗的多媒體演示，充分的讓學(xué)生們了解各種控制策略的特點(diǎn)。

2）工程實例教學(xué) 鑒于該課程的工程實踐性，在教學(xué)過程中，將教師的科研課題作為教學(xué)內(nèi)容的實例，從設(shè)計方案、設(shè)備選型、系統(tǒng)組建及調(diào)試等方面，完整、系統(tǒng)的介紹某過程控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)過程，特別是介紹系統(tǒng)調(diào)試的心得，從而開拓學(xué)生的思維，激發(fā)他們對理論學(xué)習(xí)的興趣，使其能夠?qū)局R和工程需求相結(jié)合，將抽象的書本知識具體化，提升他們的專業(yè)認(rèn)同感。

3）課堂討論 學(xué)生是課堂教學(xué)的主體，啟發(fā)式和引導(dǎo)式教學(xué)對于提高教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。在教師授課的同時，適當(dāng)?shù)募尤胝n堂討論環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性?！哆^程控制與集散系統(tǒng)》課程開設(shè)之前，有少數(shù)同學(xué)在假期參加了 “全國大學(xué)生智能車大賽”，這部分同學(xué)已經(jīng)提前自學(xué)了PID控制器參數(shù)工程整定的方法，并且積累了豐富的調(diào)試經(jīng)驗，因此在講解 “PID調(diào)節(jié)原理”時，介紹完P(guān)ID控制器參數(shù)整定方法后，讓參與過 “智能車大賽”的同學(xué)以智能車PID控制器設(shè)計及參數(shù)調(diào)試為內(nèi)容，準(zhǔn)備好PPT，在課堂上向同學(xué)們講解整個智能車PID控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，特別是參數(shù)整定的過程，然后，通過視頻的動態(tài)演示，向同學(xué)生展現(xiàn)智能車運(yùn)行效果。從課堂現(xiàn)場反饋可以看出，這種教學(xué)方式取得了非常好的教學(xué)效果，學(xué)生們反應(yīng)熱烈，不斷向講臺上的同學(xué)提問，形成了良好的學(xué)習(xí)互動效果。

1．2 實踐教學(xué)

實驗教學(xué)是 《過程控制與集散系統(tǒng)》教學(xué)中必需的重要環(huán)節(jié)，構(gòu)建了理論教學(xué)與實踐教學(xué)、課堂教學(xué)與課外科技實踐密切結(jié)合的創(chuàng)新平臺。該課程的實驗環(huán)節(jié)包括基本實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗。通過這些實驗環(huán)節(jié)不僅使學(xué)生鞏固理論課的基本理論和基礎(chǔ)知識，還能培養(yǎng)了獨(dú)立科研工作的能力。

過程控制與集散系統(tǒng)實驗室擁有30臺過程控制實驗儀，每次實驗課可以保證1人1臺設(shè)備，可獨(dú)立進(jìn)行操作，從而保證了實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。為了增強(qiáng)學(xué)生實踐能力，在原有實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，延長開放實驗室的時間，增加實驗內(nèi)容，將原有的4個實驗單元增加為8個單元，包括過程控制實驗儀器的認(rèn)識，組態(tài)軟件認(rèn)知實驗，調(diào)節(jié)閥、流量、壓力的關(guān)系實驗，單容水箱液位定值控制實驗，單容水箱液位和進(jìn)口流量串級控制實驗，單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)實驗，DCS控制系統(tǒng)認(rèn)識實驗等。

該實驗儀除了提供基本的實驗內(nèi)容外，還可以進(jìn)行二次開發(fā)，滿足過程控制系統(tǒng)對象特性分析，控制系統(tǒng)設(shè)計以及工業(yè)現(xiàn)場模擬等各類型的實驗。老師提出實驗?zāi)康暮驮O(shè)計要求后，學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并搭建實驗平臺，對實驗結(jié)果進(jìn)行觀測－分析－整定，并得出相關(guān)結(jié)論。在整個實驗過程中，學(xué)生是主角，教師只是輔助學(xué)生，給予學(xué)生指導(dǎo)性的建議。

創(chuàng)新實驗?zāi)康脑谟谂囵B(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立科研工作和創(chuàng)新能力。配合校級大學(xué)生創(chuàng)新基金以及各種學(xué)科競賽活動，指導(dǎo)教師提供選題，開設(shè)專題講座，然后，由學(xué)生們自主選擇題目展開研究。學(xué)生也可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣和實驗準(zhǔn)備情況，通過預(yù)約，進(jìn)入實驗室進(jìn)行相關(guān)實驗。在此基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀的同學(xué)進(jìn)一步參與各種競賽，如 “全國大學(xué)生智能車大賽”。

為了方便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)課程實驗，《過程控制與集散系統(tǒng)》課程還在課程網(wǎng)頁上提供了實驗課程錄像，將實驗過程變得更為清晰，提高了實驗環(huán)節(jié)的生動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；趯嶒炰浵竦姆磸?fù)可觀看性，學(xué)生可實現(xiàn)實踐－認(rèn)識－再實踐－再認(rèn)識的過程，加深對理論學(xué)習(xí)的理解。

1．3 教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)

建設(shè)了 《過程控制與集散系統(tǒng)》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)網(wǎng)站。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)網(wǎng)站主要包括多媒體課件、實驗教學(xué)、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)上自測、網(wǎng)上答疑、課程論壇、課程導(dǎo)學(xué)、教學(xué)改革、教學(xué)信息發(fā)布、往年考題等。教師可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助教學(xué)，學(xué)生可進(jìn)行遠(yuǎn)程、自主的學(xué)習(xí)，共享教學(xué)資源。

2 教材建設(shè)

教材是精品課程建設(shè)的基礎(chǔ)。《過程控制與集散系統(tǒng)》課程主講教師根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗和科研成果，結(jié)合課程教學(xué)實際和專業(yè)特點(diǎn)，編寫了一系列適用性強(qiáng)的教材，包括主教材、實驗教材、習(xí)題集以及輔助教材等。其中，主教材經(jīng)過了不斷的完善和充實，力求將最新的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和科研成果融入教材中，保證教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時代感。

課程主講教師編寫的 《過程控制系統(tǒng)》（2002年，第1版）注重過程控制基本概念，并且介紹了國內(nèi)外過程控制。該教材經(jīng)過4年多的使用，編者結(jié)合過程控制技術(shù)的發(fā)展，對第1版教材的內(nèi)容進(jìn)行了修正和更新，2007年出版了 《過程控制系統(tǒng)》（第2版）。鑒于高可靠、智能化儀表和集中分散控制系統(tǒng)是過程工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展模式［2］，2009年出版了 《過程控制系統(tǒng)與集散系統(tǒng)》，該教材在原有教材的基礎(chǔ)上，增加數(shù)字PID控制算法、DCS的原理和設(shè)計方法等章節(jié)，并加強(qiáng)對預(yù)測控制等先進(jìn)過程控制方法的介紹，從而保證了教學(xué)內(nèi)容的新穎性。針對 《過程控制與集散系統(tǒng)》課程中控制方法種類多，工程實踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程組成員根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，出版了 《過程控制系統(tǒng)－習(xí)題解答及課程設(shè)計》。這樣，學(xué)生在課下可以通過書中提供的課程重點(diǎn)、例題講解和習(xí)題等環(huán)節(jié)，鞏固課堂所學(xué)知識。

3 師資建設(shè)

課程教學(xué)師資隊伍是教學(xué)質(zhì)量的重要保證?！哆^程控制與集散系統(tǒng)》課程的教學(xué)隊伍有從事教學(xué)工作40多年的學(xué)術(shù)帶頭人1人，40～50歲2人，30～40歲2人，30歲以下2人，教學(xué)隊伍逐步形成了一支責(zé)任感強(qiáng)、思想活躍、積極進(jìn)取的老中青結(jié)合的教學(xué)梯隊。年長的教師和青年教師定期進(jìn)行教學(xué)交流，討論教學(xué)方法、修改教學(xué)計劃及內(nèi)容，從而保證教學(xué)隊伍的穩(wěn)定性。

另外，教學(xué)團(tuán)隊中的部分教師承擔(dān)了多項科研項目，具有豐富的工程實踐經(jīng)驗并取得了多項科研成果。這些教師在教學(xué)和實驗過程中，可以盡可能的滿足 《過程控制與集散系統(tǒng)》課程的實踐性和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，更好的為課程教學(xué)服務(wù)。

4 結(jié) 語

經(jīng)過5年多的國家精品課程的建設(shè)，《過程控制與集散系統(tǒng)》課程基于自動化技術(shù)的發(fā)展和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，做到了規(guī)范化、制度化和網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)過程。另外，積極開展各項教學(xué)研究工作，積極與國內(nèi)其他高校進(jìn)行教學(xué)交流和研討，吸取先進(jìn)的教學(xué)理論和經(jīng)驗，不斷地更新和充實教學(xué)內(nèi)容和方法，保證了精品課程的可持續(xù)發(fā)展。在教學(xué)過程中，嚴(yán)格執(zhí)行教學(xué)督導(dǎo)和學(xué)生的教學(xué)評價制度，教學(xué)效果及時反饋，保證教學(xué)的質(zhì)量。

［1］方康玲 ．過程控制與集散系統(tǒng) ［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［2］邵惠鶴 ．工業(yè)過程高級控制 ［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，2003．

［3］孫京誥，羅健旭，劉漫丹，等 ．過程控制工程國家精品課程特色建設(shè)探討與實踐 ［J］．化工高等教育，2012（12）：15－18．