過程控制工程課程信息化教學方法探討

鄧冠龍

摘要 過程控制工程將自動控制理論、檢測技術(shù)和生產(chǎn)過程控制綜合在一起，是一門理論和應用性較強的學科，在教學過程中理論和實際的轉(zhuǎn)換難以掌握。本文結(jié)合現(xiàn)階段信息化教學的發(fā)展趨勢，考慮到過程控制技術(shù)的應用現(xiàn)狀以及課堂教學的現(xiàn)實情況，從教學內(nèi)容、多媒體化、仿真實驗等方面提出了若干措施和經(jīng)驗，對這門課程的信息化教學方法進行了探討。

關(guān)鍵詞 過程控制 信息化 教學方法 Matlab

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.08.066

Discussion on Process Control Engineering

Course Information Teaching Methods

DENG Guanlong

（School of Information and Electrical Engineering， Ludong University， Yantai， Shandong 264025）

Abstract Process control engineering the automatic control theory， detection technology and production process control combined， is a strong theoretical and applied disciplines， in the teaching process theory and actual conversion is difficult to grasp. In this paper， the development trend of information technology education at this stage， taking into account the reality of the process control technology application status and classroom teaching， proposed a number of measures and from the experience of teaching content， multimedia， simulation experiment， the information in this course teaching methods are discussed.

Key words process control; information; teaching methods; Matlab

引言

過程控制是指石油、化工、電力、冶金、紡織、建材、輕工、核能等工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動化。①生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動條件、保證安全和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段。為了適應自動化技術(shù)的發(fā)展和國家工業(yè)部門的需求，在自動化、電氣工程等學科開設(shè)“過程控制工程”這門課是非常必要的，因而目前這門課是全國各大專院校自動化相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課。②這門課既需要較好的理論基礎(chǔ)，又需要和工業(yè)生產(chǎn)實際相聯(lián)系，綜合性較強，理論和實際的結(jié)合點較難把握。另一方面，現(xiàn)代控制技術(shù)近年來得到了廣泛發(fā)展，這門課的內(nèi)容變得更加豐富，眾多新知識的加入使得授課內(nèi)容也變得龐雜，在內(nèi)容擴大和學時減小之間亦存在矛盾。由于過程控制的實踐平臺比較復雜，受到時間、地點、費用等方面的制約，導致傳統(tǒng)的教學手段存在理論知識講解較多、實踐教學難以展開的問題。如有的實踐平臺造價太高，不允許學生親自動手操作，即使可以實際操作，也往往流于形式，出現(xiàn)理論和實際脫節(jié)的現(xiàn)象。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，信息化教學成為其中的一個重要發(fā)展方向，人們可以將快速獲取、處理和應用信息的手段引入到教學中。本文正是針對過程控制工程教學面臨的問題，從信息化教學的手段和方法方面進行嘗試，主要從教學內(nèi)容、多媒體化、仿真實驗等方面出發(fā)，探討適應學生學習規(guī)律的教學方式的變革，以提高教學效果。

1 教學內(nèi)容的選取

在現(xiàn)代信息技術(shù)的環(huán)境下，學生和教師可獲取的信息是非常龐大的，新技術(shù)新方法層出不窮。我們一直有這樣的疑問：在有限的授課學時內(nèi)如何從眾多的課程內(nèi)容中選取適當?shù)牟糠謧魇诮o學生？選取的標準是什么？對學生應有怎樣的要求？授人以魚還是授人以漁？現(xiàn)在的教材普遍在內(nèi)容上較為全面，通過廣泛收集學生的反饋信息，我們發(fā)現(xiàn)不同的學生有不同的需求?？紤]到當前“大眾教育”的現(xiàn)實，大部分的理論基礎(chǔ)知識是必不可少的，但可不必面面俱到，尤其是理論推導應該從簡。對較難掌握的高階內(nèi)容必須要涉及，由于時間上的原因可以不深入，但要注意其中和生產(chǎn)生活密切相關(guān)的部分，可選擇性地重點介紹。具體到過程控制工程這門課，結(jié)合該課程的先修課程以及本專業(yè)的指導性教學計劃，刪掉在其他課程中重復的內(nèi)容或難度過大的內(nèi)容，如溫度、壓力、液位三大熱工參數(shù)測量、節(jié)流元件的計算、集散控制系統(tǒng)、魯棒控制等，增加了教材沒有涉及到的部分內(nèi)容，如化工原理中的多項內(nèi)容：流體輸送設(shè)備、傳熱設(shè)備、精餾原理等。特別地，強調(diào)這門課和“自動控制原理”、“檢測技術(shù)”等課程內(nèi)容銜接，使學生可以將所學知識融會貫通、舉一反三。另外，涉及到實驗部分的理論內(nèi)容時，需要重點講解理論和實際的聯(lián)系。如關(guān)于一階慣性對象的特性測量，不少學生雖然學過自動控制原理，但是仍然無法和水箱的模型聯(lián)系起來。通過在課堂上的機理分析法，以及實驗數(shù)據(jù)的測量，很容易就使學生感受到已有理論在實際生產(chǎn)中的效果。在信息化教學中，教育應該以解決問題為導向，因此對學生的評價準則也應當有所變化。很多內(nèi)容不必學生牢記，融會貫通更加重要，這需要學生具有一定的知識面，并大致了解當前的最新技術(shù)成果。從這個角度出發(fā)，以專題的形式選取一部分教學內(nèi)容顯得較為重要。如自動化學科體系概述、智能控制方法在過程控制中的應用、軟測量技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘方法的應用等。

2 多媒體和網(wǎng)絡(luò)的應用

利用多媒體技術(shù)，可以將原本枯燥的課本內(nèi)容翔實生動地展現(xiàn)在學生面前。多媒體信息具有信息量大、速度快、內(nèi)容新等特點，可以讓教學活動更加直觀，提高學生學習的積極性。利用CAI教學軟件，可以補充課本教學的不足。此外，一些生動的Flash動畫可以幫助學生更好地理解課本中晦澀難懂的難點。③如雙容水箱的水位控制、離心泵的控制、精餾塔的精餾過程等都可以做成動畫，增強學生對相應知識點的理解和認識，學生也覺得新奇有趣味，從而大大提高了學習的主動性。當然，在課堂授課中，除了多媒體技術(shù)的應用之外，適當?shù)陌鍟彩潜匾?。兩者要相輔相成、各取所長，使學生更充分地吸收課本知識，領(lǐng)會各個重點和難點。

除了多媒體技術(shù)的應用，教育網(wǎng)絡(luò)也是一個重要的媒介。依托教育網(wǎng)絡(luò)，教師和學生可以在網(wǎng)絡(luò)上找到各種技術(shù)資料，以及各種先進科技的發(fā)展動態(tài)，如軟測量先進控制技術(shù)、模糊智能控制等前沿動態(tài)可隨時在網(wǎng)絡(luò)上獲取。同時，教師應當引導學生應用網(wǎng)絡(luò)解決一些課程相關(guān)的難題，學生們往往發(fā)現(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)尋找答案有時比課本來得更快、更易理解。在問題求解的過程中，學生也學會了綜合各種手段特別是網(wǎng)絡(luò)解決實際問題的思路和方法。另一方面，教師可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布課程相關(guān)的內(nèi)容，如教學教案、教學大綱、作業(yè)習題、技術(shù)前沿等，也可以在網(wǎng)絡(luò)上同學生更好地互動，使學生感受到課程內(nèi)容已融入生活，學習過程更加輕松方便。④在現(xiàn)行的教育環(huán)境下，這是引導學生從被迫學習向自主學習的重要一環(huán)。

3 仿真平臺的使用

工業(yè)生產(chǎn)過程控制是自動化的一門重要分支學科，其任務(wù)是分析、設(shè)計和應用在實際生產(chǎn)過程中的控制系統(tǒng)。因此，理論必須和實踐相結(jié)合，才能真正將學到的理論知識用到工業(yè)實際中去。然而，傳統(tǒng)的實踐教學有較大困難。一方面，實驗設(shè)備耗資巨大，另一方面，即使有相應設(shè)備也不能任由學生實習操作，因為設(shè)備一旦操作失誤可能造成嚴重后果。在這樣的環(huán)境下，仿真平臺這一信息化教學手段的應用變得舉足輕重。針對過程控制工程這門課，實用的仿真平臺有如下兩個：Matlab/simulink平臺和組態(tài)軟件Kingview。

Matlab適用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計算，其中simulink模塊的應用領(lǐng)域非常廣泛，可實現(xiàn)過程控制中的各種控制算法，進行各種控制結(jié)構(gòu)的仿真實驗。⑤不管是在授課過程還是實驗環(huán)節(jié)都可以運用這一工具，而且僅需一臺計算機即可實現(xiàn)。如過程控制課程中講到被控對象的自衡和無自衡，學生難以理解。在simulink平臺里搭建一個對象模型，輸入端施加一階躍信號，查看輸出端的曲線便馬上能得到被控對象的輸出特性，一目了然。如圖1所示，在simulink中搭建好階躍響應模型，對反向特性過程的自衡型和無自衡型進行仿真，可使學生有更加清晰的印象。又如串級控制系統(tǒng)、解耦控制系統(tǒng)、設(shè)置模糊控制器等較難的內(nèi)容，均可在該仿真平臺中實現(xiàn)。

組態(tài)軟件在現(xiàn)代的工業(yè)控制中扮演著重要角色，在實際的工程實踐中應用非常普及，因而組態(tài)軟件這一工具非常有必要讓學生接觸、認識并熟悉。它是處在控制系統(tǒng)中監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，具有各種靈活的組態(tài)方式，可為用戶提供友好的人機界面和全方位的監(jiān)控功能。圖2給出了采用某合成氨生產(chǎn)過程的組態(tài)王軟件設(shè)計界面，該界面可實時顯示生產(chǎn)過程動態(tài)數(shù)據(jù)，并兼具報表生成。除了過程控制領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)、樓宇自動化、制造業(yè)等領(lǐng)域的使用也相當普遍。具體到過程控制工程這門課，可采用較為簡單方便的組態(tài)王Kingview，Kingview具有使用成本低、方便快捷、功能強大、人機界面友好等優(yōu)勢。教師可以利用Kingview實驗平臺，通過工程組態(tài)、通訊設(shè)置、情景測試等環(huán)節(jié)，讓學生認識到工業(yè)級的計算機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，激發(fā)學生的學習興趣和主動性，提高動手解決實際問題的能力。

4 結(jié)語

信息化教學是現(xiàn)代教師必備的職業(yè)技能，在網(wǎng)絡(luò)化的時代應成為一項基本技能。教師掌握信息化教學方法并能熟練地運用，才能更好地服務(wù)于學生群體。當然，如何充分地發(fā)揮信息化的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的授課結(jié)合起來，達到最好的效果，這是一項系統(tǒng)工程。這項系統(tǒng)工程需要實踐的檢驗，通過實施的情況和學生的反饋效果來不斷地調(diào)整。在信息化教學中，教師不僅僅是知識的傳授者，而且是引領(lǐng)者，教師不僅僅是教學方法的實施者，而且是探索者?？傮w來說，在過程控制工程這門課中，通過這些信息化手段，學生對專業(yè)知識有了更深入的理解，對課程相關(guān)的基礎(chǔ)理論也有了新的認識，創(chuàng)新意識和實踐能力也有所提高。

注釋

① 黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2011.

② 俞金壽，顧幸生.過程控制工程[M].北京：高等教育出版社，2012.

③ 江鶯.“過程控制”教學的實踐與思考[J].中國電力教育，2010.31：128-129.

④ 吳文輝.信息化技術(shù)下電氣工程基礎(chǔ)課程教學方法探討[J].華東交通大學學報，2007.24：57-59.

⑤ 方康玲.過程控制及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.