過程控制工程實驗課程教學改革與實踐

鄧曉燕， 高紅霞， 黃道平， 孫宗海， 哀 薇

(華南理工大學 自動化科學與工程學院， 廣州 510641)

過程控制工程實驗課程教學改革與實踐

鄧曉燕， 高紅霞， 黃道平， 孫宗海， 哀 薇

(華南理工大學 自動化科學與工程學院， 廣州 510641)

根據(jù)新形勢下對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求以及在實驗課程體系中存在的問題，結合實驗課程的特點，對過程控制工程實驗課程體系進行了反向設計，建立多位一體、分層次、重能力的教學模式，針對不同層次培養(yǎng)不同能力采取了形式多樣的正向教學實施過程，并推行了特色鮮明的教學實踐。本實驗課程教學模式得到學生的普遍認可，對工程類實驗課程的開展有一定的借鑒作用。

過程控制工程; 實驗教學; 教學改革

0 引 言

在新形勢下，自動化專業(yè)作為面向工程技術的專業(yè)之一，貫徹落實卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，不僅要求工科教育要強調理論與實踐相結合，培養(yǎng)學生的動手實踐能力，還要求培養(yǎng)和造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質量創(chuàng)新型工程技術人才。有高校提出了開展“創(chuàng)新實踐課程，搭建創(chuàng)新實踐平臺[1-2]”，以促進學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。也有高校提出“務實基礎，建立校企聯(lián)合人才培養(yǎng)機制[3-4]”，借助地方和企業(yè)的資源，共同培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才等，通過各自的教學改革和實踐，采取的相應策略起到了一定成效，但大多并沒有形成完善的培養(yǎng)體系，學生潛能仍有待發(fā)掘。因此有必要對實驗課程的開設進行體系化設計。本文闡述了在過程控制工程實驗課程中所采用的系統(tǒng)性全方位的教學模式，實踐中取得了很好的效果，對工程類實驗課程的開展有一定的借鑒作用。

1 實驗教學體系存在的問題

(1) 教學目標和方向不明確。在實驗課程的開設上，一些老師對課程教學培養(yǎng)目標不明確，往往不清楚這門課程或者實驗內容在對學生培養(yǎng)方面起到怎樣的作用，或者基于怎樣的教學方向去設計實驗項目，仍一成不變地延用長期積累下來的實驗項目進行教學，導致課程內容老舊，重點不突出，開設的課程對學生能力的培養(yǎng)起不到太大作用。

(2) 缺乏較為完善的課程體系。課程體系是由特定的課程觀、課程目標、課程內容、課程結構和課程活動方式所組成[5]。但從目前來看，許多實驗課程的開設并沒有形成一個較為完善的課程體系，課程內容反映不出課程觀和目標，課程結構不清晰，不同實驗的實施過程也不明確。

(3) 實驗內容單一。學生常常反映課程內容枯燥單一，實驗內容多為驗證性實驗，學生學習興趣不高，很難調動學生的積極性[6]，課程內容較為落后，不能緊跟科技發(fā)展步伐，在培養(yǎng)學生工程應用和創(chuàng)新能力方面的實驗也比較欠缺。

2 建立多位一體、分層次、重能力的教學模式

“過程控制工程”是自動化專業(yè)的核心必修課，涵蓋了控制理論、計算機技術、生產(chǎn)工藝和儀表儀器等多方面的知識，是一門綜合應用性較強的課程[7]。學生要能理解和掌握控制系統(tǒng)的構成，運用自動控制原理，結合生產(chǎn)過程機理，在實踐中能利用自動化儀表及裝置分析、設計和運行過程控制系統(tǒng)[8]，因此這門課程的實驗環(huán)節(jié)尤為重要。在過去，“過程控制工程”實驗課程也存在著上述的一些問題。根據(jù)社會需求，結合這門實驗課程自身的特點，對該門課程進行了教學體系的反向設計，確定了重基礎、重能力、重需求、重創(chuàng)新實踐的教學方向，按照課程的設置以及實踐教學方向，分為基礎層、專業(yè)綜合設計層、工程設計創(chuàng)新層以及學生自主創(chuàng)新實踐和研究層4個層次，進行逐層遞進的實踐教學，以達到培養(yǎng)學生掌握基礎操作能力、應用實踐能力、解決復雜工程問題能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的目標，如圖1所示。在教學過程中實行正向實施，以學生為中心，針對不同層次培養(yǎng)不同能力采取形式多樣的教學方法，并推行特色鮮明的教學實踐，最終培養(yǎng)出適應社會需求的創(chuàng)新型人才。

圖1 過程控制工程實驗教學反向教學設計

3 推行分層次正向教學，開展特色鮮明的教學實踐

在過程控制工程的實驗教學過程中，以學生為中心，對不同層次不同能力的培養(yǎng)實施正向教學過程，將驗證性實驗、綜合設計性實驗、探索性實驗和自主創(chuàng)新實踐相結合，將實物實驗、虛擬仿真和科研實踐相結合。讓學生通過基礎實驗掌握基本實驗操作、鞏固原理知識，利用虛擬仿真實驗對復雜控制系統(tǒng)進行綜合設計，從而融會貫通、舉一反三，以解決復雜工程問題為著力點，以科研項目為驅動，在實驗室中探索新方法解決相關問題，并申請和完成相關的自主實踐和研究項目。

3.1 開展實物實驗的基礎性實驗

第一層次的實驗教學主要以實訓型、演示型、驗證型實驗為主，培養(yǎng)學生動手實踐的能力，此類實驗為基礎性實驗[9]，針對已知的實驗結果而進行的以驗證實驗結果，掌握和鞏固所學的基礎專業(yè)知識，培養(yǎng)基本實驗操作能力為目的的重復性實驗，對象為所有專業(yè)課學生，為必做實驗。學生通過實驗，掌握基本的過程控制理論，深化對理論知識的理解，掌握實驗儀器和裝置的性能和使用方法，為進行更高層次的實驗項目打下堅實的基礎。這一層次的實驗教學正向實施過程如圖2所示。

圖2 基礎層實驗教學過程

該層次實驗主要的實驗內容是實驗對象結構認識、對象特性測試實驗和單回路控制系統(tǒng)實驗等，實驗的對象包括溫度、液位、流量等，能夠更直觀了解PID參數(shù)對控制系統(tǒng)質量指標的影響，學會整定簡單的控制系統(tǒng)等。對于對象特性測試和單閉環(huán)控制系統(tǒng)等實驗利用PCT-IV過程控制實驗裝置進行實驗，該實驗裝置的控制對象原型全部來源于工業(yè)現(xiàn)場，能夠較為真實、直觀地反應實際生產(chǎn)過程中的控制情況，因此是一種實物實驗，學生能較容易理解整個實驗的過程以及各個控制參數(shù)之間的關系。

3.2 虛實結合和在線教育的專業(yè)綜合設計性實驗

第二層次的實驗教學主要以綜合設計型實驗為主[10]，培養(yǎng)學生專業(yè)操作技能和設計能力。此類實驗是在給定實驗目的要求和實驗條件，學生綜合運用本課程所學知識或與本課程相關知識設計實驗方案并加以實驗，對象為所有專業(yè)課學生，為必做實驗。該層次的教學融合在線教育的思想，制作了相關的教學視頻，課前提出了相應的教學任務，師生和同學間可在線進行互動交流。在相關專業(yè)課程和對應驗證性實驗結束后，考察學生對課程專業(yè)知識和操作能力的掌握程度，通過實驗可以培養(yǎng)學生運用所學專業(yè)知識解決實際問題的應用實踐能力。具體實驗教學過程如圖3所示。

圖3 專業(yè)綜合設計層實驗教學過程

該層次的主要實驗內容是控制系統(tǒng)控制質量的研究、雙容液位控制系統(tǒng)的設計、串級控制系統(tǒng)的設計、比例控制系統(tǒng)的仿真實驗、前饋反饋控制系統(tǒng)的仿真實驗以及解耦控制系統(tǒng)的仿真實驗。從簡單到復雜，采取實物和虛擬仿真相結合，對于復雜控制系統(tǒng)先要求學生完成虛擬仿真實驗，采用VB與Matlab混編技術，開發(fā)了過程控制實驗仿真系統(tǒng)[11]，主界面如圖4所示。該系統(tǒng)利用VB在用戶界面設計和快速開發(fā)等方面的優(yōu)勢設計了實驗仿真系統(tǒng)的界面，利用Matlab建立了仿真模塊，并能實現(xiàn)圖形顯示和保存，學生提交實驗結果等功能。仿真系統(tǒng)整體的結構較為清晰簡潔，學生可以利用該實驗仿真系統(tǒng)設計并完成不同的虛擬實驗。

3.3 開展以科研項目為背景的工程設計創(chuàng)新性實驗

第3層次的實驗教學過程如圖5所示，主要以探索性、創(chuàng)新性實驗為主，培養(yǎng)學生綜合運用各種知識和技能，從事實際工程技術工作的能力。此類實驗是從事開創(chuàng)性研究工作時，在不知曉實驗結果的前提下，通過獨立思考，設計擬定實驗方案和步驟，自己動手實驗、探索、分析、研究得出結論的實踐活動，對象為創(chuàng)新班(本碩連讀班)為必修課，本專業(yè)其他學生為選修課。實驗內容更多地注重與國民需求緊密聯(lián)系，與實際工程應用相吻合，盡可能地利用原有的實驗裝置，將科研項目的技術成果轉化為計劃內實驗教學內容，在實驗室開放時間中完成，倡導學生自主能動性，允許學生實驗失敗，讓學生學會探索并運用科研項目的新技術解決實驗當中存在的問題。通過實驗培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力，使學生能夠了解新技術在工程中的應用成果及發(fā)展方向，并在該過程中能大膽創(chuàng)新。

圖4 過程控制實驗仿真平臺主界面

圖5 工程設計創(chuàng)新層實驗教學過程

目前該層次主要的實驗內容有大時滯溫度控制系統(tǒng)實驗、基于組態(tài)軟件與Matlab的高級過程控制實驗和基于Trnsys與Matlab的中央空調系統(tǒng)群控系統(tǒng)設計等[12-14]。以大時滯溫度控制系統(tǒng)實驗為例，實驗結合實驗設備的對象特性，學生通過實驗得到大時滯溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，自行探索選擇自適應控制、預測控制、專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進過程控制技術設計控制器，實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的控制。

3.4 開展豐富的學生自主創(chuàng)新實踐和研究性實踐

第4層次的教學主要以課外學術科技作品競賽、實習以及參與教師的科研項目等活動，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。此類實踐以研究形成創(chuàng)新成果為目標，以學生為主體，從實踐課題的提出到形成創(chuàng)新成果均由學生主持，自行尋找與課題背景相關的指導老師，或直接參與教師的科研項目，獨自承擔相應的研究內容。對象為有扎實專業(yè)知識和較強創(chuàng)新實踐能力的學生，自主申報有關課題項目。通過實踐活動，提高學生的科研能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，為相關行業(yè)企業(yè)發(fā)展需要提供更多高層次人才。

主要實踐內容是主要以國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃、學校百步梯攀登計劃、學校學生研究計劃(SRP)等為依托，學生自主申報有關研究項目并在指導老師指導下完成相關研究內容，形成創(chuàng)新實踐作品，教師組織有一定研究成果的學生積極參與國家級比賽和研究，鼓勵有一定科研能力的學生參與到教師的科研項目，尤其是校企合作項目，如產(chǎn)學研項目和與本專業(yè)相關的橫向項目等，讓學生獨自承擔部分科研內容，培養(yǎng)適應行業(yè)企業(yè)發(fā)展需要的高層次創(chuàng)新型人才。

4 改革效果與評價

目前過程控制工程實驗課程的實驗條件已基本滿足不同層次實驗教學的開展，整合了課程長期積累的資源，并在實踐當中充分利用，編寫了相應的實驗指導書、課程資源和設計了教學輔助系統(tǒng)。經(jīng)過學期末學生問卷調查結果顯示：95.1%的學生都認可分層次實驗教學的模式，學生對指導教師和課程教學的評價較高，具體結果見表1。

表1 學生對指導教師和課程教學的評價結果

另外從2011年至今，學生申報的與過程控制方面相關的課題中，國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃4項，學校百步梯攀登計劃5項，學校學生研究計劃(SRP)10項；參加國家級比賽6項，其中獲得一等獎3項，總體取得了一定的成效。

5 結 語

根據(jù)新形勢下社會人才需求，結合過程控制工程實驗課程特點，對“基礎層-專業(yè)綜合設計層-工程設計創(chuàng)新層-學生自主創(chuàng)新實踐和研究層”4個層次的實驗課程體系進行反向設計，并實施正向實踐教學過程，取得了較好的效果。學生可根據(jù)自身的特點和能力是否參與更高層次的實踐活動，有針對性地培養(yǎng)自身能力，從學生評價了解到本實驗課程教學設計得到學生的普遍認可。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，實驗課程要緊跟時代的步伐，不斷改革創(chuàng)新才能更好地培養(yǎng)更多社會急需人才，為推動國家現(xiàn)代化建設提供不竭動力。

[1] 李 輝.建設創(chuàng)新實踐平臺，提升大學生創(chuàng)新能力[J].中國高等教育,2013(17):57-59.

[2] 張 臣,周合兵,羅一帆.大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)一體化實踐平臺的構建[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):262-265.

[3] 李 明.依托校企聯(lián)合實驗室的PBL創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制初探[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):269-272.

[4] 解萬翠,高 倩.理工科研究生校企聯(lián)合培養(yǎng)基地模式下的協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制探索[J].農產(chǎn)品加工,2015(3):86-88.

[5] 百度百科.課程體系[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/10550360.htm.

[6] 王鴻懿.“過程控制儀表”課程教學方法改革的探索與實踐[J].中國電力教育,2008(12):39-40.

[7] 張運波.《過程控制工程》課程教學體系優(yōu)化的研究與實踐[J].長春工程學院學報(社會科學版),2009,10(4);92-94.

[8] 陳夕松,汪術蘭.過程控制系統(tǒng)[M].北京:科學出版社,2005.

[9] 楊 佳,許 強.“過程控制系統(tǒng)”課程教學與實驗改革探討[J].中國電力教育,2010(10):125-126.

[10] 黃艷巖,徐紅偉.過程控制實驗課程教學改革實踐[J].高校實驗室工作研究,2009(3):9-10.

[11] 鄧曉燕,袁 玲.基于Matlab與VB的過程控制實驗仿真系統(tǒng)設計[J].信息技術,2013(2):21-23.

[12] 趙 璐,柏逢明.“自動化儀表與過程控制”課程教學改革與實踐[J]. 長春理工大學學報,2011(12):196-197.

[13] 羅健旭,顧幸生.過程控制工程課程教學的創(chuàng)新與改革[J]. 化工高等教育,2012(2):19-22,65.

[14] 薄翠梅,張廣明.過程控制工程創(chuàng)新實踐教育模式建設研討[J]. 化工高等教育,2012(2):23-26,40.

Reform and Practice on the Experimental Teaching of Process Control Courses

DENGXiaoyan，GAOHongxia，HUANGDaoping，SUNZonghai，AIWei

(Institute of Automation Science and Engineer, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

According to the requirement of cultivating innovative talents and the problems of experimental course system, combining with the characteristics of the course, the experimental course system of process control engineering has been designed and the hierarchical teaching model has been set up. Different levels take various forms of positive teaching implementation process for different abilities. This experiment course teaching mode has been widely recognized by students, and it can be used as a reference for the development of engineering experiment course.

process control engineering; experiment teaching; teaching reform

2016-03-21

2014廣東教育教學成果獎(高等教育)培育項目；華南理工大學第一批“探索性”實驗項目(Y1140700)；2015年華南理工大學教改教研項目(Y1150970)；2015廣東省高等教育教學研究和改革項目；2015教育部高等學校自動化類專業(yè)教學指導委員會專業(yè)教育教學改革研究課題；2016年華南理工大學教改教研項目

鄧曉燕(1983-)，女，廣東大埔人，碩士，實驗師，研究方向為：實驗室管理和實驗教學以及控制科學與控制工程。

Tel.：13760623296；E-mail：dengxy@scut.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0214-04