《過程控制系統(tǒng)》教學(xué)改革與實(shí)踐

蔡林沁，虞繼敏，向敏，唐曉銘

摘要：本文介紹了《過程控制系統(tǒng)》的教學(xué)體系、教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)等課程改革主要內(nèi)容，提出了“基礎(chǔ)知識+專題講座”相結(jié)合的課程教學(xué)體系，采用“案例+問題+討論”的啟發(fā)式、研究性教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程的動態(tài)管理和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：過程控制系統(tǒng)；教學(xué)體系；研究性學(xué)習(xí)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0105-02

引言

《過程控制系統(tǒng)》是自動化專業(yè)方向的課程之一，涉及控制理論、生產(chǎn)過程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測儀表等多學(xué)科知識的綜合與應(yīng)用，對培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力非常重要。當(dāng)前自動化所處的環(huán)境與以往大為不同，大型系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜程度已大大超出了控制的傳統(tǒng)應(yīng)用范圍。信息物理融合系統(tǒng)（CPS）、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造等戰(zhàn)略的相繼實(shí)施與推進(jìn)，人工智能的快速發(fā)展與知識自動化的攻城掠地，為自動化專業(yè)人才培養(yǎng)提供了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1-2]。因此，結(jié)合新形勢下自動化專業(yè)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)際需求，改革自動化專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，探索有效的教學(xué)方法，對自動化人才培養(yǎng)具有重要意義。本文以《過程控制系統(tǒng)》課程為對象，探索了新形勢下《過程控制系統(tǒng)》的課程體系與教學(xué)內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)方法改革等主要問題。

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，采用“基礎(chǔ)知識+專題講座”相結(jié)合的課程體系

面向新形勢下自動化專業(yè)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)際需求，采用“基礎(chǔ)知識+專題講座”相結(jié)合的課程體系。基礎(chǔ)知識模塊采用課程講授方式，突出該課程中傳統(tǒng)的工業(yè)過程數(shù)學(xué)模型、執(zhí)行器選擇、單回路控制、串級控制等內(nèi)容；強(qiáng)調(diào)Profibus、FF現(xiàn)場總線和工業(yè)無線在過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用。專題講座部分采用課堂講授、論文閱讀、工程實(shí)踐分析、前沿知識介紹等方式，主要介紹前饋控制、比例控制、均勻控制、分程控制、選擇控制、先進(jìn)控制的基本原理、特點(diǎn)、應(yīng)用案例等，并設(shè)計(jì)研討性問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，拓展學(xué)生的知識寬度，加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)；增加過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)專題，介紹過程控制工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法等，提高學(xué)生解決工業(yè)過程實(shí)際復(fù)雜問題的綜合能力。同時，結(jié)合當(dāng)前工程教育認(rèn)證現(xiàn)狀及自動化專業(yè)特色[3]，加強(qiáng)過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與評價(jià)等內(nèi)容的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對過程控制系統(tǒng)及產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)和綜合評判的能力。

二、改革教學(xué)模式，采用“案例+問題+討論”的啟發(fā)式、研究性教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)在課堂上用了大量的時間講解公式及其推導(dǎo)過程，涉及的內(nèi)容過于抽象，使得學(xué)生感覺枯燥難懂，學(xué)習(xí)積極性不高。本課程采用“案例+問題+討論”教學(xué)方法，在課程前對章節(jié)的重點(diǎn)知識進(jìn)行簡單概括和詮釋，讓學(xué)生清楚地知道課程內(nèi)容體系。在每一章節(jié)中，結(jié)合中藥萃取、核反應(yīng)堆控制、工業(yè)鍋爐等典型工業(yè)過程控制裝置或?qū)嶋H工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)與章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的啟發(fā)性問題和“包袱”，實(shí)施研究性教學(xué)[4-5]，引導(dǎo)學(xué)生思考與討論，吸引學(xué)生對章節(jié)內(nèi)容產(chǎn)生興趣。例如，在講授簡單過程控制系統(tǒng)這一章時，首先用了2個學(xué)時介紹連續(xù)精餾裝置的過程控制、工業(yè)鍋爐的自動控制，以及自建的中藥萃取裝置，并對不同案例對象的特性進(jìn)行分析與比較，引出“過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本要求與主要內(nèi)容是什么”、“如何確定控對象的被控參數(shù)”、“如何對被控參數(shù)進(jìn)行控制”、“如何選擇調(diào)節(jié)閥及其流量特性與氣關(guān)/氣開作用方式”、“如何形成負(fù)反饋”等問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論。

三、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識

除了設(shè)置基本隨堂實(shí)驗(yàn)，測試單容水箱系統(tǒng)對象特性和單容水箱液位控制及PID整定實(shí)驗(yàn)外，本課程還設(shè)置了綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)期一開始就向?qū)W生介紹課程體系及考核，使同學(xué)們從整體上把握課程知識結(jié)構(gòu)，并搜集近三年發(fā)表的過程控制相關(guān)學(xué)術(shù)論文，按“建模與Matlab/Simulink仿真、組態(tài)軟件、硬件設(shè)計(jì)、應(yīng)用案例”進(jìn)行分類[6-7]，將資料上傳到QQ交流群，引導(dǎo)學(xué)生閱讀、學(xué)習(xí)科技論文，了解課程涉及的內(nèi)容。然后，要求學(xué)生進(jìn)一步查閱相關(guān)文獻(xiàn)，自由組隊(duì)，自選題目。一般每組3-4人，以過程控制為對象，綜合應(yīng)用自動控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)仿真、組態(tài)軟件等課程的綜合知識，完成過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)大作業(yè)，充分發(fā)揮同學(xué)的創(chuàng)造性和自主學(xué)習(xí)能力。

課程后半學(xué)期，根據(jù)學(xué)生大作業(yè)完成進(jìn)度，要求每組學(xué)生在課程上介紹設(shè)計(jì)內(nèi)容與成果，并由同學(xué)相互評分，得出各小組成績，再根據(jù)各小組每位同學(xué)的表現(xiàn)，計(jì)算每位同學(xué)的應(yīng)得分?jǐn)?shù)。小組成績系數(shù)是各小組在具體作業(yè)過程中，由同學(xué)們根據(jù)各自承擔(dān)的工作量及任務(wù)情況，確定每位同學(xué)的成績比例。各小組成績系數(shù)總和為1，基本能體現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核。

四、結(jié)束語

通過對《過程控制系統(tǒng)》課程的內(nèi)容體系、教學(xué)模式、考核方式、實(shí)踐教學(xué)等環(huán)節(jié)進(jìn)行改革與探索，形成新的課程教學(xué)內(nèi)容與方法，有利于培養(yǎng)新形勢下學(xué)生的實(shí)踐能力、研究性學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新意識。改革成果已在本校自動化專業(yè)2011級、2012級、2013級學(xué)生中實(shí)施，實(shí)踐表明，新的教學(xué)內(nèi)容與模式能充分激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造力，同學(xué)們都能按計(jì)劃完成各環(huán)節(jié)任務(wù)，特別是在課堂上介紹自己設(shè)計(jì)的作品時，除了結(jié)合PPT闡述設(shè)計(jì)方案外，都能進(jìn)行仿真軟件、算法程序或硬件作品的演示，學(xué)生間問答互動都非常精彩。近三年該課程督導(dǎo)評教和學(xué)生評教都名列學(xué)院前列，特別是2016-2017學(xué)年第1學(xué)期該課程的學(xué)生評教進(jìn)入全校一千多門課程的前5%，取得較為顯著的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳曉蓓.《中國制造2025》與自動化專業(yè)人才培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2015，（08）.

[2]劉丁.全國高校自動化專業(yè)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”調(diào)研報(bào)告[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014，（04）.

[3]韓璞，林永君，劉延泉，等.自動化專業(yè)卓越工程師課程體系的改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，（10）：274-276.

[4]崔學(xué)榮，曹愛請，李娟，等.研究性教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革中的應(yīng)用[J].2016，（01）：176-178

[5]張昌兵，王琴，李莉.論大學(xué)教師的研究性教學(xué)能力培養(yǎng)[J].大學(xué)教育，2016，（01）：1-3.

[6]王茜，陳國達(dá)，李孝祿.基于Matlab的過程控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，（02）：119-123.

[7]楊馬英，李敏，陳偉鋒.“過程控制系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（02）：106-108.