面向應用型大學“過程控制系統(tǒng)”的教學改革與研究

摘要：“過程控制系統(tǒng)”是自動化類專業(yè)的核心課程，涵蓋了從理論到實踐的廣泛內(nèi)容，涉及化工、電力、石油等多個行業(yè)的過程控制技術(shù)。面對工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和先進過程控制技術(shù)的引入，本課程的教學面臨新的挑戰(zhàn)與機遇。本文基于無錫學院的教學改革實踐，探討了“過程控制系統(tǒng)”課程在應用型大學中的教學改革方向。本文首先介紹了課程在自動化專業(yè)中的重要地位及其面臨的挑戰(zhàn)，隨后重點分析了課程體系改革、教學方法創(chuàng)新及實驗教學的改革探索，旨在現(xiàn)代工程教育認證標準體系下提升學生的實際工程能力和創(chuàng)新素養(yǎng)，推動應用型大學的教學質(zhì)量提升。

關(guān)鍵詞：過程控制系統(tǒng)；自動化；課程建設；教學改革

1概述

“過程控制系統(tǒng)”是自動化類專業(yè)的主干課程之一，是自動化專業(yè)方向中連續(xù)控制發(fā)展方向的重要代表，其重要性不言而喻。［1］本課程的學習能夠提高學生分析問題、解決問題的能力以及動手實踐的能力，使學生了解過程控制這一自動化技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機械、輕工、原子能、環(huán)保等許多重要國民經(jīng)濟領域中的應用，掌握過程控制系統(tǒng)的基本概念、基本組成環(huán)節(jié)和基本控制規(guī)律及自動控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的工程設計方法，了解過程控制系統(tǒng)的基本工作原理及構(gòu)造，為今后走上工作崗位，從事生產(chǎn)過程自動控制工作打下初步基礎。［2］

“過程控制系統(tǒng)”課程自出現(xiàn)以來一直占據(jù)著自動化類核心課程的重要地位。首先，這門課程依然是自動化類專業(yè)的重要核心課程之一，也是《華盛頓協(xié)議》框架下中國工程教育認證重要考察課程之一，其重要性不言而喻。［3］其次，我國依然有大量的化工等連續(xù)過程生成企業(yè)，2023年中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會的報告顯示全國石化行業(yè)實現(xiàn)營業(yè)收入達到了15.95萬億元［4］，每年仍需要大量的連續(xù)流程性控制人才。因此，新時代背景下本門課程依然具有舉足輕重的地位。然而，在當前教育發(fā)展過程中，“過程控制系統(tǒng)”這門課程面臨著諸多挑戰(zhàn)。［5］隨著國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的進行，傳統(tǒng)的過程控制方法已無法代表最先進的生產(chǎn)技術(shù)，以集成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等技術(shù)為代表的先進過程控制方案正逐步成為主流控制技術(shù)。對于筆者所在的應用型大學“無錫學院”而言，學生的培養(yǎng)目標更加注重對工程能力包括實際生產(chǎn)現(xiàn)場問題處理能力的培養(yǎng)。因此，在學生培養(yǎng)過程中，如何尋求在先進過程控制技術(shù)學習與實際工程能力培養(yǎng)的平衡，顯得十分重要。本文以“過程控制系統(tǒng)”課程為切入點，在不大幅提升教學經(jīng)費的前提下，通過課程體系以及教學方法等途徑進行改革，以提高學生的工程能力及創(chuàng)新素養(yǎng)。

2新教學任務背景下課程體系現(xiàn)狀及其改革探索

無錫學院在自動化專業(yè)培養(yǎng)方案中，“過程控制系統(tǒng)”課程總課時為48學時，包含40學時理論講授課時及8課時課內(nèi)實驗。其課程目標包含知識目標、能力目標及素養(yǎng)目標：

知識目標：了解過程控制系統(tǒng)的組成及分類，以及過程控制系統(tǒng)的性能指標及其含義，被控對象的動態(tài)特性參數(shù)及其意義；理解計算機過程控制系統(tǒng)的各個組成部分及其工作原理與典型應用方式；掌握過程控制系統(tǒng)的設計與分析方法，包括控制方案、控制變量與被控變量選取、負反饋實現(xiàn)等；掌握典型復雜控制系統(tǒng)設計與各種控制策略及控制器實現(xiàn)，具體包括串級、前饋、大滯后、解耦等復雜控制系統(tǒng)及PID、數(shù)字式控制器等控制器設計。

能力目標：具備過程控制系統(tǒng)的分析、設計、運行及研究的能力；具備工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

素養(yǎng)目標：能熟練使用MATLAB/Simulink等仿真軟件進行控制系統(tǒng)的仿真與實驗，能夠解決工程實踐中出現(xiàn)的問題。

為適應培養(yǎng)應用創(chuàng)新型人才目標，自動化專業(yè)在培養(yǎng)方案中，摒棄了傳統(tǒng)的計算機控制技術(shù)等相關(guān)課程，寄希望于通過更加具象化、對象化的“過程控制系統(tǒng)”課程講述內(nèi)容，使學生掌握必要的計算機控制技術(shù)。因此，該課程雖然理論教學內(nèi)容比例過大，但與應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標并不沖突。同時，為更好地解決計算機控制技術(shù)與過程控制技術(shù)融合的知識體系構(gòu)建問題，將李向舜主編的《計算機過程控制系統(tǒng)》作為推薦教材。在“過程控制系統(tǒng)”課內(nèi)實驗教學任務中，以驗證性實驗為主。此外，對于可能導致的學生工程設計及驗證能力提升缺失的問題，專門增加16學時的“過程控制系統(tǒng)設計”實踐課程，提升控制系統(tǒng)設計能力，進而提高學生的創(chuàng)新實踐能力。

3課程教學方法改革及其探索

3.1理論教學方法改革

“過程控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容復雜多樣，且其理論教學的時間和地點相對固定，這為教學方法的改革帶來了一定的限制。因此，無錫學院自動化專業(yè)通過基于項目的教學方法（ProjectBasedLearning，PBL），以項目牽引、結(jié)合案例分析的方式，全程貫穿“過程控制系統(tǒng)”的理論教學。［67］“過程控制系統(tǒng)”課程本質(zhì)上是使學生具備過程控制系統(tǒng)設計的能力，離不開系統(tǒng)工程的需求牽引?；陧椖康慕虒W方法優(yōu)勢在于可以從項目需求分析與確認、系統(tǒng)設計、子系統(tǒng)設計、部件開發(fā)與測試、子系統(tǒng)測試、系統(tǒng)測試以及產(chǎn)品交付乃至報廢處理等全生命周期開發(fā)步驟中給予學生具象化的教學引導。

其中，火力發(fā)電裝置是典型的過程控制系統(tǒng)研究對象，被作為典型案例穿插在項目化教學過程中。火力發(fā)電裝置涵蓋鍋爐、管道等可控的典型過程裝備，也包括葉輪機、水泵等典型過程動力機械；其涉及的控制方案覆蓋了溫度、壓力、流量、液位等典型的過程控制變量，也涉及了簡單及復雜控制系統(tǒng)，這使得它成為一個理想的教學案例。在項目化教學過程中，利用火力發(fā)電裝置作為研究對象，可以幫助學生將理論知識與實際應用相結(jié)合，從而更深入地理解過程控制的核心原理和技術(shù)。由于成本及安全性問題，設計的控制系統(tǒng)若想在實際的火力發(fā)電裝置中測試運行存在安全隱患，可采用虛擬仿真平臺作為仿真控制載體，模擬發(fā)電系統(tǒng)工作。這不僅能夠提高安全性及經(jīng)濟性，更加有利于項目化設計中的“設計—驗證—修改”開發(fā)模式學習，對于提高學生的工程素養(yǎng)有極高的參考意義。通過將火力發(fā)電裝置作為典型案例引入項目化教學，“過程控制系統(tǒng)”課程的教學內(nèi)容變得更具實踐性和挑戰(zhàn)性。學生在真實案例的引導下，能夠更好地理解理論知識，培養(yǎng)實踐能力，并提高解決復雜工程問題的綜合素質(zhì)。這種教學方法為應用創(chuàng)新型大學的人才培養(yǎng)目標提供了有力支持，幫助學生在未來的職業(yè)生涯中具備更強的競爭力和創(chuàng)新能力。

3.2實驗教學方法改革

“過程控制系統(tǒng)”實驗教學分為課內(nèi)驗證性實驗教學及課外“過程控制系統(tǒng)設計”綜合實踐能力教學。一般高校包括無錫學院在內(nèi)配備的過程控制系統(tǒng)實驗室中，典型的控制對象為三水箱系統(tǒng)，可實現(xiàn)被控變量為液位、流量及溫度的過程控制方案設計及驗證。

在課內(nèi)實驗教學方法改革中，加大對于控制方案的仿真實驗比例，實驗室僅僅是作為項目化過程控制系統(tǒng)設計的最后測試對象，其理論教學方法使用的虛擬仿真平臺，持續(xù)為課內(nèi)驗證性實驗提供良好地平臺接口。同時，加大對于虛擬研究對象（水箱的數(shù)字化模型）及真實控制對象（實際水箱）的區(qū)別分析，可以更好地了解虛擬平臺的簡化因素，進而在研究對象的簡化模型建立過程有更加深入的理解，有利于提升學生工程能力素養(yǎng)。

課外“過程控制系統(tǒng)設計”實踐課程屬于綜合實踐范疇，考慮到“過程控制系統(tǒng)”作為自動化專業(yè)主干課，其支撐課程包括“自動控制原理”“單片機原理及接口技術(shù)”“PLC原理及應用”等課程。因此，可通過以下途徑進行實驗教學改革：

（1）深化過程控制系統(tǒng)設計內(nèi)容。針對“過程控制系統(tǒng)設計”課程目標，綜合容納前期支撐課程理論及實驗設計，作為前期支撐課程的實現(xiàn)載體。具體方法是引導學生根據(jù)學過的課程對實驗室設備進行改造，包括硬件改造及軟件升級。硬件改造包括下位機取代性設計及升級。原有的實驗室下位機通過西門子S7200Smart實現(xiàn)，其硬件底層驅(qū)動程序不夠友好，可以通過“PLC原理及應用”課程中學習的S71200進行升級改造。對于自動化專業(yè)學生，單片機也可以作為一個更加多元化的設備選項，同樣可以作為其下位機替代裝備。單片機替代方案更加有利于學生工程能力素養(yǎng)的提升，其涉及的傳感器及執(zhí)行機構(gòu)選型、信號處理、控制策略底層實現(xiàn)以及綜合運行調(diào)試，均可提升學生的工程創(chuàng)新能力。

（2）跨學科融合教學。通過跨學科融合教學來提升學生的綜合實踐能力是當前高等教育應用實踐創(chuàng)新的一種發(fā)展趨勢，也是值得探索的教學改革方向。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展可以融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，同時可以融入過程控制系統(tǒng)的教學內(nèi)容中，可以拓寬學生的知識面，使其能夠理解和應用新技術(shù)，培養(yǎng)跨學科的創(chuàng)新能力。

（3）開發(fā)學科競賽。通過融合學科競賽的創(chuàng)新驅(qū)動型實踐改革提升學生的工程設計能力。典型的學科競賽為“西門子杯”中國智能挑戰(zhàn)賽中“流程自動化”方向賽道，這一競賽為學生提供了高水平的競爭平臺，使學生有機會將所學內(nèi)容應用于實際生產(chǎn)過程中，促進其綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力的提升。學生在競賽作品的實現(xiàn)過程中，針對控制策略的優(yōu)化、設備的選型、系統(tǒng)的調(diào)試與故障排除等實際問題，實現(xiàn)團隊協(xié)作，有助于培養(yǎng)學生的工程意識和創(chuàng)新思維。

綜上所述，在實驗教學改革中，不同層次的學生都有相應的實施方案，最大限度地提升了學生的工程應用和創(chuàng)新能力，真正體現(xiàn)了“以學生為中心”的改革初衷和“以提升學生工程素養(yǎng)為主體”的改革理念。

3.3課程評價體系改革

在建設一流應用創(chuàng)新型大學目標的背景下，改革課程評價體系以符合工程教育認證標準是提升教學質(zhì)量和培養(yǎng)符合行業(yè)需求的工程人才的關(guān)鍵步驟。無錫學院基于工程教育認證標準，以提高學生工程能力素養(yǎng)、提高應用創(chuàng)新能力為目標，針對“過程控制系統(tǒng)”實驗教學進行了以下改革探索。

（1）探索基于學生工程能力、參考學生成果導向的評價體系。在項目化教學的框架下，通過設計開放性實驗和項目，考查學生系統(tǒng)設計及實現(xiàn)能力，包括產(chǎn)品生命周期中的需求分析、系統(tǒng)設計測試與集成優(yōu)化。評價學生對控制問題的理解能力和解決方案的設計能力，具體表現(xiàn)為學生對于過程系統(tǒng)建模、控制策略選擇及控制參數(shù)優(yōu)化的多重表現(xiàn)。同時，引入多元化評價方法，實現(xiàn)了學生工程素養(yǎng)及能力的考查評價，涵蓋理論知識的工程應用能力、現(xiàn)場問題分析能力、控制方案設計與開發(fā)能力、仿真及實驗數(shù)據(jù)分析能力等。

（2）過程性、持續(xù)性評價方法探索。在面向應用型大學的“過程控制系統(tǒng)”實踐教學改革中，針對傳統(tǒng)結(jié)果性考核評價體系中存在的偶然性、隨機性問題，探索過程性及持續(xù)性評價方法更加關(guān)鍵。首先，在學習通中建立“過程控制系統(tǒng)”課程，全程掌握學生的學習動態(tài)。通過設置學習任務、課堂互動、課后作業(yè)及學生學習評價等手段，全程輔導學生對于課程知識的學習及考察學生在相應工程應用場景的理解能力。其次，通過學習通建立調(diào)查問卷，收集課堂教學反饋，并可及時、有針對性地修改教案等教學設計。學習通的應用，使得教學資源電子化、教學效果可視化，以及具備更加科學化的教學統(tǒng)計方法，可極大地提升教學效率，使工程教育認證評價數(shù)據(jù)更加科學、準確。

（3）引入學分置換機制。在無錫學院的創(chuàng)新應用型大學辦學宗旨及“過程控制系統(tǒng)”密切的行業(yè)背景雙重因素加持下，引入學分置換機制是實現(xiàn)課程評價體系與工程教育認證標準對接的重要步驟。無錫學院深入無錫本地辦學，與本地企業(yè)建立了良好的長久合作機制，形成了無錫學院與當?shù)仄髽I(yè)相互培育模式。學生在企業(yè)的有效實習經(jīng)歷，完成企業(yè)課題或深度完成企業(yè)任務，經(jīng)過企業(yè)導師與學校導師雙重認定，可進行學分置換。實施學分置換可有效提升學生的工程能力，進一步增強其專業(yè)課學習動機，進而提升整體的課程教學質(zhì)量，并以此作為教學反饋意見優(yōu)化課程設計。值得注意的是，學分置換機制需要全程監(jiān)管機制進行監(jiān)管。

結(jié)語

在無錫學院創(chuàng)建一流創(chuàng)新應用型大學背景下，本文以“過程控制系統(tǒng)”課程為切入點，對課程體系的優(yōu)化、教學方法的創(chuàng)新及實驗教學的改革進行了深入探討。其中，課程體系改革通過項目化教學和虛擬仿真平臺的引入，使學生能夠在實踐中深入理解過程控制的核心原理和技術(shù)。實驗教學改革不僅強化了課內(nèi)實驗的理論聯(lián)系實際，還通過綜合實踐課程和學科競賽提升了學生的實際工程能力。課程評價體系的改革則通過過程性和持續(xù)性評價方法、基于學生工程能力的多元化評價以及學分置換機制的實施，確保了評價的科學性和準確性。這些改革措施的實施為培養(yǎng)符合行業(yè)需求的高素質(zhì)工程人才奠定了堅實基礎，為其他應用型大學提供了有益的借鑒，有助于推動工程教育的進一步發(fā)展和創(chuàng)新。

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基金項目：2021年江蘇省高等教育教改研究立項課題（編號：2021JSJG064）；江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度課題（編號：D/2021/03/149）

作者簡介：孫豐勇（1990—），男，漢族，山東泰安人，博士，講師，主要從事連續(xù)過程系統(tǒng)仿真建模、控制及優(yōu)化研究；邵子宴（1990—），男，漢族，山東棗莊人，博士，講師，主要從事機器人技術(shù)和外骨骼機器人系統(tǒng)研究。