過程控制及儀表教學(xué)改革探索

戴立紅 王玉昆 徐少川 楊兆凱

遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 遼寧鞍山 114051

過程控制及儀表教學(xué)改革探索

戴立紅 王玉昆 徐少川 楊兆凱

遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 遼寧鞍山 114051

過程控制及儀表是自動化專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。為了使其更好地適應(yīng)新技術(shù)和新應(yīng)用的發(fā)展，真正實現(xiàn)實踐型與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面，對過程控制及儀表課程進行了教學(xué)改革探索。同時在本課程的教學(xué)實踐中進行應(yīng)用，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、思維能力和創(chuàng)新能力，提升了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

過程控制及儀表；教學(xué)改革；教學(xué)方法；實踐教學(xué)

培養(yǎng)人才是高等學(xué)校的根本任務(wù)，而專業(yè)課的理論與實踐教學(xué)是人才培養(yǎng)的主要途徑。過程控制及儀表是自動化、測控專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，其工程實踐背景和實用性強，對學(xué)生專業(yè)能力及素質(zhì)的培養(yǎng)起著重要的作用。該課程是控制理論、工藝知識、計算機技術(shù)和儀器儀表等知識相結(jié)合的一門應(yīng)用科學(xué)。［1］一方面，隨著計算機技術(shù)、控制理論和技術(shù)、檢測技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展，過程控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，在電力、冶金、輕工等生產(chǎn)過程中的應(yīng)用越來越廣。因此，有必要隨著新技術(shù)和新應(yīng)用的發(fā)展對過程控制及儀表課程進行改革，以使學(xué)生更好地適應(yīng)社會發(fā)展的需要，真正實現(xiàn)實踐型與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。另一方面，該課程的學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性差，理論和實踐不能很好地結(jié)合，不能學(xué)以致用。所以，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進行了改革探索，以更好地提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

1.1 更換教材 合理選擇教學(xué)內(nèi)容

為了適應(yīng)新科技和新應(yīng)用的不斷發(fā)展，在深入研究已有教材的基礎(chǔ)上，同時考慮到充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，課題組成員編寫了過程控制及儀表新教材。［2］在新教材編寫過程中，將大量實際工程案例引入到教材當中，例如在安全火花防爆系統(tǒng)這節(jié)中加入了液位控制的本安防爆系統(tǒng)的實例。此外，結(jié)合自動化和測控專業(yè)大學(xué)生有很多在冶金行業(yè)就業(yè)的特點，著重將過程控制在冶金工程中的應(yīng)用案例引入到教材當中，增添了第十一章過程控制在冶金工程中的應(yīng)用案例。該教材現(xiàn)已成為“十二五”規(guī)劃教材出版發(fā)行，并且作為新教材投入使用。

在教學(xué)過程中，不是局限于教材中的內(nèi)容，而是廣泛收集信息，跟蹤過程控制技術(shù)、儀表技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的最新發(fā)展，并且進行研究和整理，及時更新教學(xué)內(nèi)容，將最新的技術(shù)和信息融入教學(xué)中。同時注重將實際工程案例引入到課堂教學(xué)當中，讓學(xué)生更容易理解抽象的理論知識，并且培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

此外，在教學(xué)內(nèi)容方面，講好緒論尤為重要。本門課緒論重點講述過程控制與自動化儀表的基本概念及在工業(yè)生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，向?qū)W生展示教師參與的過程控制方面的實際工程應(yīng)用案例，以及企業(yè)應(yīng)用圖片，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 融合相關(guān)課程 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

過程控制及儀表課程與很多課程聯(lián)系緊密。例如檢測技術(shù)、自動控制原理、工程電器與PLC、計算機控制等相關(guān)課程。所以在講解該課程過程中，要注意與相關(guān)課程的交叉和融合。使學(xué)生能更清楚本門課程在專業(yè)課程體系中的位置和作用。

過程控制及儀表課程與檢測技術(shù)課程密切相關(guān)，要注重兩門課程之間的銜接，避免課程內(nèi)容重復(fù)。過程控制及儀表與檢測技術(shù)兩門課都涉及儀表，但又各有側(cè)重。檢測技術(shù)課程主要講述各種檢測儀表及傳感器相關(guān)知識。而過程控制及儀表課程主要講述各種控制儀表。雖然控制儀表中也包含了檢測儀表，但更側(cè)重于除傳感器之外的控制裝置，主要包括變送器、控制器、執(zhí)行器等控制裝置及儀表。講述變送器時要將傳感器技術(shù)融入進來，以更好地進行銜接。

過程控制及儀表課程與自動控制原理課程密不可分。要將自動控制原理相關(guān)知識融入過程控制及儀表課程當中。自動控制原理主要講述基本的控制理論和控制方法。而過程控制及儀表更側(cè)重于控制裝置、儀表選型及工程應(yīng)用。在講述過程控制及儀表過程中，深入剖析一些重要的PID控制理論，將自動控制理論相關(guān)知識融會貫通到控制系統(tǒng)當中，更著重講述在什么情況下選擇合適的PID控制方法，即控制儀表的選型及其工程應(yīng)用，注重培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計的思想。

過程控制離不開計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，大多數(shù)過程控制系統(tǒng)都是通過PLC控制的。從事過程控制和PLC以及現(xiàn)場總線通訊密切相關(guān)。所以要注意過程控制及儀表課程和工程電器與PLC課程以及網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)課程之間的銜接。例如采用西門子設(shè)備的過程控制系統(tǒng)，小型的系統(tǒng)常采用西門子的S7-200PLC，大型的系統(tǒng)常采用西門子的S7-300PLC和S7-400PLC。常常采用PROFIBUS現(xiàn)場總線通信技術(shù)。在授課過程中，介紹過程控制系統(tǒng)時要將現(xiàn)場總線技術(shù)和PLC技術(shù)融入進來。

此外，在授課過程中，除了要注重該課程和相關(guān)課程之間的銜接外，還要注重教學(xué)內(nèi)容各個方面之間的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生形成清晰的課程體系，做到融會貫通。避免學(xué)生只見樹木不見森林，因不能真正學(xué)懂而失去學(xué)習(xí)興趣。

1.3 仿真軟件引入課堂教學(xué)

在介紹單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)等各種具體的控制系統(tǒng)時，要將西門子的PLC軟件STEP7融入教學(xué)過程。指導(dǎo)學(xué)生采用STEP7軟件對系統(tǒng)進行計算機仿真。例如在介紹PID控制時，引入S7-200PLC軟件中的PID控制模塊以及PID指令向?qū)В琒7-300和S7-400PLC軟件中PID控制模塊——FB41模塊，使用它可以進行PID控制。這樣就將理論與實際應(yīng)用很好地結(jié)合到了一起。

此外，將Matlab / Simulink仿真軟件引入課堂教學(xué)，可加強學(xué)生對知識的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。［3］例如采用Matlab中的Simulink仿真模塊搭建一個單回路控制系統(tǒng)，輸入為階躍信號，輸出用示波器顯示，采用PID控制模塊搭建控制器，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，用輸出示波器觀測輸出階躍響應(yīng)波形，通過參數(shù)整定方法對PID參數(shù)進行整定，從而獲得良好的輸出階躍響應(yīng)曲線波形，從而達到良好的控制效果，同時也調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。

1.4 將專業(yè)英語引入課堂教學(xué)

將本門課程中涉及的專業(yè)英語詞匯融入課堂教學(xué)中。主要包括重要詞匯的專業(yè)英語，還有工程設(shè)計圖紙和原理圖中涉及的字母所對應(yīng)的專業(yè)英語詞匯。一方面讓學(xué)生掌握了重要的專業(yè)英語詞匯，同時也便于看懂和理解工程設(shè)計圖紙和原理圖，另一方面為學(xué)生順利地閱讀英文技術(shù)資料，以便將來更好地投入到工作崗位打下了堅實的基礎(chǔ)。

2 教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)手段改革

在教學(xué)方法方面，教學(xué)方法要科學(xué)化。和國外的教學(xué)相比較，國外授課的特點是密度大，強度小。國外的學(xué)生課堂上不是被動地接受知識，而是經(jīng)常打斷教師，課上接受的知識不多。而課后要花費大量的時間去查資料來自己進行研究，圖書館是他們經(jīng)常去的場所。此外他們的個性強，比較有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。而國內(nèi)的學(xué)生閱讀量很少，只聽不思考，他們是聽大學(xué)，而不是上大學(xué)、讀大學(xué)。而學(xué)習(xí)能力、思維能力、創(chuàng)新能力正是人才體系的三大能力。［4］這三大能力正是大學(xué)生所應(yīng)具備和培養(yǎng)的能力。

通過上述對比研究分析在人才培養(yǎng)方面的欠缺，發(fā)現(xiàn)是滿堂灌教學(xué)方法帶來的弊端。這種教學(xué)方法缺少師生之間的教學(xué)互動，壓制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，使學(xué)生的思維方式得不到應(yīng)有的鍛煉。所以，要改變過去單一的知識傳授型的教學(xué)模式，從以課堂灌輸式教學(xué)為主的模式轉(zhuǎn)變到以“啟發(fā)式、研討式、交互式、實踐式、自學(xué)式”等緊密結(jié)合的教學(xué)模式上來。［5］為此，在教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)手段方面進行改革，以全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、思維能力、創(chuàng)新能力。

2.1 注重學(xué)生思想的培養(yǎng) 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

在教學(xué)理念上，要樹立哲學(xué)的理念，將哲學(xué)的觀點應(yīng)用于具體的教學(xué)實踐中。哲學(xué)尤其是辯證法對于分析和解決問題尤其重要，可探索用于教學(xué)實踐中。從哲學(xué)的觀點看，教師是外因，學(xué)生是內(nèi)因，外因只有通過內(nèi)因才能起作用，也就是教師的“教”只有通過學(xué)生的“學(xué)”才能發(fā)揮作用。所以教師要了解自己的學(xué)生，通過加強對學(xué)生思想的培養(yǎng)，讓學(xué)生意識到學(xué)習(xí)的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的獨立意識，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。例如在過程控制系統(tǒng)發(fā)展一節(jié)中，講授集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時，鼓勵學(xué)生查閱資料，研究這兩種控制系統(tǒng)的區(qū)別，以擴展相關(guān)知識。

2.2 多媒體與板書相結(jié)合 培養(yǎng)學(xué)生思維能力

在教學(xué)方法方面，在授課過程中，得啟發(fā)學(xué)生，要講思路、講方法、講要素。講授過程中要給學(xué)生留有思考的空間。同時注意與學(xué)生深層次互動。原來我所理解的互動比較的膚淺，原來以為所謂互動就是課上問學(xué)生問題，讓學(xué)生來回答，而結(jié)果呢，學(xué)生卻很少響應(yīng)。究其根源，就是沒有能真正吸引住學(xué)生，沒有能和學(xué)生之間進行深層次互動，學(xué)生不能跟上講課的思路?？梢娬{(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性至關(guān)重要，這就需要和學(xué)生進行有效的溝通。除了做好課件吸引學(xué)生外，還要在課上適當?shù)臅r候調(diào)節(jié)課堂氣氛，吸引學(xué)生的注意力，以達到和學(xué)生進行有效溝通的目的。此外，教師不能只是自己講而不顧學(xué)生，要注意觀察學(xué)生的反應(yīng)，對不聽課的學(xué)生進行管理，同時也要不斷地反思自己教學(xué)過程中的不足。將對教學(xué)過程進行小結(jié)，將小結(jié)寫進教案，寫教學(xué)過程中的體會，哪些是講得好的地方，哪些是講得不好的地方，如何改進，以便提升自己的教學(xué)能力。

在教學(xué)手段方面，深入剖析多媒體和板書各自的優(yōu)缺點，將多媒體和板書相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，以有效提升教學(xué)效果。為了充分發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，不斷修改和完善多媒體課件。對多媒體課件進行歸納和整理，減少煩瑣的文字說明，以免造成學(xué)生的厭倦情緒。同時加入圖片、動畫、視頻、音頻，來吸引學(xué)生的注意力。例如在講授變送器這章內(nèi)容之前，先放映變送器的應(yīng)用視頻，以吸引學(xué)生的眼球。同時，充分發(fā)揮板書的優(yōu)勢，一方面可以給學(xué)生一定的記筆記的時間，另一方面可以給學(xué)生留有足夠的思維空間，有助于培養(yǎng)學(xué)生逐漸形成獨立思考問題的習(xí)慣。所以要把握好講課的節(jié)奏，必要時借助于板書展現(xiàn)重要的內(nèi)容。這樣充分利用了多媒體課件和板書兩者的優(yōu)勢，增加教學(xué)的靈活性。

2.3 鼓勵學(xué)生的主動創(chuàng)造精神 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

用科學(xué)觀引領(lǐng)教學(xué)，鼓勵學(xué)生要有科學(xué)精神。不要迷信權(quán)威、圣人、書本，要有懷疑精神，培養(yǎng)學(xué)生的想象力，鼓勵學(xué)生要具有主動創(chuàng)造精神。尤其現(xiàn)在的書本有些內(nèi)容確實存在著一些問題。引導(dǎo)學(xué)生不要被動地接收書本上的知識，而是要經(jīng)過自己的認真思考，有些需要經(jīng)過自己的計算推理印證為正確的內(nèi)容方可接受。例如在書中在基型控制器這節(jié)中，在闡述完P(guān)D電路的傳遞函數(shù)后，直接給出了其階躍響應(yīng)輸出。要求學(xué)生自己課后通過傳遞函數(shù)推導(dǎo)出其階躍響應(yīng)輸出，來驗證結(jié)果的正確性。這樣經(jīng)過消化整理后的知識才能真正成為自己的東西，將來才能更好地應(yīng)用這些理論來解決實際的問題，這樣也培養(yǎng)了學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力。

3 結(jié)束語

在廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，并深入相關(guān)企業(yè)調(diào)研，了解用人單位的需求，并進行教學(xué)研討和聽課基礎(chǔ)上，進行了綜合分析和深入研究，對過程控制及儀表課程進行了教學(xué)改革探索。同時在本課程的教學(xué)實踐中進行應(yīng)用，學(xué)生上課主動回答問題，課后查閱相關(guān)資料自主學(xué)習(xí)，認真完成作業(yè)，學(xué)習(xí)的積極性很高，教學(xué)質(zhì)量明顯提升。

［1］楊光祥.“過程控制系統(tǒng)”綜合教學(xué)改革探索與設(shè)計［J］.中國電力教育，2012（13）：67.

［2］張勇，王玉昆.過程控制系統(tǒng)及儀表［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［3］楊大勇，楊俊清.基于MATLAB的過程控制工程教學(xué)改革與實踐［J］.化工高等教育，2011（5）：80-82.

［4］趙國剛.“三大”教育理念與工程人才培養(yǎng)體系［J］.高等工程教育研究，2009（4）：48-51.

［5］李天華，侯加林，施國英.過程控制系統(tǒng)教學(xué)改革的探討［J］.實驗室科學(xué)，2012，15（4）：43-45.

Exploration of Teaching Reform on Process Control and Instrumentation

Dai Lihong， Wang Yukun， Xu Shaochuan， Yang Zhaokai
University of Science and Technology Liaoning， Anshan， 114051， China

Process control and instrumentation is an important course for students majoring in automation and measuring &control technology and instrumentations specialty. According to the development of new technology and new application and needs of practice and innovation talent cultivation， teaching reform on process control and instrumentation is explored， on the following aspects： teaching content，teaching idea， teaching method and teaching means in the paper. Meanwhile it is applied in teaching practice of the course. As a result，learning interests of students are raised， abilities of self-learning， thinking and innovation are cultivated， teaching quality and teaching effect are promoted.

process control and instrumentation； teaching reform； teaching method； practice teaching

2015-03-16

戴立紅，碩士，講師。王玉昆，碩士，講師。