基于課題驅(qū)動(dòng)模式的“集散控制系統(tǒng)”教學(xué)改革與探索*

王繼東　司孝平　周玉（華北水利水電大學(xué)　電力學(xué)院，河南　鄭州　450011）

基于課題驅(qū)動(dòng)模式的“集散控制系統(tǒng)”教學(xué)改革與探索*

王繼東司孝平周玉
（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南鄭州450011）

摘要：從提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)等目的出發(fā)，提出了集散控制系統(tǒng)課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式。引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)到的新知識(shí)點(diǎn)嘗試用于課題設(shè)計(jì)當(dāng)中，課程考核成績(jī)要以課題完成情況作為重要評(píng)判依據(jù)。并根據(jù)“課題驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式的要求，結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、實(shí)驗(yàn)建設(shè)等幾方面進(jìn)行了改革和探索。經(jīng)過(guò)上述幾方面的改革，本課程的教學(xué)效果有了很大的改善與進(jìn)步，學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣明顯加強(qiáng)，學(xué)生的探索精神，實(shí)際應(yīng)用能力與以往相比獲得了很大程度的改善。

關(guān)鍵詞：集散控制系統(tǒng)；課題驅(qū)動(dòng)；教學(xué)改革；組態(tài)軟件

集散控制系統(tǒng)是一類分散控制、集中管理的共用控制、共用顯示的開(kāi)放的儀表計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[1]。集散控制系統(tǒng)是當(dāng)前先進(jìn)工業(yè)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式，它是以控制理論與方法、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等多門(mén)技術(shù)和理論為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的綜合控制系統(tǒng)。

集散控制系統(tǒng)在機(jī)械、電力、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。掌握集散控制系統(tǒng)的基本原理，并具有對(duì)集散控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和維護(hù)的能力，已成為很多用人單位招收畢業(yè)生的基本要求。為使自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，了解集散控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，切實(shí)掌握各種控制方案和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的相關(guān)知識(shí)，提高自身在人才市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力、提高就業(yè)能力和就業(yè)質(zhì)量，提高集散控制技術(shù)的應(yīng)用水平，就必須不斷進(jìn)行教育、教學(xué)改革，改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法、探索人才培養(yǎng)新模式，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人才市場(chǎng)的需要。

一、跟蹤集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和實(shí)用性的統(tǒng)一

對(duì)高校自動(dòng)化專業(yè)來(lái)說(shuō)，“集散控制系統(tǒng)”課程是一門(mén)實(shí)用性很強(qiáng)的課程，其教學(xué)內(nèi)容主要包括集散控制系統(tǒng)構(gòu)成、控制算法、系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)選型、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)界面的工程設(shè)計(jì)、組態(tài)、安裝和維護(hù)等，同時(shí)它也是一門(mén)不斷吸納應(yīng)用新知識(shí)新技術(shù)的課程。隨著自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，集散控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，因此，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)不斷總結(jié)和歸納集散控制發(fā)展中的重大成果和前沿方向，增加現(xiàn)場(chǎng)總線、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等新型集散控制系統(tǒng)的比重，使教學(xué)內(nèi)容保持前沿性和時(shí)代感。有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極性和主動(dòng)性[2]。

同時(shí)，必須堅(jiān)決避免給學(xué)生造成集散控制技術(shù)高不可攀、非常難學(xué)的印象，結(jié)合就業(yè)去向和行業(yè)特點(diǎn)制訂切實(shí)可行的課題方案，以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的集散控制系統(tǒng)，從一點(diǎn)一滴出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新的愿望和動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)、調(diào)試系統(tǒng)的切身體驗(yàn)和能力。

二、實(shí)現(xiàn)引入課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，突出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)

課堂教學(xué)是課程教學(xué)中的重中之重，如何利用好有限的課堂時(shí)間，給學(xué)生打好扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，突出行業(yè)特色，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是本課程教學(xué)成功的關(guān)鍵[2]。

在教學(xué)中，如果只是單純的進(jìn)行說(shuō)明性和描述性的課堂教學(xué)，而學(xué)生沒(méi)有集散控制系統(tǒng)應(yīng)用情況的體驗(yàn)，會(huì)感到內(nèi)容抽象枯燥，僅憑課堂和書(shū)本得來(lái)的知識(shí)理解集散控制系統(tǒng)又很難，常常是似懂非懂，以至于學(xué)完之后覺(jué)得收獲不大。

為解決這個(gè)問(wèn)題，必須改革教學(xué)方法、教學(xué)模式。首先，要上好第一堂課，以圖片、動(dòng)畫(huà)介紹集散控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，作為集散控制工程師的優(yōu)越工作條件，舒適的工作環(huán)境，良好的就業(yè)前景。根據(jù)收集整理的電力行業(yè)就業(yè)面試中常問(wèn)及的集散控制中的問(wèn)題講明本課程的重點(diǎn)。另外，動(dòng)態(tài)演示教師所做的集散控制系統(tǒng)，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在“集散控制系統(tǒng)”的理論課程教學(xué)中還要特別注重結(jié)合實(shí)際，要介紹一些具體的工程案例，展示實(shí)際的工程設(shè)備，來(lái)激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心。

針對(duì)某些合適的授課內(nèi)容可以模擬集散控制系統(tǒng)專場(chǎng)招聘會(huì)，一些同學(xué)扮演面試官，另外一些同學(xué)則作為應(yīng)聘人員，就集散控制系統(tǒng)的問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)答式學(xué)習(xí)討論以提高學(xué)生就業(yè)能力與就業(yè)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

為了進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和探索、創(chuàng)新能力，在本課程中引入“課題驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)模式?！罢n題驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)是將理論學(xué)習(xí)、課題設(shè)計(jì)、探索研究貫穿于課程教學(xué)始終的一種新穎的教學(xué)方法，學(xué)生在教師課堂和課下的指導(dǎo)下開(kāi)展主動(dòng)學(xué)習(xí)、探索研究、公開(kāi)討論和潛心設(shè)計(jì)等活動(dòng)，將教、學(xué)和做三者有機(jī)地整合在一起，并通過(guò)教師的及時(shí)反饋校正，來(lái)不斷優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。該教學(xué)形式重視方法傳授、注重能力培養(yǎng)，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)的積極性。

課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法以解決問(wèn)題為主線，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，“課題驅(qū)動(dòng)式”具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：首先，以學(xué)生為教學(xué)主體。在教學(xué)中，始終讓學(xué)生圍繞課題開(kāi)展積極思考，盡可能地多給學(xué)生自由發(fā)揮的時(shí)間和空間，讓他們積極主動(dòng)地去觀察、分析、綜合、歸納、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新。在“課題驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式下，學(xué)生才是學(xué)習(xí)活動(dòng)真正的主體，是主動(dòng)又積極的知識(shí)探究者和應(yīng)用者，而不是被動(dòng)的、消極的知識(shí)接受者和純粹的記憶體。其次，“課題驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)的直接目標(biāo)是課題的解決，而不是書(shū)本知識(shí)掌握。學(xué)生通過(guò)自己積極對(duì)課題的探究過(guò)程，從問(wèn)題的解決中從未知到已知、培養(yǎng)能力，同時(shí)產(chǎn)生成就感、愉悅感，獲得感悟，激發(fā)進(jìn)一步探究的興趣和動(dòng)力，使學(xué)生明白如何學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，如何學(xué)會(huì)分析問(wèn)題。

最后，以過(guò)程為教學(xué)重點(diǎn)。在“課題驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)中，重點(diǎn)放在探究過(guò)程而非結(jié)果，整個(gè)教學(xué)的重點(diǎn)是指導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)到的新知識(shí)點(diǎn)嘗試用于課題設(shè)計(jì)當(dāng)中。教學(xué)過(guò)程應(yīng)是培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的有益嘗試，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一次全面系統(tǒng)的鍛煉機(jī)會(huì)。

課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式成功的關(guān)鍵因素之一是課題的選取。在課題選取上，既要注意因人而異、難易適中，又要結(jié)合行業(yè)特色和就業(yè)傾向來(lái)選擇課題。建議大家盡量選擇和熱力發(fā)電、水力發(fā)電和供配電監(jiān)控方面的課題。對(duì)基礎(chǔ)較好的同學(xué)，鼓勵(lì)他們大膽嘗試，將組態(tài)軟件和PLC、單片機(jī)結(jié)合起來(lái)完成具有實(shí)用價(jià)值的課題。

三、增加實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，注重理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力

實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)劣對(duì)學(xué)生能力鍛煉有很大的影響[3]。然而，長(zhǎng)期以來(lái)許多學(xué)校大都存在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)滯后于教學(xué)、系統(tǒng)性不夠、綜合性不強(qiáng)的等狀態(tài)。尤其對(duì)于集散控制系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，這種情況尤為突出。限于資金、設(shè)備及場(chǎng)地等各種因素，集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)大都不能展現(xiàn)在學(xué)生面前，造成學(xué)生對(duì)集散控制系統(tǒng)在過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏感性認(rèn)識(shí)，對(duì)諸多控制環(huán)節(jié)缺乏互動(dòng)，理解不透，致使對(duì)課程缺乏興趣。

在教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)本課程實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少的情況，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物開(kāi)放實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。

仿真實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用電腦和組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)操作，建立數(shù)據(jù)庫(kù)、編寫(xiě)控制程序、設(shè)計(jì)制作操作畫(huà)面（包括流程圖、儀表測(cè)量回路圖、儀表控制圖等），編寫(xiě)相應(yīng)控制程序，完成控制要求。

開(kāi)展開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)集散控制系統(tǒng)和過(guò)程控制的緊密結(jié)合，利用“過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室”現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行課題有關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在過(guò)程控制開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室完成主要進(jìn)行實(shí)際硬件連接的課題，特別是需要進(jìn)行軟、硬件聯(lián)調(diào)的課題如組態(tài)軟件和PLC或單片機(jī)連接方面的課題。

四、改革課程考核機(jī)制，促進(jìn)學(xué)生形成完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)

作為一門(mén)實(shí)踐性強(qiáng)的課程，如果采用書(shū)面考試的方法，學(xué)生為了考試將會(huì)將精力時(shí)間花在死記硬背一些知識(shí)點(diǎn)上，從而被考試抑制了探索的熱情，創(chuàng)新的活力。而獲取新知識(shí)的能力以及創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)對(duì)本門(mén)課程更為重要。所以教學(xué)過(guò)程要注意激發(fā)學(xué)生的求索之心，逐步培養(yǎng)他們探索未知后的成就感，讓他們?nèi)ソ鉀Q那些實(shí)際工程中經(jīng)常遇到，經(jīng)過(guò)努力利用本門(mén)課程所學(xué)的知識(shí)結(jié)合已有知識(shí)能解決的問(wèn)題，讓學(xué)生明白我們是為了解決實(shí)際問(wèn)題、提高工作能力才去學(xué)這一門(mén)課的，這是一個(gè)放手嘗試、探索未知、收獲成功和愉悅的過(guò)程。

作者對(duì)本課程的考核方式進(jìn)行了改革，改變了過(guò)去以考試成績(jī)作為主要的評(píng)判手段的模式。成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)的重點(diǎn)放在過(guò)程之中[4]，考核以結(jié)課答辯的形式進(jìn)行，一方面要求學(xué)生當(dāng)眾演示自己的課題成果，并以PPT的形式加以說(shuō)明，另外要求學(xué)生完成一篇總結(jié)報(bào)告，總結(jié)報(bào)告主要是讓學(xué)生對(duì)本課程所學(xué)內(nèi)容及課題完成過(guò)程進(jìn)行全面的總結(jié)，從中可以考查學(xué)生對(duì)課題的完成情況及對(duì)本課程的總體理解與掌握情況。在結(jié)課答辯環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生做PPT，同時(shí)要提交自己親手寫(xiě)出來(lái)的結(jié)課論文。通過(guò)這種考核方式，可以促使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、設(shè)計(jì)能力、科研能力、創(chuàng)新能力、合作的能力、收集和整理資料的能力及文字表達(dá)能力同時(shí)得到培養(yǎng)和提高，全面熟悉了設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)步驟和方法，從而增加了就業(yè)能力和優(yōu)勢(shì)，合作意識(shí)，團(tuán)隊(duì)意識(shí)明顯加強(qiáng)，也越來(lái)越喜歡參與科研探索、設(shè)計(jì)過(guò)程。

五、結(jié)束語(yǔ)

在集散控制技術(shù)教學(xué)過(guò)程中結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)、學(xué)生興趣、原有水平以及接受能力等特點(diǎn)，重點(diǎn)采用課題驅(qū)動(dòng)方法，將提出實(shí)際課題、開(kāi)展課堂討論、放手實(shí)踐、總結(jié)歸納課題完成過(guò)程貫穿于課程教學(xué)始終；強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力化、實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)化和實(shí)例化；以課題完成情況為成績(jī)重要評(píng)定依據(jù)的考核方式。通過(guò)學(xué)生之間、師生之間交流、討論、動(dòng)手實(shí)踐、演示、評(píng)價(jià)等多種方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，拓展獲得知識(shí)的途徑，提高掌握知識(shí)的效率。多年教學(xué)實(shí)踐表明，采取課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)比，學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣顯著加強(qiáng)，動(dòng)手能力與實(shí)際應(yīng)用能力與以往相比獲得了明顯的改善，學(xué)生利用本課程所學(xué)內(nèi)容申報(bào)各級(jí)、各類科技創(chuàng)新項(xiàng)目和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的申報(bào)率和申報(bào)成功率有很大提高。

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Abstract:This paper puts forward the subject-driven teaching method of distributed control system course for the purpose of improving students' interest in learning, cultivating students' practical ability and innovative consciousness. The method is to guide students try to apply the just learned knowledge to the design of the subject, and takes execution of subject as an important evaluation criterion of this course. According to the requirements of the subjectdriven teaching model, we have combined teaching practice for years with the method and carried out reform and exploration from the teaching content, teaching methods, assessment methods, experimental construction and other aspects. After the reform, the students' interest in learning this course is obviously enhanced, and the students' exploration spirit and the practical application ability have been improved a lot compared with those in the past.

Keywords:distributed control system(DCS)；subject-driven; teaching reform; configuration software

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）05-0159-02

作者簡(jiǎn)介：王繼東（1969-），男，河南開(kāi)封人，碩士，副教授，研究方向?yàn)榉植际娇刂萍夹g(shù)。

*項(xiàng)目:華北水利水電大學(xué)2013年教育教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“課堂教學(xué)模式、考核模式改革創(chuàng)新及其教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系研究與實(shí)踐”。