“過程控制”課程教學(xué)的優(yōu)化策略

龔曉峰 雒瑞森 楊馳

[摘 要] 我國已經(jīng)進(jìn)入了“工業(yè)4.0”時代，自動化專業(yè)培養(yǎng)的人才面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn)，因此從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)等幾方面入手，提出了開展“專題講座”“翻轉(zhuǎn)課堂”“案例討論”等新穎的教學(xué)模式，對自動化專業(yè)的核心課程“過程控制”進(jìn)行課程改革和創(chuàng)新，鍛煉了學(xué)生的動手能力和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，同時開拓了學(xué)生的視野，取得了較好的成效。

[關(guān)鍵詞] 工業(yè)4.0;教學(xué)模式;課程改革

一、引言

工信部強(qiáng)調(diào)的《中國制造2025》的主要內(nèi)容表明了互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)的融合發(fā)展，意味著中國正在步入“工業(yè)4.0”的時代。面對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這一新的發(fā)展形態(tài)，自動化專業(yè)作為大學(xué)本科開設(shè)的工科類專業(yè)之一，更需要積極順應(yīng)國家發(fā)展的需求，加強(qiáng)學(xué)生對自動化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，這不僅要強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與理論的結(jié)合，使學(xué)生既要學(xué)懂也要會做，還要求提高學(xué)生的綜合素質(zhì)能力，包括創(chuàng)新能力、適應(yīng)新環(huán)境的能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，為社會輸送高質(zhì)量的工程技術(shù)人才[1]。

“過程控制”作為自動化專業(yè)的核心課程，具有很強(qiáng)的專業(yè)性和應(yīng)用性，在石油化工、電力系統(tǒng)、冶金、造紙、醫(yī)藥和食品生產(chǎn)等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。這門課程內(nèi)容涉及了自動控制原理、儀表與檢測、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等多門課程的內(nèi)容，能讓學(xué)生將控制原理中的理論知識與實(shí)際生產(chǎn)中的控制過程聯(lián)系起來，充分理解不同的控制方案，對開闊學(xué)生眼界，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和工程實(shí)踐能力尤為重要。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也越來越大，這為自動化專業(yè)人才提供了機(jī)遇，同時也提高了要求，自動化人才的培養(yǎng)面臨著挑戰(zhàn)。因此，結(jié)合新時代對自動化人才的需求，對“過程控制”這門課程進(jìn)行教學(xué)改革，從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)等幾方面入手，探索新的教學(xué)模式，提出改革性的措施，提高教學(xué)質(zhì)量，并且最后取得很好的效果。

二、開展專題講座，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

“過程控制”是一門交叉學(xué)科，因此教材內(nèi)容會與其他課程內(nèi)容重復(fù)，比如：“儀表與檢測”中的控制閥部分會與“過程控制”中控制閥部分重合，因此我們根據(jù)本課程的教學(xué)目的，傾向于介紹其在控制系統(tǒng)中的選型與工程意義，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。另外，教學(xué)內(nèi)容不能僅僅局限于書本上的知識點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展形勢，將工程應(yīng)用上的新的技術(shù)融合到教學(xué)內(nèi)容中，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，比如結(jié)合目前蓬勃發(fā)展的信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，介紹其在傳統(tǒng)工程領(lǐng)域中的新應(yīng)用，使學(xué)生的工程理論不僅僅只局限于傳統(tǒng)領(lǐng)域，對未來發(fā)展的新應(yīng)用也有所探索[2]。除此之外，面對新時代對自動化人才的需求，在以往的課程體系之外，專門開展了針對工程理論應(yīng)用的專題講座[3]，因此理論知識的學(xué)習(xí)就分為了課堂學(xué)習(xí)和講座學(xué)習(xí)兩部分。

三、結(jié)合“翻轉(zhuǎn)課堂”與“案例討論”，改革教學(xué)模式

在傳統(tǒng)的課程教學(xué)中，學(xué)生的積極性不高、教學(xué)的實(shí)訓(xùn)不足、教學(xué)方法與手段缺乏創(chuàng)新。然而隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外高校的教學(xué)模式在不斷地創(chuàng)新，“翻轉(zhuǎn)課堂”作為近年來一個全新的教學(xué)模式，也正在被越來越多的高校采用。這種教學(xué)模式可以充分吸引學(xué)生的興趣，在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)意識方面，有著巨大的優(yōu)勢。同時再結(jié)合“案例討論”的方式，將學(xué)生主導(dǎo)課堂的優(yōu)勢最大化，提高學(xué)生的積極性。

（一）“翻轉(zhuǎn)課堂”在“過程控制”課程中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的教學(xué)模式采用的是先講后學(xué)的方式，老師把大部分的時間投入到講課環(huán)節(jié)。而“翻轉(zhuǎn)課堂”有別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式[4]，采用先學(xué)后講，老師和學(xué)生位置互換的方式，需要老師提前把上課內(nèi)容做成視頻，學(xué)生利用課前時間觀看，同時學(xué)生分成不同的學(xué)習(xí)小組，對知識點(diǎn)進(jìn)行歸納和提煉，針對不懂的問題，搜集資料來完成自主學(xué)習(xí)，最后小組共同制作講解材料。上課時，以一周一組的方式，每個小組輪流上臺講解課程內(nèi)容，然后由其余小組提出問題，共同討論，最后由老師對本次講解內(nèi)容和問題進(jìn)行補(bǔ)充和解答。

（二）采用“案例討論”的啟發(fā)式教學(xué)

“過程控制”是一門與工程應(yīng)用聯(lián)系密切的課程，然而常見的課堂教學(xué)內(nèi)容大多是公式的講解與推導(dǎo)，太過于抽象，沒有落實(shí)到具體的項(xiàng)目應(yīng)用，使學(xué)生感到枯燥，降低了他們的學(xué)習(xí)興趣。本課程在采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的同時，加上“案例討論”環(huán)節(jié)，在每節(jié)課學(xué)生講解完理論知識后，針對所講內(nèi)容，展示其在工業(yè)鍋爐、石油煉化、核反應(yīng)堆控制等傳統(tǒng)工業(yè)控制中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生對“系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容”“如何控制被控參數(shù)”“各種儀表如何選型”等問題進(jìn)行深入思考，使得學(xué)生能夠更好地掌握課程內(nèi)容。并且，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，案例的展示和分析采用多媒體課件、Matlab仿真和組態(tài)軟件相結(jié)合的方式[5]，這樣有兩個很明顯的優(yōu)點(diǎn)：其一，針對案例分析，學(xué)習(xí)小組內(nèi)部的分工合作，提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識，并且利用Matlab對實(shí)際案例的仿真，鍛煉了學(xué)生的編程能力，同時也加深了學(xué)生對理論知識的理解;其二，采用這樣的方式，使聽課學(xué)生更加直觀地看到理論知識在實(shí)際工程當(dāng)中的運(yùn)用，所學(xué)內(nèi)容不再那么抽象，學(xué)習(xí)過程也不會顯得枯燥。

四、實(shí)踐教學(xué)改革

為了讓培養(yǎng)的自動化人才更加適應(yīng)社會需求，教學(xué)目標(biāo)不僅僅需要重視理論知識的學(xué)習(xí)，還應(yīng)該強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)?！斑^程控制”本就是一門理論聯(lián)系實(shí)際的課程，因此實(shí)踐環(huán)節(jié)是必不可少，通過實(shí)踐既可以加強(qiáng)學(xué)生的動手能力，還能開拓學(xué)生思維，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

（一）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要是以驗(yàn)證型和演示型的實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)，針對已經(jīng)知道結(jié)果的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，鞏固所學(xué)的書本知識，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)基本的實(shí)驗(yàn)操作能力。其主要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是對簡單的控制系統(tǒng)有所認(rèn)識、對控制系統(tǒng)中的受控對象包括：液位、流量、溫度等有直觀的感受，了解PID算法參數(shù)對受控指標(biāo)的影響，并學(xué)會簡單的參數(shù)整定。

（二）綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的形式是由老師給出設(shè)計(jì)題目，學(xué)生自行完成設(shè)計(jì)，該階段的目的是使學(xué)生除了運(yùn)用所學(xué)知識之外，自主查閱資料、觀看教學(xué)視頻，掌握工程設(shè)計(jì)的流程，鍛煉學(xué)生解決工程問題的能力。

該階段實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是基于組態(tài)軟件、Matlab仿真和相應(yīng)的儀表選型，針對不同的工藝流程，選擇不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：負(fù)反饋控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)和選擇控制系統(tǒng)等傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并編寫相應(yīng)的設(shè)計(jì)報告。

五、課程改革效果

通過此次對“過程控制”課程的教學(xué)改革，很好地激發(fā)了學(xué)生對于本課程的興趣，特別是“翻轉(zhuǎn)課堂”的提出，使得學(xué)生都能夠積極地參與到課堂中，充分掌握教材中介紹的各種控制技術(shù)，專業(yè)技能得到了顯著提高?！皩ｎ}講座”也發(fā)揮了很大的作用，使學(xué)生的眼光不僅僅局限于書本，學(xué)習(xí)到了一些前沿的控制技術(shù)與工程應(yīng)用，拓寬了學(xué)生的視野顯著。

總體來講，此次“過程控制”課程改革達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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（8）：9-11.

[2]楊佳，許強(qiáng)，雷紹蘭，郭燕.“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)及實(shí)驗(yàn)改革探討[J].中國電力教育，2010（10）：125-126.

[3]蔡林沁，虞繼敏，向敏，唐曉銘.《過程控制系統(tǒng)》教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2017（46）：105-106.

[4]楊詩麗.淺談翻轉(zhuǎn)課堂在過程控制及自動化課程中的應(yīng)用[J].科學(xué)咨詢（科技·管理），2019（11）：99.

[5]王永秀，雷建和，劉素花.“過程控制系統(tǒng)”教學(xué)改革研究[J].科技視界，2019（27）：113-114.