以解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為目標(biāo)的綜合實(shí)踐課程群建設(shè)
——以“大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”為例

王曉燕，董 澤，翟永杰

（華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，河北 保定 071000）

復(fù)雜性是現(xiàn)代工程問題的本質(zhì)[1]。本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[2]?！豆こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》（2017 年11 月修訂）[3]給出的12 條“畢業(yè)要求”要求，有8 條與“復(fù)雜工程問題”有關(guān)，可見解決復(fù)雜工程問題這一核心能力的達(dá)成對(duì)實(shí)現(xiàn)畢業(yè)要求的重要性。2018 年9 月17 日，教育部、工業(yè)和信息化部、中國(guó)工程院發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃 2.0 的意見》。意見中提出，要“著力提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實(shí)施案例教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)等研究性教學(xué)方法，注重綜合性項(xiàng)目訓(xùn)練?！盵4]可見，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，既是工程教育認(rèn)證的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是卓越工程師計(jì)劃2.0及新工科建設(shè)背景下，高校培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的關(guān)鍵內(nèi)容[5]。復(fù)雜工程問題的特征必須與專業(yè)特色相適應(yīng)[6]。我國(guó)自動(dòng)化專業(yè)的發(fā)展理念與目前的發(fā)展思路完全符合工程教育的改革與發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)能處理行業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)問題的“系統(tǒng)集成者”[7]。

在整個(gè)自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)體系中，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要環(huán)節(jié)[5]。北京科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為核心，基于OBE 理念和卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，構(gòu)建具有自身特色的實(shí)踐教學(xué)體系[8]。廣東工業(yè)大學(xué)結(jié)合本校自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)，制定了解決復(fù)雜工程問題能力的漸進(jìn)培養(yǎng)路線，開設(shè)了以智能制造實(shí)驗(yàn)室為依托的面向復(fù)雜工程問題的綜合課程設(shè)計(jì)群[6]。

華北電力大學(xué)是一所以能源電力為學(xué)科特色的“雙一流”建設(shè)高校，同時(shí)也是教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃（2010-2020 年）”首批試點(diǎn)高校。本文以華北電力大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)卓越工程師班建設(shè)為契機(jī)，結(jié)合本校專業(yè)特色與人才培養(yǎng)定位，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為抓手，建立了具有“高真實(shí)度、高現(xiàn)場(chǎng)感”的“卓越工程師工程實(shí)踐基地”。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了跨學(xué)年、長(zhǎng)周期、遞進(jìn)式的“大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”綜合實(shí)踐教學(xué)課程群，使學(xué)生具備“電力行業(yè)特色大工程觀”，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 綜合實(shí)踐課程群設(shè)置

在普通自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，與“火電機(jī)組熱控系統(tǒng)”相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)由相對(duì)分散的課程設(shè)計(jì)組成（表1）?？梢钥闯?，共有5 門獨(dú)立開設(shè)的課程設(shè)計(jì)，共6 個(gè)學(xué)分，大部分課程設(shè)計(jì)進(jìn)行1 周，分散在第6—8學(xué)期。

表1 原自動(dòng)化專業(yè)部分單獨(dú)開設(shè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)

由表1 可以看出，原自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)方案中，單獨(dú)開設(shè)的實(shí)踐課程相對(duì)比較分散，不夠系統(tǒng)，這弱化了課程之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生難以將不同學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通并加以應(yīng)用，因而在解決工程問題時(shí)無法綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)[9]。

有些實(shí)踐課程內(nèi)容會(huì)有重合，比如分散控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)、分散控制系統(tǒng)（DCS）綜合實(shí)踐 A、控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)、控制裝置與系統(tǒng)B 課程設(shè)計(jì)等，分別由不同的老師上，但是都會(huì)涉及分散控制系統(tǒng)的組態(tài)、調(diào)試等內(nèi)容。

為了體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并融合提升學(xué)科知識(shí)，打破課程間的壁壘，根據(jù)課程的系統(tǒng)性和相關(guān)性進(jìn)行重組和整合，形成了卓越工程師班的綜合類實(shí)踐課程群——“大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”。課程群分為3 個(gè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，其學(xué)分、學(xué)時(shí)、開設(shè)學(xué)期及主要內(nèi)容見表2。

表2 專業(yè)綜合實(shí)踐：大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

課程調(diào)整后，實(shí)踐課程門數(shù)變少，但是總學(xué)分增加。開課學(xué)期集中在第7、8 學(xué)期。雖然課程門數(shù)變少，但不是簡(jiǎn)單地刪減或增加些課程，而是在原有課程內(nèi)容整合和優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行提煉，目的是使學(xué)生更加系統(tǒng)化地學(xué)習(xí)“火電機(jī)組熱控系統(tǒng)”的基本理論知識(shí)和訓(xùn)練基本實(shí)踐技能。

2 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)

2.1 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容層層遞進(jìn)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜

由表3 可知，實(shí)踐環(huán)節(jié)之間是有內(nèi)在邏輯關(guān)系的，內(nèi)容之間層層遞進(jìn)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從小規(guī)模到大規(guī)模，循序遞進(jìn)形成有機(jī)整體，且具有一定連貫性，使學(xué)生逐步深入地經(jīng)歷解決復(fù)雜工程問題的過程，著力培養(yǎng)學(xué)生的大系統(tǒng)分析能力和大工程觀。

2.1.1 3 個(gè)專業(yè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容從橫向上形成層次遞進(jìn)關(guān)系

大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)（1）主要在600 MW 超臨界仿真機(jī)組上實(shí)踐。實(shí)踐內(nèi)容涵蓋超臨界機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的全部過程，包括輔助系統(tǒng)投運(yùn)、上水、點(diǎn)火、升溫升壓、沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)至滿負(fù)荷等。整個(gè)過程與實(shí)際機(jī)組啟動(dòng)過程一致，讓學(xué)生在一個(gè)“真實(shí)”的電廠運(yùn)行環(huán)境中，深入了解火電廠的運(yùn)行過程，在此基礎(chǔ)上深入理解工藝流程，被控對(duì)象特點(diǎn)，尤其需要理解自動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)行過程中所發(fā)揮的作用。

表3 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的層次遞進(jìn)關(guān)系

大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)（2）主要在分散控制系統(tǒng)軟件上，進(jìn)行SCS 順序控制及MCS 模擬量控制系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試工作。組態(tài)包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、控制邏輯組態(tài)及畫面組態(tài)。鍛煉學(xué)生“運(yùn)用”自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)工程知識(shí)的能力及理論聯(lián)系實(shí)際的能力。調(diào)試需要根據(jù)控制目標(biāo)，對(duì)相應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)（3）建立在（1）和（2）的基礎(chǔ)上。針對(duì)復(fù)雜的、電廠“真實(shí)”的被控對(duì)象，包括汽溫、給水、燃燒、協(xié)調(diào)等，首先設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制目標(biāo)，深入分析被控對(duì)象特性，建立被控對(duì)象模型，然后針對(duì)對(duì)象特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案，并進(jìn)行組態(tài)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)試和優(yōu)化。在分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化的過程中體現(xiàn)創(chuàng)造性，并綜合考慮控制方案對(duì)環(huán)境、安全、經(jīng)濟(jì)等的影響。

2.1.2 專業(yè)綜合實(shí)踐內(nèi)容本身形成縱向的層次遞進(jìn)關(guān)系

以大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)（2）為例，在實(shí)踐過程中充分考慮了內(nèi)容的連貫性及層次的遞進(jìn)性。

1）從簡(jiǎn)單控制到復(fù)雜控制。

首先是單回路控制。在此過程中，需要學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的基本概念、組態(tài)的基本步驟及調(diào)試的基本步驟。同時(shí)需要考慮手動(dòng)、自動(dòng)無擾切換等工程實(shí)際問題。

然后逐漸過渡至復(fù)雜控制，包括單回路+前饋、串級(jí)控制系統(tǒng)、串級(jí)+前饋等，需要在實(shí)踐的過程中充分理解每種控制方式的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)等問題。

2）從單入單出控制到多變量解耦控制。

由單入單出對(duì)象的控制過渡至多入多出對(duì)象的控制。需要在實(shí)踐過程中充分理解多入多出對(duì)象的耦合特性，設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制方案。

3）從常規(guī)控制到先進(jìn)控制。

先進(jìn)控制算法包括改進(jìn)的PID 控制、模型參考自適應(yīng)控制、自校正控制、動(dòng)態(tài)矩陣控制、預(yù)測(cè)控制、內(nèi)?？刂频?。針對(duì)某復(fù)雜被控對(duì)象，需要選擇1～2 種先進(jìn)控制方案進(jìn)行組態(tài)實(shí)現(xiàn)，并與常規(guī)控制方案進(jìn)行對(duì)比，分析不同方法的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合。

以上3 個(gè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)都在基于虛擬DCS 的激勵(lì)式600 MW 超臨界火電仿真系統(tǒng)上進(jìn)行。該仿真平臺(tái)完善的功能設(shè)置是支撐以上3 個(gè)綜合實(shí)踐課程群的基本保證。

2.2 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)符合“復(fù)雜工程問題”特征

中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)界定的“復(fù)雜工程問題”必須具備表4 所述特征CP1，同時(shí)具備特征CP2到CP7 的部分或全部[3]。清華大學(xué)林健教授、北京工業(yè)大學(xué)蔣宗禮教授均對(duì)“復(fù)雜工程問題”的特性進(jìn)行了深入剖析[1-2]。教師在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明白“復(fù)雜工程問題”的內(nèi)涵特征，在此基礎(chǔ)上保證設(shè)計(jì)的任務(wù)滿足復(fù)雜工程問題的特征要求。

超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一類典型的多入多出系統(tǒng)，且具有回路間耦合較強(qiáng)、模型參數(shù)不確定、鍋爐側(cè)延遲較大、干擾難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，是工業(yè)中的典型系統(tǒng)，也是現(xiàn)代電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中最核心的部分。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的聯(lián)結(jié)紐帶，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速響應(yīng)負(fù)荷并維持能量供需平衡的關(guān)鍵[10]。下面以大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)（3）的一個(gè)教學(xué)任務(wù)“超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)”為例，對(duì)其復(fù)雜性進(jìn)行分析，說明該任務(wù)是符合中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)中規(guī)定的“復(fù)雜工程問題”的CP1 及除CP5 外的其他特征，具體內(nèi)容如表4 所示。

表4 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與復(fù)雜工程問題特征匹配度分析

3 超臨界激勵(lì)式仿真系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)需要在一個(gè)真實(shí)完整的工程場(chǎng)景中進(jìn)行，使學(xué)生經(jīng)歷復(fù)雜工程（系統(tǒng)）構(gòu)建，并在構(gòu)建過程中體現(xiàn)知識(shí)、技術(shù)、方法的綜合應(yīng)用[2]。由于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高以及安全生產(chǎn)要求的提高，導(dǎo)致學(xué)生在企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐的過程中參與程度較低[11]。當(dāng)前計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（DCS，distributed control system）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，由于它的投資較大，系統(tǒng)復(fù)雜，因此各高校在這方面的教學(xué)，往往落后于生產(chǎn)實(shí)際，但學(xué)生迫切需要掌握此方面的知識(shí)[12]。這就需要學(xué)校搭建一個(gè)能夠覆蓋工程全流程環(huán)節(jié)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，以滿足培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的需要。

針對(duì)以上3 個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，我系自主研發(fā)了“基于虛擬DCS 的激勵(lì)式600 MW 超臨界火電仿真系統(tǒng)”，覆蓋了600 MW 超臨界機(jī)組從冷態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)荷的運(yùn)行過程及全部控制過程。

3.1 激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)際 DCS 控制結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖1 所示為激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)際DCS 控制結(jié)構(gòu)對(duì)比。

圖1 激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)際DCS 控制結(jié)構(gòu)對(duì)比

由圖1 可以看出，基于虛擬DCS 的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)在控制結(jié)構(gòu)上與實(shí)際電廠DCS 控制結(jié)構(gòu)一致。由三大部分組成：仿真支撐系統(tǒng)、虛擬 DPU 程序、DCS程序（監(jiān)視、操作、組態(tài)、調(diào)試）。仿真支撐系統(tǒng)主要用來建立實(shí)際過程對(duì)象的機(jī)理模型。虛擬DPU 程序用來完成實(shí)際 DPU 及 I/O 卡件的功能。最上層的 DCS程序完全與實(shí)際DCS 的功能一致，包括操作員站、工程師站等。三部分之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

由以上分析可知，基于虛擬DCS 的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是將“控制”與“模型”分離，“控制”部分使用的虛擬DCS 可以完全復(fù)現(xiàn)實(shí)際DCS 的全部功能。因此，在激勵(lì)式仿真系統(tǒng)上，除了可以進(jìn)行機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、故障處理等機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐外，還可以進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組態(tài)及調(diào)試等控制系統(tǒng)實(shí)踐。

3.2 激勵(lì)式仿真系統(tǒng)用于綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)

1）設(shè)備可靠性高，易于維護(hù)。

由于虛擬 DPU 程序只需要在一臺(tái)計(jì)算機(jī)（DPU運(yùn)算站）上就可以實(shí)現(xiàn)，這樣整個(gè)仿真系統(tǒng)就可以脫離實(shí)際DPU 中的卡件、機(jī)柜等硬件設(shè)備而工作，從而節(jié)省大量硬件投資，極大降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本。同時(shí)系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)，維護(hù)工作量減小，有利于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的開展。

2）具有極高的真實(shí)度和較強(qiáng)的工程背景。

本仿真系統(tǒng)基于某實(shí)際電廠600 MW 超臨界機(jī)組開發(fā)，DCS 組態(tài)用數(shù)據(jù)庫、控制邏輯、監(jiān)控畫面等與電廠真實(shí) DCS 一致。模型部分依據(jù)電廠系統(tǒng)圖來構(gòu)建。經(jīng)過DCS 工程師、建模工程師與電廠運(yùn)行、熱工等人員多次聯(lián)調(diào)，保證了仿真系統(tǒng)與電廠真實(shí)數(shù)據(jù)的高度一致性，具有極高的真實(shí)度和工程感，保證學(xué)生在校期間就能在與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)十分接近的虛擬環(huán)境中進(jìn)行全過程的實(shí)踐鍛煉，實(shí)現(xiàn)學(xué)校培養(yǎng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的“無縫連接”。

3）可開展多種類多層次的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

本仿真系統(tǒng)包括從設(shè)備、單元、裝置到流程四個(gè)層次的被控對(duì)象，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行多種類、多層次的控制系統(tǒng)實(shí)踐。既可以進(jìn)行一般的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行探索性、研究性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，滿足層次化教學(xué)需求，培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖人才。

4 理論與實(shí)踐教學(xué)深度融合的教學(xué)方式

復(fù)雜工程問題必須具備的特征是“必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決”。這表明，復(fù)雜工程問題的解決必須建立在“工程原理”上，并且要求“運(yùn)用工程原理”，而不僅僅是“理解”和“掌握”。工程原理知識(shí)的獲得，不能脫離理論課程。對(duì)于工科學(xué)生而言，實(shí)踐是創(chuàng)造性應(yīng)用和發(fā)展理論的過程，是綜合能力形成的過程[13]。

工程教育畢業(yè)要求的12 條通用標(biāo)準(zhǔn)中的第4 條要求是：“能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。”對(duì)這條標(biāo)準(zhǔn)我們仔細(xì)解讀后可以發(fā)現(xiàn)，需要將“動(dòng)手能力”“實(shí)踐能力”定位在“基于基本原理”的層面上。也就是“理論指導(dǎo)下的實(shí)踐”“理論與實(shí)踐的結(jié)合”，而不是簡(jiǎn)單的動(dòng)手和實(shí)踐[2]。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)協(xié)同支撐學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[5]。

為此，在大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3 個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)里，每個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)都開設(shè)了相對(duì)應(yīng)的理論課程，如表5 所示。

表5 與專業(yè)綜合實(shí)踐對(duì)應(yīng)的專題課程

每門課程共32 學(xué)時(shí)，一周4 學(xué)時(shí)，共8 周上完，與對(duì)應(yīng)的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)時(shí)間一致。

每個(gè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)貫穿“理論教授—方法引領(lǐng)—實(shí)踐領(lǐng)會(huì)—問題探索—理論和實(shí)踐相互印證—新問題探索—理論、方法發(fā)展”的理論和實(shí)踐相互促進(jìn)的互動(dòng)式教學(xué)模式。在這種互動(dòng)式教學(xué)模式中，實(shí)現(xiàn)理論課程與實(shí)踐課程深度融合。

4.1 在理論指導(dǎo)下的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

在每個(gè)實(shí)踐任務(wù)進(jìn)行之前，安排相應(yīng)的理論課程學(xué)時(shí)。在掌握了課程相關(guān)原理和知識(shí)后，再根據(jù)實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，在600 MW 超臨界激勵(lì)式仿真平臺(tái)上，進(jìn)行具體的實(shí)踐活動(dòng)。實(shí)踐過程要求學(xué)生對(duì)具體的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行分析后，再根據(jù)理論課程所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐。在實(shí)踐過程中，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析、設(shè)計(jì)、解決復(fù)雜工程問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神等。

實(shí)踐結(jié)束后，對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析后，形成的反饋信號(hào)同時(shí)對(duì)理論課程及實(shí)踐課程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

4.2 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)促進(jìn)理論知識(shí)的掌握

在一般的理論課堂上，學(xué)生對(duì)理論課程知識(shí)的學(xué)習(xí)除了少數(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)外，其實(shí)大部分是通過老師的課堂講授“學(xué)”到的，而學(xué)生“習(xí)”的過程主要是通過做練習(xí)題。在這種嚴(yán)重脫離實(shí)踐的“學(xué)習(xí)”過程之后，就安排理論課程知識(shí)的考試。在整個(gè)過程中，由于嚴(yán)重脫離實(shí)踐，很容易培養(yǎng)一些“高分低能”的學(xué)生。

經(jīng)過具體實(shí)踐環(huán)節(jié)之后，再進(jìn)行理論課程的考核。對(duì)考核結(jié)果進(jìn)行分析后，形成反饋信號(hào)，以此為依據(jù)同時(shí)對(duì)理論課程及實(shí)踐課程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

5 基于能力的綜合實(shí)踐課程群評(píng)價(jià)方法

培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，還需要對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以檢驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況，據(jù)此形成教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的依據(jù)之一。

5.1 綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)方法

在綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)考核方面，采用評(píng)分指標(biāo)法，將考核內(nèi)容細(xì)化為多個(gè)評(píng)分指標(biāo)，綜合、客觀、公正評(píng)價(jià)學(xué)生經(jīng)過實(shí)踐環(huán)節(jié)的鍛煉后應(yīng)該具備的能力。

考核環(huán)節(jié)分兩部分：團(tuán)隊(duì)考核和個(gè)人考核。團(tuán)隊(duì)考核主要從切題度、目標(biāo)達(dá)成度、內(nèi)容完整性、創(chuàng)新性、規(guī)范性及團(tuán)隊(duì)合作6 項(xiàng)內(nèi)容考核，每項(xiàng)10 分，共60 分，見表6。

表6 團(tuán)隊(duì)考核成績(jī)?cè)u(píng)分表

個(gè)人考核主要從對(duì)軟件的熟練度、表達(dá)能力、問答及平時(shí)表現(xiàn)4 個(gè)方面進(jìn)行。每項(xiàng)10 分，滿分40 分，見表7。

表7 個(gè)人考核成績(jī)?cè)u(píng)分表

個(gè)人實(shí)踐課程考核總成績(jī)=個(gè)人考核成績(jī)+團(tuán)隊(duì)考核成績(jī)。

細(xì)分的 10 個(gè)評(píng)分指標(biāo)避免了評(píng)分環(huán)節(jié)的主觀性和片面性，從個(gè)人到團(tuán)隊(duì)、從寫作能力到語言表達(dá)能力、從規(guī)范性到創(chuàng)新性、從平時(shí)表現(xiàn)到最終的答辯展示等，客觀、全方位對(duì)學(xué)生的真實(shí)能力和素質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.2 理論課程評(píng)價(jià)方法

理論課程指3 門專題課程。設(shè)計(jì)了多項(xiàng)評(píng)分指標(biāo)，客觀、準(zhǔn)確、全面考核學(xué)生的“知識(shí)應(yīng)用能力”。理論課程考核在實(shí)踐課程環(huán)節(jié)之后，包括過程考核和期末考核，具體見表8。

表8 理論課程評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重

過程考核主要分兩方面：

（1）平時(shí)測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)通過現(xiàn)代化教學(xué)手段的應(yīng)用，考查學(xué)生對(duì)課程所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握能力。

（2）實(shí)踐任務(wù)討論環(huán)節(jié)以學(xué)生為主，教師進(jìn)行引導(dǎo)和總結(jié)。討論的問題主要由教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)的共性問題和同學(xué)的提問組成。集中討論環(huán)節(jié)在專題課程中進(jìn)行，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步思考，深刻理解其適用性、局限性等。

期末考試主要考核知識(shí)在工程問題中的識(shí)別和運(yùn)用，包括以下4 個(gè)層面：對(duì)工程問題的理解、工程問題要素的區(qū)分以及術(shù)語的理解、在工程問題中理解知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)、理解可以遞進(jìn)進(jìn)行?？己藘?nèi)容以遞進(jìn)方式進(jìn)行指的是，考查的工程問題由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由少量術(shù)語到更多術(shù)語，由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，由原理圖到實(shí)際圖，分層次考查學(xué)生理解和運(yùn)用知識(shí)的能力。

平時(shí)測(cè)驗(yàn)成績(jī)、實(shí)踐任務(wù)討論及期末試卷每項(xiàng)滿分100 分。

理論課程總成績(jī)=平時(shí)測(cè)驗(yàn)成績(jī)×20%+實(shí)踐任務(wù)討論成績(jī)×20%+期末試卷成績(jī)×60%。

理論課程的考核結(jié)果既體現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握程度的評(píng)價(jià)，同時(shí)更加注重測(cè)評(píng)學(xué)生的能力和素質(zhì)。

6 結(jié)語

2018 年頒布的《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0 的意見》指出，經(jīng)過5 年的努力，總體要求20%以上的工科專業(yè)點(diǎn)通過國(guó)際實(shí)質(zhì)等效的專業(yè)認(rèn)證，形成中國(guó)特色、世界一流的工程教育體系[4]。“卓越計(jì)劃”在工程教育改革上負(fù)有重任。對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)始終是全球高等學(xué)校所有工程專業(yè)的核心任務(wù)[14]。

華北電力大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)是我校首批卓越工程師建設(shè)專業(yè)。在自動(dòng)化專業(yè)卓越工程師班的專業(yè)課程學(xué)習(xí)階段，即第7、8 學(xué)期，結(jié)合我校能源電力特色背景，圍繞解決“復(fù)雜工程問題”的能力培養(yǎng)，我們?cè)O(shè)置了“大型火電機(jī)組熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”課程群?；谖蚁底灾餮邪l(fā)的“激勵(lì)式600 MW 超臨界仿真系統(tǒng)”，圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程考核等方面進(jìn)行了改革和實(shí)施。

課程的實(shí)施使學(xué)生得到了全面、系統(tǒng)、工程化的鍛煉，具備了綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)分析和解決工程實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)以小組形式展開，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、表達(dá)能力、寫作能力等得到了充分激發(fā)和有效鍛煉，為解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用，與培養(yǎng)方案中的其他課程一起，有效支撐該目標(biāo)的達(dá)成。可以為普通自動(dòng)化專業(yè)和其他相近專業(yè)在工程教育改革與創(chuàng)新上提供有益借鑒。