面向國際工程教育認證的過程控制工程課程教改探索

摘 ?要：近年來國際工程教育認證對控制工程相關的專業(yè)課程體系建設提出了新要求，面向工程實踐的過程控制工程課程緊密結合自動控制理論、化工原理、檢測技術與測量儀表、計算機控制技術等，對培養(yǎng)具有實踐能力的控制工程專業(yè)人才具有重要作用，因此教改顯得尤為必要和迫切。文章結合大連理工大學和南京工業(yè)大學在過程控制工程課程教改方面的經(jīng)驗，分析過程控制工程課程應達到的教學目標，提出一種新的課程教改方案和創(chuàng)新教學模式，探討教學方法改革的可行措施，并且介紹近期取得的一些明顯成效。

關鍵詞：過程控制工程;課程體系;教學改革;創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）01-0119-05

Abstract： In the recent years， new demands have been proposed for building the course systems of Control Engineering related majors， with respect to the accrediting standards of international engineering education. Facing to engineering practice， the course of process control engineering tightly integrates the Automatic Control Theory， Chemical Engineering Principles， Detection Technology and Measurement Instruments， and Computer Control Technology etc.， which takes an important role for cultivating Control Engineering talents with ability of engineering practice. Therefore， the teaching reform is especially necessary and urgent. This paper combines the experiences of teaching reform on the course of Process Control Eengineering from Dalian University of Technology and Nanjing Tech University， analyzes the desired teaching objective of this course， and proposes a new teaching reform scheme together with an innovated teaching mode. Moreover， practical measures are explored for reforming the teaching methods， and meanwhile， some evident results recently obtained are presented.

Keywords： Process Control Engineering; course system; teaching reform; innovation practice

自2016年我國正式成為工程教育《華盛頓協(xié)議》第18個成員國后，我國工程教育和人才培養(yǎng)質(zhì)量實現(xiàn)與其他成員國實質(zhì)等效和相互認可，教育部大力推進新工科建設和發(fā)展規(guī)劃[1]，越來越多的工科院校開展了專業(yè)課程體系的教學改革，如“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[2]，以期達到國際工程教育專業(yè)認證的要求。然而對于控制工程人才培養(yǎng)中通識能力和工程實踐能力的水平認證，尚有待于工程界的實證。

目前全國設置化學工程、冶金工程、機械工程等專業(yè)的高校在控制工程技術與實踐教學方面基本上都開設有過程控制工程課程，它將自動控制理論、化工原理、檢測技術與測量儀表、計算機控制技術等綜合在一起，針對典型化工生產(chǎn)過程的“三傳一反”特性（即動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學反應）和實際運行操作要求，培養(yǎng)具有控制工程實踐和創(chuàng)新能力的專業(yè)技術人才。浙江大學戴連奎教授等[3]指出過程控制工程的核心教學目標是使本科生掌握控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)技術。南京工業(yè)大學薄翠梅教授等[4]較早地提出了一些關于過程控制工程課程的教學改革與工程實踐方法，有效地提高了該課程的講授效果。華東理工大學羅健旭和顧幸生教授等[5]從過程控制課程體系構建、教學方法改革、實踐環(huán)節(jié)設計等方面探討了培養(yǎng)具有學習能力、工程實踐能力和創(chuàng)新意識的過程控制人才的教學模式。近期教改論文[6-7]在該課程的實驗教學方面提出了一些改進措施，有助于提高學生的控制工程實踐能力。有文章[8]提出設立一些多學科交叉的教學項目來豐富理論與實踐相結合的教學內(nèi)容，從而提高學生獨立科研創(chuàng)新能力和項目組織管理能力。

本文根據(jù)國際工程教育專業(yè)認證標準，分析過程控制工程課程的培養(yǎng)目標，圍繞培養(yǎng)學生控制工程實踐能力這一核心目標，提出一種新的課程教改方案和教學模式，為有關高校規(guī)劃建設師資隊伍、整合教學資源，以及建設學科新平臺等提供參考方案。結合大連理工大學和南京工業(yè)大學在過程控制工程課程教改方面的經(jīng)驗，探討一些可行的教學方法改革措施，并且說明由此取得的一些較好效果，以促進相關高校提高過程控制工程課程的教學質(zhì)量。

一、過程控制工程課程的教學目標

國內(nèi)高校自動化類、化學工程、冶金工程等專業(yè)基本上都開設專業(yè)必修課或選修課程——過程控制工程，但教學目標不盡相同。這里以大連理工大學和南京工業(yè)大學制定的課程教學大綱為例，簡要說明一些共同的教學目標：

1. 通過簡單控制系統(tǒng)的學習掌握工業(yè)控制系統(tǒng)的構成，各構成單元的特性與功能，以及控制系統(tǒng)實施的相關知識和基本概念。

2. 通過復雜控制系統(tǒng)的學習了解各種復雜控制系統(tǒng)的構成，工作原理、適用范圍和工程實施中的基本應用技術。

3. 通過先進控制方法的介紹，了解現(xiàn)代控制技術的發(fā)展方向及最新控制技術。

4. 通過過程工業(yè)典型操作單元的控制應用，進一步理解上述各控制方案在工程中的應用特點和實施技術。

5. 通過本課程的學習，使學生具備對控制系統(tǒng)的分析能力、依據(jù)生產(chǎn)過程工藝控制要求制定合理控制方案和方案實施的基本技能，以及實現(xiàn)對本專業(yè)技能進一步學習和研究的基礎和能力。

根據(jù)國際工程教育專業(yè)認證標準，大連理工大學制定的自動化專業(yè)畢業(yè)生能力要求中有9條涉及過程控制工程課程教學，具體如下：

1. 工程知識：能夠將數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題。

2. 問題分析：能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論。

3. 設計/開發(fā)解決方案：能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。

4. 研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結論。

5. 使用現(xiàn)代工具：能夠針對復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。

6. 工程與社會：能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

7. 環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展：能夠理解和評價針對復雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

8. 溝通：能夠就復雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應指令，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

9. 項目管理：理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟決策方法，并能在多學科環(huán)境中應用。

可見基于上述的過程控制工程課程基本教學目標難以達到國際工程教育專業(yè)認證的相關要求，必須通過建設更加科學合理的課程教學方案來解決，充分利用現(xiàn)有的師資隊伍和教學資源，建設好配套的學科實驗平臺和實習基地，調(diào)動學生學習課程的積極性和主動性，才能實現(xiàn)上述教學目標和學生能力培養(yǎng)要求。

二、課程教學方案創(chuàng)新

針對上述教學目標和國際工程教育專業(yè)認證標準制定的相關畢業(yè)能力要求，這里提出一種具有靈活性的過程控制工程課程教學方案，如圖1所示。

由圖1可見，該課程教學方案的特點在于：（1）引入一定量的控制工程網(wǎng)絡慕課（MOOC）教學資源和參考文獻;（2）提高課堂教學的互動性;（3）增強工程實踐能力培養(yǎng)。隨著國內(nèi)外慕課教學模式的推廣應用，越來越多的過程控制工程專業(yè)課程資源可以通過教學網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫獲取。因此，為進一步豐富過程控制工程課程知識內(nèi)容、擴大學生知識視野，建議更多地采用線上線下混合教學模式，包括根據(jù)所在院校專業(yè)特色制作相關的教學視頻、來訪專家學術報告以及有關學術會議報告等，每次授課前發(fā)給選課學生電子課件內(nèi)容、參考文獻以及有關視頻資料，以便在授課期間同學生們互動交流，課后發(fā)布相應的課程作業(yè)和參考資料，從而有助于檢驗學生知識掌握情況和復習鞏固，并且培養(yǎng)學生自學專業(yè)知識能力，尤其是可以解決近年來很多高校因削減本科生專業(yè)教學總學時數(shù)而引起過程控制工程課程教學時數(shù)減少的問題，如大連理工大學、南京工業(yè)大學和浙江大學等的過程控制工程課程教學時數(shù)（未包括控制工程實驗）已削減至48學時。通過大力開展慕課教學資源建設，可以有效地補充課堂教學內(nèi)容不足之處。

在提高課堂教學的互動性方面，注意引導學生對課堂教學內(nèi)容的積極性和興趣，通過每次授課前后發(fā)給學生有關授課內(nèi)容的慕課資源和參考文獻等，調(diào)動學生在課余時間學習課程知識的興趣和主動性。建立以解決問題為驅動的課堂教學新模式，使教學過程從單向的知識傳輸轉為師生互動，從而有效地提高學生的學習興趣和教學效果。例如，對于第二章的教學，我們首先在第一章講課結束后給學生發(fā)送第二章的電子課件和參考文獻，包括大連理工大學和南京工業(yè)大學的磁懸浮控制臺和水箱液位單回路控制案例材料，以及英國曼徹斯特大學相關本科課程Process System Engineering的慕課資源，布置三個自學思考題：（1）什么樣的控制系統(tǒng)被稱為簡單控制系統(tǒng)？舉例說明;（2）如何評價一個簡單控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性？列舉一些指標;（3）請找出一種比經(jīng)典PID整定方法更好的控制器設計方法？并說明設計思路。然后在課堂教學中，根據(jù)教學進程提出這些問題讓學生回答，既可以鼓勵學生主動回答并計入平時成績，又可以采用隨機點名的方式請學生回答，從而順查學生上課考勤情況，無形中督促學生積極上課和參加互動交流。

此外，鼓勵學生參與課程教學的備課和串講，作為課程教學平時作業(yè)成績的評分依據(jù)。例如，對于圖1所示的第三至第八章講授的復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中關于串級控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)等章節(jié)的內(nèi)容可以安排學生們成立學習興趣小組，提供給他們有關電子課件、慕課資源以及參考文獻，讓他們分別申請這些章節(jié)的備課和課堂講解，由此可以替代他們對這些章節(jié)的平時作業(yè)，并且進行課堂授課效果評比和打分，計入平時作業(yè)成績。這樣，學生們對這些章節(jié)的學習積極性得到提高，而且通過自學和組織學習興趣小組，可以增強學習興趣，發(fā)現(xiàn)和提出更多的學習問題，從而保證在課堂教學過程中產(chǎn)生良好的互動提問和交流解答。

在培養(yǎng)學生工程實踐能力方面，需要從典型過程控制實驗裝置、計算機仿真平臺、科研創(chuàng)新平臺、生產(chǎn)實習基地這四方面做好建設和規(guī)劃。根據(jù)各院校實際辦學條件和學科建設平臺，設置和完善一些典型的過程控制工程教學實驗裝置如三級水箱液位調(diào)節(jié)裝置、電熱爐加熱裝置等，以滿足對圖1所示第二章中的簡單控制系統(tǒng)、第三至第八章中的復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及第十一至第十二章中的典型操作單元控制的教學實驗設計和學生實踐練習。結合學校計算機教學硬件和軟件仿真資源，以及網(wǎng)絡慕課軟件資源和參考程序，對第九至第十章中介紹的先進控制方法提供計算機仿真案例和程序，培養(yǎng)學生對過程控制工程進行計算機控制與仿真模擬的實踐能力，通過鼓勵學生自行獨立編制計算機仿真程序、設計先進的計算機控制系統(tǒng)，并且可作為平時作業(yè)和計入平時成績，能有效地提高學生們對先進計算機仿真技術的學習積極性和興趣。此外，充分利用所在學科專業(yè)教師和研究生導師承擔科研項目情況，以及校辦生產(chǎn)企業(yè)和合作生產(chǎn)企業(yè)的實習基地等，開設第二課堂，組織和安排學生參觀實習，引導學生參加有關過程控制工程的實踐項目，包括大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目、科研訓練項目，以及課外創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)自主實踐項目等，設置靈活的控制工程實驗內(nèi)容，如大連理工大學和浙江大學為過程控制工程課程配套有16學時控制工程實驗，通過改革這些實驗學時的實施方式，可以有效地提高對學生工程實踐能力的培養(yǎng)質(zhì)量。

三、教學改革的可行措施

這里根據(jù)我們近年來在大連理工大學和南京工業(yè)大學講授過程控制工程課程方面積累的經(jīng)驗，介紹對該課程教學改革的一些可行措施。為了契合國際工程教育專業(yè)認證，我們根據(jù)前面第一節(jié)中介紹的9條涉及過程控制工程課程教學的自動化專業(yè)畢業(yè)生能力要求，制定了該課程各章節(jié)的對應教學目標和教學方式，如表1所示。

其中，對應教學目標1-9即為前面第一節(jié)中介紹的9條涉及該課程教學的自動化專業(yè)畢業(yè)生能力要求。由表1可見，第三章至第十二章的教學目標都覆蓋到了工程教育專業(yè)認證的9條學生能力培養(yǎng)要求，相對于傳統(tǒng)的課堂教學模式，明顯加強了課外學習和鍛煉，并且無形地增加了學生自學課程知識和學習時間，能有效地拓寬學生的知識視野，提高學生對課程內(nèi)容的學習興趣和積極主動性。通過課堂互動、學生串講第二課堂如科研實驗平臺和生產(chǎn)實習基地等、計算機仿真作業(yè)以及實驗設計，能有效地提高學生的專業(yè)綜合素質(zhì)和工程實踐能力。如圖2所示，我們在講授第九章的先進控制方法過程中，安排學生參觀我們自主研制的工業(yè)結晶反應釜溫度調(diào)節(jié)自動控制裝置。

直觀地給學生介紹如何將一種先進的兩自由度控制方法編程寫入工控機，以實現(xiàn)系統(tǒng)設定點溫度跟蹤和負載干擾（如環(huán)境散熱等）抑制的相對獨立調(diào)節(jié)和整定，以及自動控制系統(tǒng)的硬件組成和調(diào)試步驟。從而有效地調(diào)動學生主動學習第九章內(nèi)容和討論細節(jié)的積極性，并且無形地提高了對學生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。

此外，在開設第二課堂和參觀實習方面，我們注意結合學院的來訪學者學術講座和專業(yè)學術會議，邀請來訪學者和參會專家為選修過程控制工程課程的學生介紹一些相關工程應用案例和國際前沿研究進展，引導學生對課程相關內(nèi)容的學習興趣，并且擴大有關知識視野。例如2019年5月邀請來訪的國際知名控制學者、美國普渡大學Zoltan Nagy教授順便給學生全英文講授2學時第九章中的模型預測控制方法，演示了他給美國大學生的電子課件和應用教學案例，很大地激發(fā)了學生們的上課熱情和興趣。而且，結合學院碩士博士生導師承擔國家和省市級科研項目的進展和完成情況，組織研究生導師和高年級研究生給選課學生介紹有關過程控制工程技術的研究成果和應用項目案例，從而培養(yǎng)學生們的科研志向和鉆研精神，為過程控制工程領域的研究生培養(yǎng)提供生源力量。利用學校建設的專業(yè)生產(chǎn)實習工廠以及校辦生產(chǎn)企業(yè)提供的實習基地，組織學生根據(jù)第三至第八章、第十一至第十二章內(nèi)容進行相應的參觀和實習，并且為學生選擇課程實驗設計內(nèi)容提供參考，從而促進學生更加積極主動地參加教學內(nèi)容參觀和實習，進一步提高課程實驗設計水平。

在布置計算機仿真作業(yè)方面，我們根據(jù)本文第一作者關于過程控制工程的英文專著[9]中介紹的先進生產(chǎn)系統(tǒng)辨識建模方法、模型預測控制系統(tǒng)設計方法以及多變量解耦控制系統(tǒng)設計方法，編制了計算機仿真參考程序和練習題，很大地方便了學生學習先進控制方法的計算機仿真和測試驗證，通過完成練習題作為平時作業(yè)成績，進一步掌握先進控制系統(tǒng)的設計方法和計算機控制技術，為參加大學生科技創(chuàng)新競賽項目、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計等打下較好的應用基礎。

在安排課程實驗設計和生產(chǎn)實習方面，我們不僅通過完善現(xiàn)有實驗室過程控制裝置的測試功能來提供多樣化的實驗設計方案，方便學生利用慕課資源和計算機仿真作業(yè)開展豐富多樣的實驗設計和應用測試，而且鼓勵學生通過報名參加相關的大學生科技創(chuàng)新競賽項目以及合作生產(chǎn)企業(yè)的實習項目，替換課程安排的實驗設計和生產(chǎn)實習，從而進一步調(diào)動學生的積極性，提高對工程實踐能力的培養(yǎng)質(zhì)量。

四、近年取得的教學成效

近年來我們通過探索和實施如前所述的課程教改方案，取得了一些明顯進步的學生培養(yǎng)成效，如下：

1. 大連理工大學自動化專業(yè)順利通過2016年國際工程教育專業(yè)認證，獲得優(yōu)秀評價。

2. 大連理工大學控制科學與工程學院自動化專業(yè)分流到過程控制工程方向的學生數(shù)量逐年穩(wěn)步上升，由2014年40余名選修學生增加至2020年80余名，數(shù)量翻了一倍，而且教學質(zhì)量評價滿意度由75.8%升高到94.6%。

3. 由本文第一作者講授的過程控制工程專業(yè)選修課自2017年以來持續(xù)被評為本科示范教學課程。

4. 本文作者和教學團隊成員采用創(chuàng)新的過程控制工程課程教學方案，近三年連續(xù)指導三屆本科生興趣小組成員榮獲2017年2018年“AB杯”全國大學生自動化系統(tǒng)應用大賽一等獎、2019年大賽的特等獎。

五、結束語

為適應國際工程教育認證標準要求，很多高校的過程控制工程課程教學改革勢在必行，而且是一個緊迫的任務。這里我們提出了一種新的課程教改方案，并且給出了一些實際可行的教改措施，為有關高校開展相關專業(yè)的工程教育認證建設、進一步提高學生培養(yǎng)質(zhì)量提供可參考實施的辦法與經(jīng)驗，共同促進教學改革的發(fā)展與完善。

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