王曉軍 徐冬梅

摘 ? ?要：文章基于新時代“教育三問”，針對“過程控制系統(tǒng)”課程中存在的實(shí)踐環(huán)節(jié)痛點(diǎn)，提出“四階式”實(shí)踐教學(xué)方法。該教學(xué)方法由4種實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)組成，在難度上逐漸提高。在課程設(shè)置上體現(xiàn)了高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步提升專業(yè)技能，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：“四階式”；實(shí)踐環(huán)節(jié)；“教育三問”；“過程控制系統(tǒng)”課程

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1002-4107（2023）08-0069-03

一、引言

近年來，習(xí)近平總書記圍繞“培養(yǎng)社會主義建設(shè)者和接班人”作出一系列重要論述，深刻回答了“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”這一新時代“教育三問”的根本問題[1]，深刻強(qiáng)調(diào)了教育對于國家富強(qiáng)、民族振興、社會進(jìn)步、人民幸福的重要性，全面闡釋了培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人的內(nèi)涵、要求和舉措。這一系列重要論述對加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國、辦好人民滿意的教育具有深遠(yuǎn)的影響和深刻的指導(dǎo)意義。同時，習(xí)近平總書記還強(qiáng)調(diào)，要用好課堂教學(xué)這個主渠道，除了思想政治理論課，其他專業(yè)課也要守好一段

渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同

行，形成協(xié)同效應(yīng)[2-3]。因此，高校專業(yè)課在課程教學(xué)過程中也應(yīng)積極探索，注重課程思政建設(shè)，將思想政治教育潤物無聲地融入專業(yè)課教學(xué)過程中，提升思想政治教育的親和力和針對性，滿足學(xué)生對成長發(fā)展的需求和期待[4]。

地方高校應(yīng)以城市和地方為依托，以國家政策為指引，立足本地，明確自身使命，發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢，真正融入地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，做出正確的前瞻性分析，準(zhǔn)確把握發(fā)展方向，積極為地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展服務(wù)，尋找并實(shí)現(xiàn)更加崇高的價值。上海工程技術(shù)大學(xué)位于上海市松江區(qū)，是一所綜合型市屬地方高校，學(xué)校定位為建成國內(nèi)一流的高水平現(xiàn)代化工程應(yīng)用型特色大學(xué)。上海工程技術(shù)大學(xué)緊跟國家政策，順應(yīng)新工科建設(shè)潮流，響應(yīng)上海市先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃，積極服務(wù)上海市及長三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)，助力長三角產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展、先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)化升級。無論是中華民族偉大復(fù)興中國夢，還是城市的繁榮發(fā)展，都對新時代高校的人才培養(yǎng)工作提出了更高要求。地方高校的專業(yè)建設(shè)和課程設(shè)置應(yīng)緊跟時代步伐，在課程中充分融入思政元素，在教學(xué)中探索并實(shí)踐新時代“教育三問”，積極為國家的戰(zhàn)略發(fā)展做出有力支撐。

二、“過程控制系統(tǒng)”課程建設(shè)目標(biāo)

長三角地區(qū)作為中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域之一，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)先，是推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主戰(zhàn)場。近20年來，長三角地區(qū)制造業(yè)穩(wěn)中有進(jìn)，資本和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷升級。制造業(yè)作為經(jīng)濟(jì)的“壓艙石”，對推動經(jīng)濟(jì)增長和提高就業(yè)質(zhì)量具有重要作用。目前，長三角各省市正在全力推進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)中各領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展改革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級。

流程行業(yè)作為先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，以“智能制造+綠色制造+高端制造”作為未來智能優(yōu)化制造的

愿景，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，推動整個行業(yè)的布局優(yōu)化，提升生態(tài)化和智能化水平，通過工業(yè)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革和動力變革，提高流程工業(yè)全要素生產(chǎn)率，把工業(yè)生產(chǎn)打造成先進(jìn)制造業(yè)?！斑^程控制系統(tǒng)”作為自動化專業(yè)支撐流程行業(yè)的一門綜合性專業(yè)特色課程，已在上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院連續(xù)開設(shè)多年。教師本著“以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)，知識傳授和價值引領(lǐng)并重、能力培養(yǎng)和工程素養(yǎng)并重，師生互教互學(xué)，共鑄師生學(xué)習(xí)共同體”的現(xiàn)代教學(xué)理念，在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善課程體系、改進(jìn)教學(xué)方法，在提升學(xué)生知識獲得感的同時，注重利用課堂育人主渠道，將思政元素融入專業(yè)知識的學(xué)習(xí)中，增強(qiáng)學(xué)生的價值理念；同時，教師通過了解學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋和思想動態(tài)，在不斷改進(jìn)與完善教學(xué)的過程中，及時反思“教育三問”，進(jìn)一步提高自身的價值理念、知識能力、教學(xué)技能、業(yè)務(wù)素質(zhì)等綜合實(shí)力[5]。

三、“過程控制系統(tǒng)”課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)痛點(diǎn)

“過程控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容主要分為4個部分，即控制系統(tǒng)發(fā)展史、過程控制相關(guān)基礎(chǔ)知識、多種控制策略及應(yīng)用案例的介紹。其中，多種控制策略部分在“過程控制系統(tǒng)”課程中占較重分量，教師也分配了較多時間重點(diǎn)講解這部分內(nèi)容。多種控制策略部分主要包括以下3個方面的內(nèi)容。第一，適用單入單出系統(tǒng)的多種結(jié)構(gòu)的控制策略，包括前饋控制、比值控制、串級控制、均勻控制、選擇控制、分程控制等，這6種控制策略的應(yīng)用要結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的控制目標(biāo)來進(jìn)行選擇。第二，針對多入多出耦合系統(tǒng)中多目標(biāo)控制的問題，結(jié)合相對增益的概念，基于RGA-NI方法的多變量系統(tǒng)回路配對規(guī)則，在多個控制器中選擇最佳配對方案，以達(dá)到最快、最有效的控制效果。第三，為學(xué)生介紹更多先進(jìn)的控制策略，包括基于模型的史密斯控制、內(nèi)模控制、預(yù)測控制等方法，也包括模型不確定的模糊控制、自適應(yīng)控制等。教師通過對多種先進(jìn)控制策略的介紹，引導(dǎo)學(xué)生了解最新的控制理論，并探索和研發(fā)更新更適用的控制方法。

由于“過程控制系統(tǒng)”課程知識點(diǎn)較多，且受既有課時的限制，教師在教學(xué)中以課堂講授為主，但單純依靠理論講解使知識點(diǎn)顯得較空洞，學(xué)生沒有感性的認(rèn)識，反而會在多種策略之間混淆不清，無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。例如，針對多種策略的評判、選擇和應(yīng)用，學(xué)生只有在實(shí)踐過程中才能加深對其的了解和認(rèn)識，并在不同場合中進(jìn)行正確的選擇?！斑^程控制系統(tǒng)”的定位是一門針對高年級學(xué)生開設(shè)的綜合性專業(yè)技能提升課程，課程內(nèi)容與應(yīng)用實(shí)踐緊密關(guān)聯(lián)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的操作演練對學(xué)生來說應(yīng)更具直觀性和體驗(yàn)感。因此，在課時有限的情況

下，如何利用好課內(nèi)外時間，結(jié)合線上線下進(jìn)行多元規(guī)

劃，合理設(shè)計(jì)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)而提高教學(xué)效果成為“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)改革需要解決的問題。

四、解決方案

教師在“過程控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革過程中，提出“四階式”實(shí)踐教學(xué)方法，針對現(xiàn)有問題進(jìn)行重點(diǎn)突破，全面提升學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。

（一）掌握知識點(diǎn)，仿真先行

如何快速且有效地檢驗(yàn)多種策略的特點(diǎn)和效果，仿真教學(xué)是最方便，也是最常見的方法之一。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，教師為了幫助學(xué)生加深對多種控制策略的理解和運(yùn)用，主要采用課后仿真作業(yè)的形式，要求學(xué)生基于

MATLAB軟件搭建多種控制策略結(jié)構(gòu)，并采用PID算法進(jìn)行控制仿真。學(xué)生需根據(jù)給定的，或公式推導(dǎo)出的系統(tǒng)模型在MATLAB軟件中實(shí)現(xiàn)多種控制策略的搭建和參數(shù)整定。由于MATLAB軟件對環(huán)境的限制，系統(tǒng)模型均為傳遞函數(shù)形式，公式推導(dǎo)過程也較數(shù)學(xué)化。此種方法側(cè)重對控制策略概念和方法的理解和運(yùn)用，不利于學(xué)生對實(shí)際工程的理解。而學(xué)生在以后的實(shí)際工作中，面對的是具體的生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備產(chǎn)線，而非系統(tǒng)模型。因此，若能在“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)過程中加入具有工程背景的應(yīng)用案例，對于幫助學(xué)生理解多種控制策略在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有重要意義。

（二）實(shí)驗(yàn)平臺練一練，才知實(shí)踐大不同

仿真測試中有很多條件是簡化或忽略的，這與在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行操練有較大差距。因此，教師應(yīng)在學(xué)生有了仿真基礎(chǔ)后，鼓勵學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)裝置上動手操練，以開始從仿真走向?qū)嵺`的新階段。在“過程控制系統(tǒng)”課程后期，有一門30學(xué)時的“控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程，該課程基于高級過程控制對象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和過程控制高級控制臺，可以完成單容水箱、多容水箱、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套特性測試等實(shí)驗(yàn)，以及關(guān)于溫度、液位的單閉環(huán)定值控制，亦可設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多部件的組合串級控制、前饋控

制、選擇控制，甚至解耦控制等實(shí)驗(yàn)。目前，實(shí)驗(yàn)平臺配備西門子SMART 200 PLC模塊，安裝有MCGS（監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信與組態(tài)監(jiān)控。若要取得較好的控制效果，學(xué)生可利用該平臺獲得所控裝置的階躍響應(yīng)曲線，并計(jì)算出系統(tǒng)裝置的模型，設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，再在MATLAB軟件中進(jìn)行仿真、驗(yàn)證并優(yōu)化，最后再到過程控制高級控制臺上進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證并整定參數(shù)。教師在實(shí)驗(yàn)過程中要求學(xué)生通過手動調(diào)節(jié)出水閥口徑以檢驗(yàn)所設(shè)控制器的抗干擾能力，而每次出水閥口徑大小都會不同，因此，學(xué)生需要先對上一組調(diào)試后的設(shè)備進(jìn)行控制，然后再調(diào)整出水閥口徑，以測試其抗干擾能

力。這一過程讓學(xué)生切實(shí)體會到人工干預(yù)的不確定性。同時，由于教師為每組學(xué)生提供的設(shè)備不同，使每組學(xué)生都需要對全新的設(shè)備進(jìn)行控制，這也給學(xué)生帶來了新鮮感和挑戰(zhàn)度。將MATLAB軟件與實(shí)驗(yàn)平臺充分融合，有利于學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)理論與實(shí)際的聯(lián)系與區(qū)別，真正領(lǐng)悟到“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。

（三）虛擬仿真項(xiàng)目來助陣，真實(shí)場景很精彩

得益于虛擬仿真項(xiàng)目的開發(fā)和上線，學(xué)生有更多機(jī)會接近實(shí)際工廠，不僅有利于學(xué)生“身臨其境”地查看工廠產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，還能模擬工程師參與設(shè)備的調(diào)參與測試過程。在“過程控制系統(tǒng)”課程的授課過程中，教師引入了上海工程技術(shù)大學(xué)基于江中制藥智能工廠最新研發(fā)的“參靈草生產(chǎn)關(guān)鍵工藝控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺”。實(shí)驗(yàn)平臺以江中藥業(yè)股份有限公司校企合作為依托，以國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和藥物智能制劑與智能制造研究中心為基礎(chǔ)，在獲得上海市科技進(jìn)步三等獎的科研成果支撐下，將學(xué)科先進(jìn)科研成果用于項(xiàng)目的持續(xù)開發(fā)與更新。實(shí)驗(yàn)平臺利用現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)模擬江中制藥參靈草制劑生產(chǎn)過程的真實(shí)場景，使學(xué)生對整個中藥生產(chǎn)流程及過程控制原理有感性直觀的認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生熟悉中藥制藥過程，掌握參靈草制劑核心工藝流程、罐裝產(chǎn)線布局、過程控制參數(shù)整定及優(yōu)化，以及輸出曲線實(shí)現(xiàn)對優(yōu)化結(jié)果的分析與校驗(yàn)。這不僅有利于將傳統(tǒng)教學(xué)中的理論教學(xué)、案例教學(xué)延伸到實(shí)際工程背景下的真實(shí)場景中，也實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)由簡單向豐富、化理論為實(shí)用的轉(zhuǎn)變。在虛擬仿真項(xiàng)目中，教師通過虛實(shí)結(jié)合的引導(dǎo)模式、合理的實(shí)驗(yàn)框架，促使學(xué)生對知識點(diǎn)進(jìn)行整體把控。步驟簡潔、脈絡(luò)清晰的知識點(diǎn)設(shè)置，可引導(dǎo)學(xué)生主動分析和思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維意識。學(xué)與做相結(jié)合，有利于學(xué)生對知識的掌握更加牢固，為就業(yè)后在相關(guān)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)開展生產(chǎn)關(guān)鍵工藝相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

（四）高階系統(tǒng)大練兵，不止鉆研還得會創(chuàng)新

經(jīng)過前面3個階段的系統(tǒng)性訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)具有非常扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)操能力，可以在大設(shè)備上進(jìn)行練習(xí)，這對學(xué)生來說也是一次更高難度的挑戰(zhàn)。上海工程技術(shù)大學(xué)購置了一套高級多功能過程與控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)SMPT-1000，該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以某化工生產(chǎn)線工藝為例，包含反應(yīng)器、混合罐、閃蒸罐、冷凝罐和除氧罐等多個有序連接的不同工藝罐體，而為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，各罐體內(nèi)既要滿足不同的工藝要求，又要保證前后工藝的順利運(yùn)行。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對各罐體工藝特性的狀態(tài)監(jiān)測，還能通過西門子PLC 1200實(shí)現(xiàn)基于PROFIBUS-DP協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)時控制，而要實(shí)現(xiàn)控制，就需要考慮硬件組態(tài)通信和設(shè)計(jì)合適的控制策略，尋找到適宜的整定參數(shù)。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)還具備打分評價功能，可對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和控制效果進(jìn)行評分。若對工藝中的各罐體參數(shù)做出調(diào)整，且對控制效果提出新的要求，那么對控制策略也會提出更高要求，因此，該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的控制練習(xí)對于鍛煉學(xué)生的自學(xué)鉆研能力、動手實(shí)踐能力、抗挫耐壓能力、組織協(xié)調(diào)能力和綜合分析解決問題能力等都是很好的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制目標(biāo)，不只需要具備自動控

制、過程控制等相關(guān)理論知識，對于通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的知識儲備和實(shí)踐運(yùn)用能力也有要求，這對學(xué)生的探索精神、自學(xué)能力和融合應(yīng)用水平都提出了更高的期望。

“四階式”實(shí)踐教學(xué)方法不是簡單的4種方法的羅

列，而是在結(jié)合課程內(nèi)容和學(xué)生能力結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生夯實(shí)理論基礎(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)平臺上的實(shí)踐與驗(yàn)證讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際的區(qū)別，并能嘗試分析其原因；通過拓展實(shí)際應(yīng)用場景增強(qiáng)學(xué)生對理論在實(shí)踐中應(yīng)用的認(rèn)知，在解決復(fù)雜應(yīng)用場景中的實(shí)際問題的過程中進(jìn)一步提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使其在復(fù)雜項(xiàng)目中鍛煉項(xiàng)目管理能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力。嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的“四階式”實(shí)踐教學(xué)方法將“教育三問”貫穿始終，有計(jì)劃地逐步提高學(xué)生的綜合能力和工程素養(yǎng)。學(xué)生通過靈活多變的形式和豐富多樣的場景，對“過程控制系統(tǒng)”課程基礎(chǔ)知識的掌握與運(yùn)用也有了較深刻的認(rèn)識和理解。

五、結(jié)束語

文章針對“過程控制系統(tǒng)”課程中存在的實(shí)踐環(huán)節(jié)痛點(diǎn)，提出“四階式”實(shí)踐教學(xué)方法，即在課程中設(shè)計(jì)4種實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有不同的側(cè)重點(diǎn)，應(yīng)用場景不斷切換，難度也逐漸提高。學(xué)生通過不斷學(xué)習(xí)新知識，來漸進(jìn)式解決越來越有深度的問題，而在這個過程中，又反復(fù)用到課程中的專業(yè)知識，使學(xué)生對專業(yè)知識的理解和認(rèn)識不斷提升，并有機(jī)會創(chuàng)造出新的應(yīng)用領(lǐng)域?！斑^程控制系統(tǒng)”課程體現(xiàn)了高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步提升學(xué)生的專業(yè)技能，從而全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

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編輯∕陳晶