基于工程教育認證標準的過程控制儀表及裝置實驗教學改革

張繼研 劉濤 郝首霖 吳振宇

摘? 要：過程控制儀表及裝置實驗是高校自動化專業(yè)過程控制方向的主要教學課程之一，在控制工程課程教學體系中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，綜合性強，是培養(yǎng)解決工程實際問題能力的重要實踐環(huán)節(jié)。近年來，國際工程教育專業(yè)認證對高校實踐類課程提出新要求，教學團隊根據(jù)認證標準進行深入的教學改革，分析改革后應(yīng)實現(xiàn)的教學目標，提出新的教改方案和教學模式，并且改進教學方法，大力建設(shè)實驗資源和提高教學隊伍水平，由此取得明顯的教學成果。

關(guān)鍵詞：控制儀表；裝置實驗；教學改革；工程教育認證；創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）25-0142-04

Abstract： Process Control Instrument and Device Experiment is one of the main courses in the process control direction of automation major in universities. This course plays a key role of connecting linkin the course system of control engineering， which has strong comprehensiveness and functions as an important exercise step for cultivating the ability to solve practical engineering problems. In recent years， the accrediting standards of international engineering education have put forward new requirements for practice courses in universities. According to these accrediting standards， our teaching group has carried out further teaching reform. We have analysed the teaching goals that should be achieved after the reform， proposed a new teaching reform scheme and teaching mode， and improved the teaching methods. Meanwhile， the experimental resources have been largely built and the teaching levels of our group have been substantially improves. Consequently， obvious teaching achievements are acquired.

Keywords： process control instrument; device experiment; teaching reform; engineering education certification; innovation practice

國際工程教育專業(yè)認證標準是與國際接軌的高等學校工程類專業(yè)的評估標準，通過該認證是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的基礎(chǔ)[1-3]。我國工程教育認證始于2006年，并于2016年6月加入國際工程教育認證《華盛頓協(xié)議》體系，以工程認證標準主導的教學改革和人才培養(yǎng)新模式現(xiàn)已在很多高校積極開展[4-6]。

目前已有一些高校自動化專業(yè)通過了工程教育認證，逐步落實了“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的專業(yè)認證理念[7]。

過程控制儀表及裝置實驗是自動化類專業(yè)過程控制方向的主干課程，先修課包括模擬電子線路、數(shù)字電路、自控原理、計算機組成原理和檢測技術(shù)及儀表等專業(yè)基礎(chǔ)課；后續(xù)課程包括過程控制工程、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計、先進控制技術(shù)、可編程控制器課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等，在自動化專業(yè)過程控制方向教學體系中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，是培養(yǎng)學生解決過程控制工程實際問題能力的重要一環(huán)。教學團隊根據(jù)國際工程教育認證標準及自動化專業(yè)修訂的培養(yǎng)計劃，對該課程設(shè)計新的教學目標，創(chuàng)新教學改革方案，擴充教學手段，并且持續(xù)改進教學反饋機制，取得一些較好的效果，希望能促進教學同仁提高相關(guān)實驗課程的教學質(zhì)量。

一? 面向工程認證的新教學目標

過程控制儀表及裝置實驗課程從自動控制系統(tǒng)構(gòu)成的角度出發(fā)，讓學生了解各種常用控制儀表（如調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、配電器和安全柵等）的功能、特性、選用、安裝、設(shè)置及控制系統(tǒng)構(gòu)成方法。

傳統(tǒng)實驗教學以教師的講授、演示、檢查和手把手指導為主，學生按照預設(shè)實驗步驟進行操作，不利于調(diào)動學生的學習積極性。為了解決傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題，教學團隊圍繞工程認證“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的核心理念，對標控制學院自動化專業(yè)教學委員會制定的新培養(yǎng)方案，設(shè)計和補充了過程控制儀表及裝置實驗應(yīng)達到的教學目標。

工程知識：掌握描述和分析自動化復雜工程問題的工程基礎(chǔ)知識和自動化專業(yè)知識。

問題分析：能夠進行文獻查閱，會運用基本原理，分析影響自動化系統(tǒng)性能的因素，并獲得有效結(jié)論。

使用現(xiàn)代工具：了解自動化專業(yè)常用的現(xiàn)代儀器、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，能夠針對特定自動化工程對象，選用滿足特定需求的工具，模擬自動化專業(yè)問題。

設(shè)計解決方案：能夠針對特定自動化系統(tǒng)需求，完成硬件電路，軟件程序、控制器、執(zhí)行器等單元（部件）的設(shè)計。

動手能力：能夠根據(jù)自動化工程對象特征，設(shè)計實驗方案、構(gòu)建實驗系統(tǒng)，并安全地開展實驗，正確地采集實驗數(shù)據(jù)，最終對實驗結(jié)果進行分析和解釋。

思政與職業(yè)道德：理解自動化工程師對科教興國、社會安全、人民健康及環(huán)境保護責任，能夠在工程實踐中自覺履行職責。

個人履職與團隊協(xié)作：能夠在團隊中獨立工作，并且能與團隊成員合作開展工作。

二? 圍繞創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教改方案

為了實現(xiàn)以上教學目標，提升控制儀表及裝置實驗課程的“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，使其符合國際工程教育認證的標準，教學團隊提出了“漸進式、分層次”教學模式，設(shè)計了一套創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學方案，大力建設(shè)配套的實驗平臺和實習基地，豐富配套實驗教學資源和教學手段，通過一系列措施充分調(diào)動學生的專業(yè)學習興趣和培養(yǎng)自主學習能力[8]。

（一）? “漸進式、分層次”教學模式

針對上述7個教學目標將教學內(nèi)容進行統(tǒng)一規(guī)劃，提出了“漸進式、分層次”的教學模式，不僅夯實過程控制儀表基本應(yīng)用知識，而且增加了設(shè)計型實驗、綜合型實驗的比例。該教學模式與教學目標的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

在基礎(chǔ)實驗層級加強學生掌握相關(guān)工程知識，以及應(yīng)用所學知識分析工控實際問題的能力；在設(shè)計型實驗層級，注重鍛煉學生使用工控技術(shù)軟件和硬件，以及設(shè)計控制系統(tǒng)的能力；在綜合型實驗層級，著重培養(yǎng)學生從實驗方案設(shè)計，到實驗系統(tǒng)構(gòu)建，再到實驗開展、數(shù)據(jù)采集與分析的綜合能力；在開展實驗課程的全過程中，注重培養(yǎng)學生作為自動化工程師的思想品德和職業(yè)素質(zhì)，分小組開展實驗鍛煉學生的團隊合作與溝通能力。

（二）? 創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教學內(nèi)容設(shè)計

為了使課程符合國際工程教育認證的評價標準，圍繞新的教學目標和教學模式，設(shè)計了一套創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學方案，見表1。

表1中給出了過程控制儀表及裝置實驗的實驗項目、具體內(nèi)容及其對應(yīng)的課程目標。在實驗內(nèi)容設(shè)置方面持續(xù)改進，引入先進控制儀表及裝置設(shè)計和應(yīng)用方法[9]，使實驗內(nèi)容緊跟自動化發(fā)展前沿，摒棄了傳統(tǒng)實驗以“驗證”為主的教學設(shè)計，增加了設(shè)計型、綜合型實驗的比重。例如，在調(diào)節(jié)閥流量特性實驗中，給學生提供必要的編程工具及儀表[10]，鼓勵學生自己設(shè)計實驗方案實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥理想特性和工作特性的測試；增加了總線控制系統(tǒng)的設(shè)計與組態(tài)實驗，使學生了解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、學習現(xiàn)場總線儀表、掌握總線儀表控制系統(tǒng)的構(gòu)成方法并實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件組態(tài)及軟件管理；開發(fā)了基于力控組態(tài)軟件的系統(tǒng)設(shè)計實驗，讓學生學習到組態(tài)軟件的使用方法，能夠以簡單PID控制系統(tǒng)設(shè)計為例親自動手開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)；開發(fā)了單回路控制系統(tǒng)設(shè)計與投運實驗，該實驗提供各類常見檢測儀表、控制儀表及工程工具，讓學生在此基礎(chǔ)上進行單回路控制系統(tǒng)設(shè)計、硬件選型、系統(tǒng)連接、上位機監(jiān)控畫面開發(fā)，完成對水箱液位的控制。在保證設(shè)備和人身安全的前提下，鼓勵和支持學生自主進行實驗設(shè)計、系統(tǒng)開發(fā)、儀表選型，想方設(shè)法調(diào)動起學生的主觀能動性和專業(yè)興趣。

（三）? 改進教學方法

上述改革后的教學方案提升了課程的“創(chuàng)新性、高階性、挑戰(zhàn)度”，促使學生必須“跳跳腳”才能夠取得好成績。然而為了取得好的教學效果，只靠16學時的實驗時間是遠遠不夠的，必須改進教學方法，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)等，給學生提供生動豐富的教學資源，實現(xiàn)“課堂翻轉(zhuǎn)”。

1? 開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)

針對圖2所示的過程控制綜合實驗平臺開發(fā)了虛擬實驗系統(tǒng)。

過程控制儀表及裝置實驗課程的主要內(nèi)容利用此平臺開展，該實驗平臺有4套三級水箱實驗裝置。為了克服傳統(tǒng)實驗教學安排受實驗時間、場地的限制，并且不便于開展設(shè)計型實驗、綜合型實驗的問題，教學團隊成員采用VRML語言、Autodesk 3D Max、Unity 3D等手段，開發(fā)了生動逼真的虛擬實驗場景，如圖3所示。

該虛擬實驗場景使學生對實驗環(huán)境、實驗裝置、各類儀表有了直觀認識，有助于對實驗內(nèi)容及實驗步驟的掌握；在虛擬實驗系統(tǒng)中可以觀看實驗操作的演示，提高現(xiàn)場實驗的效率。

2? 線上-線下結(jié)合的教學模式

采用線上-線下結(jié)合的教學模式，團隊教師為每個實驗項目錄制了教學視頻、要求學生課前預習并完成預習思考題。同時，提供相關(guān)的慕課資源、技術(shù)資料等學習資源，方便學生在線進行自主學習。

利用騰訊課堂，開展部分實驗的線上教學。例如對于實驗六：組態(tài)軟件應(yīng)用與PID運算規(guī)律實現(xiàn)的教學內(nèi)容，如圖4所示。

3? “以賽促教”激勵創(chuàng)新

在教學中選拔實踐能力強、專業(yè)興趣濃厚、有創(chuàng)新思維的學生參加科創(chuàng)競賽，如“全國大學生自動化系統(tǒng)應(yīng)用大賽”“全國工業(yè)智能大賽”等自動化專業(yè)頂級競賽，鼓勵將取得的成績替代部分對應(yīng)實驗內(nèi)容的學時和考核成績。通過科創(chuàng)競賽對抗性強、難度大、綜合程度高的特點，更加激發(fā)學生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新思維，鍛煉學生的專業(yè)綜合實踐能力。

通過實施以上教學方法推動學生“自主學習”，將教學轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W生為中心”，達到鍛煉綜合能力、啟發(fā)創(chuàng)新思維的目的。

三? 實驗平臺及教學隊伍建設(shè)

為了契合工程教育專業(yè)認證的人才培養(yǎng)標準，達到教學改革的目標，團隊持續(xù)進行了優(yōu)質(zhì)實驗平臺建設(shè)和高水平實驗教師隊伍建設(shè)。

在原教研室自主研發(fā)的4套過程控制綜合實驗裝置的基礎(chǔ)上持續(xù)更新了傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和記錄儀等各類儀表及裝置，逐步建設(shè)了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的過程控制綜合實驗平臺，如圖5所示。

該平臺不僅可供本科實驗使用，也可作為團隊教師及研究生的科研實驗平臺；與羅克韋爾公司、西門子公司、力控元通科技有限公司和大工計控公司等國內(nèi)外知名工控企業(yè)進行校企合作，建設(shè)了自動化專業(yè)科創(chuàng)實踐平臺，為過程控制方向的綜合創(chuàng)新實踐項目、科創(chuàng)競賽、科研活動提供了充足的硬件平臺和教學資源。

同時，重視實驗師資隊伍建設(shè)，鼓勵理論課教師參與實驗教學指導，定期組織理論課與實驗課教師共同討論實驗教學方法和經(jīng)驗，及時對實驗內(nèi)容與教學方法進行改進；近五年連續(xù)組織教師到哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、浙江大學等自動化專業(yè)高水平院校的自動化實驗室進行調(diào)研、學習和交流；積極支持教學團隊成員參加高校教學培訓和自動化專業(yè)教學研討會議，通過一系列獎勵舉措和激勵機制提高整個教學團隊的教學水平和工作積極性。

四? 近年取得的教學成果

通過實施教改，近年來取得了較為顯著的教學成果。

改革后的課程為我們學院自動化專業(yè)三次通過國際工程教育專業(yè)認證，以及2020年獲批國家一流專業(yè)建設(shè)點，提供了實踐教學環(huán)節(jié)的有力支撐。

為教學團隊主講的過程控制工程課程獲評2021年遼寧省一流線下課，提供了實驗教學方面的堅實支持。

教學團隊教改成果“自動化類專業(yè)過程控制工程課程體系教學改革與創(chuàng)新實踐”榮獲中國自動化學會2021年高等教育教學成果二等獎。

本文第一作者和教學團隊成員采用創(chuàng)新的教學方案，2017—2018連續(xù)指導本科生參加自動化專業(yè)頂級競賽，榮獲2017年、2018年“AB杯”全國大學生自動化系統(tǒng)應(yīng)用大賽全國一等獎、2019年的全國特等獎，2021年中國工業(yè)智能大賽全國二等獎。

五? 結(jié)束語

為了契合國際工程教育專業(yè)認證的標準，高校的過程控制儀表及裝置實驗的教學改革勢在必行。本文針對該課程提出了一種新的教改方案，介紹了實驗教學創(chuàng)新模式，改進了教學方法，總結(jié)了近年來教改取得的顯著效果，為面向工程認證的課程建設(shè)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了可參考的經(jīng)驗方法。

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