基于工程能力培養(yǎng)的“過程控制系統(tǒng)”實驗教學改革

收稿日期：2023-09-11

基金項目：2022年度蚌埠學院一般教育教學改革研究項目（2022jyxm9）；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（S202111305138）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.036

摘? 要：為更好地培養(yǎng)學生的工程能力，更好地落實教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，針對“過程控制系統(tǒng)”的實驗課程目前無法充分培養(yǎng)學生工程能力的現(xiàn)狀，對“過程控制系統(tǒng)”實驗課程的教學方法進行改革并應用到實際的實驗課程教學過程中。5年的實踐結(jié)果表明，“過程控制系統(tǒng)”實驗教學改革取得了良好的效果，學生取得該領域國家級學科競賽一等獎1項、二等獎1項，省部級獎項12項。改革培養(yǎng)了學生工程能力，響應了教育部的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”。

關(guān)鍵詞：工程能力；過程控制系統(tǒng)；教學改革；卓越工程師

中圖分類號：TP39；G642? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）07-0184-05

Experimental Teaching Reform of“Process Control System”Based on

Engineering Ability Training

RU Xueyan

（School of Electronic and Electrical Engineering， Bengbu University， Bengbu? 233030， China）

Abstract： In order to better cultivate students' engineering ability and implement the“Outstanding Engineer Education and Training Program”of the Ministry of Education， in view of the current situation that the“process control system”experimental course cannot fully cultivate students' engineering ability， the teaching method of“process control system”experimental course is reformed and applied to the actual experimental course teaching process. After 5 years of practice， the results show that experimental teaching reform of“process control system”has achieved good results， and students have won 1 first prize， 1 second prize in national discipline competitions and 14 provincial and ministerial awards in this field. The reform has cultivated students' engineering abilities and responded to the Ministry of Education's“Outstanding Engineer Education and Training Plan”.

Keywords： engineering ability; process control system; teaching reform; outstanding engineer

0? 引? 言

我國高等教育旨在培養(yǎng)具有較強實踐能力和創(chuàng)新精神的人才[1]，近年來，教育部強調(diào)高等學校的教育要加強對學生工程能力的培養(yǎng)，并對實驗課程提出了更高培養(yǎng)的目標[2]?！斑^程控制系統(tǒng)”實驗課程是控制類專業(yè)重要的實踐性教育環(huán)節(jié)，課程強調(diào)工程觀點，是培養(yǎng)學生工程能力的重要課程。以往的“過程控制系統(tǒng)”的采用傳統(tǒng)水槽開展實驗課程的教學，學生只能對“過程控制系統(tǒng)”的理論學習內(nèi)容進行簡單的認知，這種實驗教學方式已經(jīng)不能滿足新形勢下對控制類專業(yè)學生培養(yǎng)的要求。然而，由于過程控制系統(tǒng)中的工業(yè)流程往往具有高溫、高壓的特點，并且具有較強的非線性單元，過程相對復雜[3，4]。因此，對“過程控制系統(tǒng)”課程的實驗教學內(nèi)容、教學方法和課程考評體系進行研究和改革十分必要。

1? 教學現(xiàn)狀

目前，蚌埠學院“過程控制系統(tǒng)”課內(nèi)教學時數(shù)為48學時，其中課堂講授38學時，實驗10學時，實驗課程所占比重超過20%，所占課程比重較大。然而多數(shù)“過程控制系統(tǒng)”實驗課程均為驗證性實驗，無法有效提升學生的工程能力[5]。對“過程控制系統(tǒng)”實驗課程而言，具有工程背景的設計性實驗項目基本處于空白狀態(tài)[6]。

2? 教學改革方法

2.1? 更新教學內(nèi)容

過程控制系統(tǒng)教學內(nèi)容繁雜，學生對理解理論知識并加以運用的能力欠缺，通過在“過程控制系統(tǒng)”實驗教學中引入WinCC監(jiān)控畫面和仿真技術(shù)，動態(tài)的畫面可以增加學生的學習興趣，引導學生使用現(xiàn)代工具開展學習，可以打破實驗設備和進入實驗室的時間限制，提高學習效率，增強學生學習的樂趣與自信心，進一步培養(yǎng)學生的學習能力和工程能力。

2.1.1? 動畫圖形更加豐富

教學內(nèi)容現(xiàn)代化，形式跟上時代的發(fā)展，通過“過程控制系統(tǒng)”實驗課程，培養(yǎng)學生工程能力。例如，為了使學生更直觀理解流量、液位、溫度、壓力等參數(shù)的動態(tài)變化情況，在教學過程中加入WinCC監(jiān)控畫面，實現(xiàn)連續(xù)過程控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)，所設計監(jiān)控主界面如圖1所示。監(jiān)控主界面能夠直觀的顯示混合罐、反應罐以及閃蒸罐等主要設備的實時運行情況，并能夠?qū)ο到y(tǒng)進行安全監(jiān)控等。

2.1.2? 引入計算機仿真技術(shù)

過程控制系統(tǒng)的特點是需要利用控制理論對系統(tǒng)進行定量或定性的分析，為使學生理解所學內(nèi)容，引入計算機仿真技術(shù)[7]，使用PCS7集成的結(jié)構(gòu)化控制語言（SCL）設計單神經(jīng)元自適應PSD控制器對閃蒸罐壓力進行實驗。運用計算機仿真技術(shù)，將過程控制系統(tǒng)中裝置的特性用數(shù)字化手段再現(xiàn)?？梢杂糜诳刂茖ο蟮奶匦苑治?、控制方案設計、系統(tǒng)實施、優(yōu)化調(diào)度、節(jié)能減排等多專業(yè)復合型實驗教學。此外，過程控制系統(tǒng)中的實驗對象特性與實際工業(yè)裝置相吻合，具有多種信號，并具有以太網(wǎng)通信、Profibus-DP等不同的通信方式，幾十個不同的檢測點等，學生自由地設計“過程控制系統(tǒng)”中的實驗內(nèi)容、探索不同的控制算法，真正實現(xiàn)新工科對“多學科交叉復合知識”“復雜工程問題解決能力”“創(chuàng)新能力”等培養(yǎng)要求。啟動SMPT-1000，對閃蒸罐（圖1中V102）壓力控制系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定，部分代碼及調(diào)試界面如圖2所示，實時響應曲線如圖3所示。

2.2? 改革教學方法

2.2.1? 采用引導式教學法

“過程控制系統(tǒng)”實驗課程實踐性很強，內(nèi)容枯燥且難于理解，導致部分學生學習積極性不高，在教學過程中采用引導式教學方法，通過具體案例來加深學生對課程內(nèi)容的理解。例如，在講解“單回路控制系統(tǒng)”時，如圖4所示，以“鍋爐水位控制系統(tǒng)”為例，由手動控制系統(tǒng)引出“單回路控制系統(tǒng)”的構(gòu)成、各部分作用和設計原則等。將傳感器、變送器類比為研究，將控制器類比為大腦，將執(zhí)行器類比為雙手，使學生理解抽象的過程控制系統(tǒng)的術(shù)語，在頭腦中構(gòu)建系統(tǒng)的整體概念。

2.2.2? 充分發(fā)揮第二課堂學科活動的作用

采用項目引導和興趣驅(qū)動的方法，建立過程控制創(chuàng)新協(xié)會、電子科技創(chuàng)新協(xié)會等，加強學生與老師之間以及學生之間的溝通交流，逐步形成學習的體系，發(fā)揮“傳幫帶”的作用。實驗室具有開放學習機制，在授課教師發(fā)卡后，學生經(jīng)預約可以隨時進入實驗室進行第二課堂的學習，這也為學生做拓展學習開了綠燈。實驗室兼具“過程控制系統(tǒng)”的教學設備與服務于學生科學研究的設備，拓寬了學生學習的范圍，對于不同水平的學生，可以選擇不同的設備加以練習，從多個層面培養(yǎng)學生的工程能力。

2.3? 開發(fā)學科競賽、工程設計應用與課程實踐教學相融合的創(chuàng)新性實踐

以具體實驗項目為載體，并結(jié)合開發(fā)學科競賽與課程實踐教學相融合的創(chuàng)新性實踐，使學生在實際操作中進行理論知識的運用[8]。在實踐過程中提高學生工程能力，樹立以學生主體能力培養(yǎng)為中心的教學觀念，不同層次的學生可以選擇不同的實踐內(nèi)容。教學過程中以學生為中心、注重對學生學習積極性的調(diào)動是關(guān)鍵。在實踐教學環(huán)節(jié)中，將過程控制系統(tǒng)的理論和實踐相結(jié)合，并將部分實踐環(huán)節(jié)以視頻的方式呈現(xiàn)，建立線上學習資源庫，學生能利用課余時間去學習和鞏固知識，對所用到的理論知識進行匯總。在鞏固其理論知識的同時，達到依托過程控制系統(tǒng)實驗課程培養(yǎng)學生的工程應用能力。通過組織學生參加“過程控制系統(tǒng)”課程相關(guān)的學科競賽，如“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽以及“大學生創(chuàng)新訓練計劃”等相關(guān)的科技研究活動，進一步實現(xiàn)依托過程控制系統(tǒng)實驗課程為，培養(yǎng)學生工程能力[7，8]。

2.4? 改革實驗教學體系

2.4.1? 改革實驗項目

為進一步培養(yǎng)學生的工程能力，需要改進原有的“過程控制系統(tǒng)”實驗教學內(nèi)容。依據(jù)過程控制行業(yè)對當代人才的需求，我們將探索實驗課程與學科競賽內(nèi)容相融合的“過程控制系統(tǒng)”實驗教學模式[6]。針對不同層次的學生制定不同的實踐課程內(nèi)容，不斷豐富和改進實驗教學模塊。

培養(yǎng)學生工程能力需依托現(xiàn)有實驗室條件進行，以我校目前有SMPT-1000高級多功能過程與控制實訓系統(tǒng)，為培養(yǎng)學生的工程能力，將實驗項目分為驗證性實驗和設計性實驗。SMPT-1000鍋爐包括4個基本單元：除氧器單元、爐膛單元、減溫器單元和汽包單元，有21個模擬量和6個開關(guān)量檢測點，此外還有9個調(diào)節(jié)閥、5個開關(guān)閥、2臺泵和1臺壓縮機的執(zhí)行機構(gòu)以及動設備[9]。改革后的“過程控制系統(tǒng)”實驗項目包括10個學時，其中利用2個學時完成基礎的驗證性實驗。完成驗證性實驗后，用剩余的8個學時完成“過程控制系統(tǒng)”的設計性實驗，該部分實驗具有一定的過工程背景，能夠培養(yǎng)學生工程能力，過程控制系統(tǒng)”改革后的實驗課程教學內(nèi)容如表1所示。

改革后的“過程控制系統(tǒng)”實驗內(nèi)容由易到難，由點到面，共分為5個模型。對于驗證性實驗學生可以自由的在單容水箱特性的測試和鍋爐內(nèi)膽特性測試兩個驗證性實驗選擇一個進行操作，增加了學生學習的自主權(quán)和自由度。驗證性實驗旨在幫助學生了解“過程控制系統(tǒng)”實驗裝置的使用方法，訓練學生在過程控制系統(tǒng)實驗課程學習中的基本實踐能力，為后面即將開展的設計性實驗夯實基礎。設計性試驗共分為4個模塊，學生所選的實驗項目必須覆蓋所有的模塊，在每個模塊中有2～3個具體的實驗項目，學生可以自由選擇對應模塊中的其中一個實驗內(nèi)容展開學習。

為了進一步提高學生的工程能力，對于完成“過程控制系統(tǒng)”10個實驗內(nèi)容后還學有余力的學生，指導其參加相關(guān)國/省/校級學科競賽、申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、參與教師科研項目、撰寫論文申請專利等。對“過程控制系統(tǒng)”實驗課程建立以“基礎訓練級、提高級和創(chuàng)新實踐級”為架構(gòu)的3層次實踐教學平臺體系，如圖5所示。

2.4.2? 改革實驗教學考核方式

課程考核方式很大程度上決定了學生的學習方式[10，11]。培養(yǎng)學生的工程能力必須建立相應的課程考核方式。“過程控制系統(tǒng)”實驗課程改革后的考核內(nèi)容包括課前的預習設計、實驗過程中的操作情況、實驗能力、測試的試驗結(jié)果和提交的實驗報告撰寫情況，共5環(huán)節(jié)。重在實驗操作過程，全面評定總成績。各環(huán)節(jié)所占實驗課總成績比例如表2所示。

3? 過程控制系統(tǒng)實驗教學改革效果

通過對“過程控制系統(tǒng)”實驗課程的教學改革，使學生更全面的掌握了先進的過程控制技術(shù)，全面培養(yǎng)了學生的工程概念和能力，人才培養(yǎng)質(zhì)量顯著提高。在完成課程教學改革的基礎上，指導學生在參加具備工程背景的學科競賽，如教育部2021年第十五屆“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽流程行業(yè)自動化（過程控制）賽項，參賽學生以本科組第一名的成績獲國家級一等獎。2019年指導學生首次參加“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽流程行業(yè)自動化賽項，獲得國家級二等獎。實踐結(jié)果表明，對“過程控制系統(tǒng)”實驗課程進行改革達到了培養(yǎng)學生工程能力的目的，落實了教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，2019年至2023年學生參加“西門子”杯中國智能制造挑戰(zhàn)賽（過程控制賽項）獲獎情況如表3所示。

4? 結(jié)? 論

“過程控制系統(tǒng)”實驗是培養(yǎng)控制類專業(yè)學生工程能力非常重要的實踐性教育環(huán)節(jié)，課程強調(diào)工程觀點。近年來，教育部強調(diào)高等學校的教育要加強對學生工程能力的培養(yǎng)，并對實驗課程提出了更高培養(yǎng)的目標。傳統(tǒng)水槽等小型實物裝置只能進行一些簡單的認知實驗，已經(jīng)無法滿足當前新形勢下對控制類專業(yè)學生培養(yǎng)的要求。通過對“過程控制系統(tǒng)”實驗課程的進行改革，首先在教學過程中豐富動畫圖形，添加現(xiàn)場監(jiān)控畫面并引入計算機仿真技術(shù)，增加學生對論知識的理解并加以運用的能力。第二，采用引導式教學法并充分發(fā)揮第二課堂的作用。第三開發(fā)學科競賽、工程設計應用與課程實踐教學相融合的創(chuàng)新性實踐，積極地將先進的、目前科研和企業(yè)急需的軟硬件技術(shù)引入課程實踐中，進一步實現(xiàn)依托過程控制系統(tǒng)實驗課程，培養(yǎng)學生工程能力。第四，改革實驗項目和考核方式，針對不同層次的學生制定不同的實踐課程學習內(nèi)容，不斷豐富和改進實驗教學模塊。經(jīng)5年的實踐探索，“過程控制系統(tǒng)”實驗教學改革取得了良好的效果，可以更好的全面培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和工程能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力的“卓越工程師”。

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作者簡介：茹雪艷（1991—），女，漢族，安徽蚌埠人，講師，碩士研究生，研究方向：自動化控制技術(shù)。