智能制造大賽引導(dǎo)下的過程控制課程改革實踐

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A DOI:10.16400/j.cnki.kjdk.2025.16.025

Practice of Process Control Course Reform Guided by Intelligent Manufacturing Competition

XU Chen， XIELi，TANG Ze

(School of Internet of Things Engineering，Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu )

AbstractThe article explores the teaching reform and practice of process controlcourses under the guidance of the Intelligent Manufacturing Competition (Siemens Cup China Intellgent Manufacturing Challenge). By analyzing the characteristics of the Intelligent Manufacturing Challenge and its implications for process control course teaching， a framework for theoretical teaching and experimental reform based on the Intelligent Manufacturing Competition is constructed.The results show that integrating the Inteligent Manufacturing Competition into processcontrol courses canenhance students'understandingoffoundational knowledgeand improve their practical skils.Additionally，the article elaborates on the applicationofthe SMPT-10 processcontrol system，used in the process-related segmentof the Intelligent Manufacturing Competition，in experimental teaching，and demonstrates the outcomes ofthereformed teachingapproach.The article provides new ideaand practical example for the reform of engineering education curricula， offering guidance for cultivating high-quality talent to meet the demands of intelligent manufacturing. Keywordsintelligent manufacturing competition; process control; teaching reform; SMPT-1000

在工業(yè)4.0背景下，智能制造已成為全球制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢。作為智能制造的核心技術(shù)之一，過程控制在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色[13]。然而，傳統(tǒng)的過程控制課程教學往往偏重理論知識的傳授，缺乏實踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對復(fù)合型人才的需求。在此背景下，探索過程控制課程教學模式改革，以提升學生的實踐能力和創(chuàng)新思維，成為當前工程教育領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

智能制造大賽(“西門子杯\"中國智能制造挑戰(zhàn)賽)作為一項全國性的大學生競賽，為過程控制課程教學改革提供了新的思路[45]。該賽事以實際工業(yè)問題為導(dǎo)向，要求學生綜合運用多學科的知識解決復(fù)雜的工程問題，與過程控制課程的教學目標高度契合。因此，探索將智能制造大賽融入過程控制課程教學改革，不僅能夠提高課程的教學質(zhì)量，還能為培養(yǎng)適應(yīng)智能制造需求的高素質(zhì)人才提供有力支撐。

文章旨在研究智能制造大賽引導(dǎo)下的過程控制課程教學改革與實踐。通過分析智能制造大賽的特點，研究基于該賽事的理論教學和實驗改革方案，并探討SMPT一1000在實驗教學中的應(yīng)用。改革后的教學效果說明了改革方案的成效，可為工程教育課程改革與實踐提供新思路。

1智能制造大賽簡介

智能制造大賽，即“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，是受教育部國際合作與交流司指導(dǎo)，由中國仿真學會和西門子（中國）有限公司聯(lián)合主辦的一項全國性的大學生科技競賽[6]。比賽內(nèi)容涵蓋工業(yè)自動化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造系統(tǒng)等多個方向，要求參賽隊伍綜合運用機械、電子、控制、計算機等多學科的知識，解決復(fù)雜的工程實際問題。賽事采用團隊競賽形式，每支隊伍由2一3名學生組成，在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下完成方案設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)等環(huán)節(jié)。

智能制造大賽的賽項設(shè)置充分體現(xiàn)了智能制造領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢和技術(shù)需求。目前，智能制造大賽主要設(shè)有以下幾個賽項：流程行業(yè)自動化、離散行業(yè)自動化（邏輯算法)、離散行業(yè)自動化（工程實踐)、離散行業(yè)運動控制、信息化網(wǎng)絡(luò)化、智能設(shè)備設(shè)計與數(shù)字孿生制造、自由探索等。其中，流程行業(yè)自動化賽項與過程控制課程的教學內(nèi)容最為相關(guān)，是文章重點關(guān)注的對象。

流程行業(yè)自動化賽項以生產(chǎn)過程的升級改造為背景，要求參賽隊伍設(shè)計并實現(xiàn)完整的控制系統(tǒng)。比賽內(nèi)容通常包括過程建模、控制方案設(shè)計、系統(tǒng)仿真和實際調(diào)試等環(huán)節(jié)，涵蓋了過程控制課程的核心知識點。例如，在某屆比賽中，參賽隊伍需要為一反應(yīng)工藝過程設(shè)計先進的控制策略，并利用現(xiàn)場提供的PLC等進行實現(xiàn)。這種基于實際工業(yè)場景的賽題設(shè)計，不僅考驗了學生的理論知識掌握程度，還要求他們具備解決復(fù)雜工程問題的能力。

2過程控制課程教學內(nèi)容及問題

2.1教學內(nèi)容

過程控制課程是自動化類專業(yè)的重要核心課程，其主要內(nèi)容包括過程控制系統(tǒng)的基本概念、建模方法、控制方案和系統(tǒng)設(shè)計等方面[8。具體而言，課程通常涵蓋以下幾個模塊：過程控制基礎(chǔ)知識、過程建模、常規(guī)控制策略、先進控制方案、控制系統(tǒng)綜合設(shè)計等。

在過程控制基礎(chǔ)知識模塊中，學生需要掌握過程控制系統(tǒng)的組成、分類和性能指標等基本概念。過程建模模塊則著重介紹如何利用機理分析和實驗方法建立過程模型。常規(guī)控制策略模塊主要講解PID控制原理及其參數(shù)整定方法，這是工業(yè)過程控制中最常用的控制方法。先進控制方案模塊則介紹了一些復(fù)雜的控制策略，如串級控制、前饋控制、選擇性控制等，這些方法在處理復(fù)雜工業(yè)過程時具有優(yōu)勢。最后，在控制系統(tǒng)綜合設(shè)計中，學生需要綜合運用所學知識，完成一個完整的過程控制系統(tǒng)設(shè)計。

2.2存在問題

① 理論與實踐脫節(jié)。傳統(tǒng)的教學過程過于注重理論知識的傳授，而忽視了實踐環(huán)節(jié)的重要性。學生雖然掌握了大量的理論知識，但缺乏將這些知識應(yīng)用于實際工程問題的能力。這種理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致學生在面對真實工業(yè)場景時往往感到無所適從。

② 教學方法和手段單一。傳統(tǒng)的教學過程以教師講授為主，學生被動接受知識，缺乏主動思考和創(chuàng)新的機會。這種單向的知識傳遞模式，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題的能力。此外，實驗教學環(huán)節(jié)往往局限于驗證性實驗，缺乏綜合性和設(shè)計性實驗，難以激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新潛能。

③ 考核評價體系不夠完善。目前的課程考核仍以期末考試為主，側(cè)重于對理論知識的考查，而忽視了對學生實踐能力和創(chuàng)新能力的評估。這種單一的考核方式，難以全面反映學生的綜合素質(zhì)，也不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

這些問題嚴重制約了過程控制課程的教學效果，也影響了學生畢業(yè)后適應(yīng)業(yè)界需求的能力。因此，亟須對過程控制課程進行改革，以培養(yǎng)適應(yīng)智能制造需求的高素質(zhì)人才。

3過程控制課程改革實踐

3.1基于智能制造大賽的理論教學改革

針對傳統(tǒng)過程控制課程教學中存在的問題，本部分結(jié)合智能制造大賽給出理論教學改革措施。在課程內(nèi)容方面，以智能制造大賽賽題為導(dǎo)向，對原有教學內(nèi)容進行重構(gòu)和更新。具體而言，增加先進控制方案、數(shù)據(jù)分析等與現(xiàn)代智能制造密切相關(guān)的內(nèi)容，刪減了一些過時或?qū)嵱眯圆粡姷膬?nèi)容。例如，教師在講解PID控制時，不僅介紹傳統(tǒng)的參數(shù)整定方法，還引入了基于人工智能的自整定算法，并結(jié)合智能制造大賽賽題中的實際案例進行講解。

課程教學中采用以問題為導(dǎo)向的教學模式。每章內(nèi)容都圍繞一個典型的智能制造大賽賽題展開，通過提出問題、分析問題、解決問題的過程，引導(dǎo)學生主動思考和探索。例如，教師在講解過程建模時，以某屆智能制造大賽流程行業(yè)自動化賽題中的鍋爐系統(tǒng)為例，引導(dǎo)學生分析系統(tǒng)特性、建立數(shù)學模型，并討論不同控制方案的優(yōu)缺點。這種基于實際問題的教學方式，不僅提高了學生的學習興趣，還培養(yǎng)了他們的工程思維能力。

引入案例教學法，將歷年智能制造大賽的優(yōu)秀作品作為教學案例。通過分析這些案例，學生可以了解如何將理論知識應(yīng)用于實際工程問題，學習優(yōu)秀團隊的問題解決思路和創(chuàng)新方法。同時，邀請智能制造大賽的獲獎團隊進行經(jīng)驗分享，讓學生近距離感受競賽氛圍，激發(fā)他們的參與熱情。

通過這些改革措施，可將智能制造大賽的競賽元素融入理論教學，不僅更新了課程內(nèi)容，還創(chuàng)新了教學方法，有

科教導(dǎo)刊

效提高了學生的學習興趣和實踐能力。

3.2基于智能制造大賽的實驗與設(shè)計改革

在實驗教學方面，課程組以智能制造大賽為導(dǎo)向，對傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容和方法進行改革。首先，引入了SMPT一1000高級過程控制實驗系統(tǒng)[9-10]，該系統(tǒng)能夠模擬多種工業(yè)過程，如鍋爐系統(tǒng)、換熱器系統(tǒng)等，為學生提供了一個接近真實的工業(yè)控制環(huán)境。通過SMPT一1000，學生可以進行從過程建模、控制器設(shè)計、控制方案選擇到系統(tǒng)調(diào)試的完整實驗，大大提高了實驗教學的實踐性和綜合性。

在實驗內(nèi)容設(shè)計上，課程組參考智能制造大賽賽題，開發(fā)了一系列綜合性實驗項目。例如，設(shè)計一個基于SMPT一1000的鍋爐控制實驗，要求學生完成從系統(tǒng)辨識、PID參數(shù)整定到先進控制策略設(shè)計的全過程。這個實驗不僅涵蓋了過程控制課程的核心知識點，還要求學生綜合運用MATLAB、Simulink、PLC等工具進行仿真和優(yōu)化。通過這樣的實驗，學生能夠深入理解理論知識在實際工程中的應(yīng)用，提高解決復(fù)雜問題的能力。

在綜合設(shè)計環(huán)節(jié)，課程組采用智能制造大賽模式，要求學生以團隊形式完成一個完整的過程控制系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計題目通常來源于實際工業(yè)問題，如某化工廠的反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計。學生需要完成從需求分析、方案設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)到性能評估的全過程，并提交詳細的設(shè)計報告和演示視頻。這個環(huán)節(jié)不僅檢驗了學生的理論知識掌握程度，還全面培養(yǎng)了他們的工程實踐能力和項目管理能力。

通過這些改革措施，過程控制課程實驗教學實現(xiàn)了從驗證性實驗向綜合性、設(shè)計性實驗的轉(zhuǎn)變，大大提高了學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。許多參與過這些實驗和綜合設(shè)計的學生在后來的智能制造大賽比賽中都取得了優(yōu)異的成績，充分證明了這些改革措施的有效性。

3.3實踐改革成果

基于智能制造大賽的過程控制課程實踐改革取得了顯著的成果。首先，在學生學習效果方面，對比改革前后的課程考核成績和學生反饋，學生的理論知識掌握程度和實踐能力都有了明顯提升。特別是在綜合設(shè)計環(huán)節(jié)，學生提交的報告質(zhì)量顯著提高，許多報告展現(xiàn)出了創(chuàng)新性和實用性。例如，有學生團隊設(shè)計了一種基于深度學習的控制方法，取得了優(yōu)于傳統(tǒng)方法的性能。

其次，在競賽成績方面，學生在智能制造大賽中表現(xiàn)突出。過去三年中，學校參賽隊伍在流程行業(yè)自動化賽項中獲得了3個國家級獎項以及10余個省級獎項。這些成績的取得充分證明了文章研究的教學改革方案可有效提升學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。許多獲獎學生表示，課程中的綜合性實驗和項目設(shè)計為他們參加比賽打下了堅實的基礎(chǔ)，使他們能夠更好地應(yīng)對比賽中的各種挑戰(zhàn)。

4結(jié)語

文章通過將智能制造大賽引入過程控制課程教學改革，探索了一條培養(yǎng)適應(yīng)智能制造需求的復(fù)合型人才的有效路徑。研究表明，基于智能制造大賽的理論教學改革和實驗創(chuàng)新，不僅更新了課程內(nèi)容，創(chuàng)新了教學方法，還顯著提升了學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。SMPT一1000過程控制仿真系統(tǒng)的引入和綜合性實驗項目的設(shè)計，為學生提供了接近真實的工業(yè)控制環(huán)境，有效培養(yǎng)了他們的工程實踐能力。改革后的課程教學取得了顯著成果，不僅提高了學生的學習效果和競賽成績，還增強了他們在就業(yè)和深造中的競爭力。

★基金項目：江南大學本科教育教學改革研究項目“智能制造大賽引導(dǎo)下過程控制課程與勞動教育研究實踐”（JG2023049）；國家自然科學基金資助項目“基于變分貝葉斯和強化學習的聯(lián)合估計方法及應(yīng)用”(62103167)。

參考文獻

[1]周濟.智能制造—“中國制造2025\"的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26(17):2273-2284.

[2]張宏博，吳璇，馬冬妍.新型工業(yè)化背景下我國智能制造發(fā)展模式研究[J].制造業(yè)自動化，2024.46（11)：1-8

[3]馮柯.淺析國內(nèi)外智能制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技與創(chuàng)新，2024(16):68-70.

[4]李雪麗，靳繼勇.基于智能制造挑戰(zhàn)賽的工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)探索[J].機械工程師，2023(11):15-17.

[5]高哲.電氣工程專業(yè)學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)研究——以西門子杯中國智能制造挑戰(zhàn)賽為例[J].就業(yè)與保障，2021(2):63-64.

[6]張貝克，元娜，張昕，等.“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽倡導(dǎo)的理念[J].自動化博覽，2018，35(8)：16-21.

[7]萬里光，劉金華，葉夢君，等.西門子杯中國智能制造挑戰(zhàn)賽在技術(shù)型人才培養(yǎng)中的探索與實踐[J].湖北師范大學學報(自然科學版)，2018，38(1):91-95.

[8]徐琛，謝莉，陶洪峰.關(guān)于過程控制系統(tǒng)課程的線上教學方式探討[J].科教文匯，2021(15):83-85.

[9]茹雪艷，薛大為，楊春蘭，等.基于SMPT-1000 的過控全流程仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].齊齊哈爾大學學報(自然科學版)，2023，39(2)：11-18.

[10]張斌.基于PCS7與SMPT-1000的連續(xù)過程控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2024，37(7):61-63，66.