“過程控制”課程教學的優化策略

龔曉峰 雒瑞森 楊馳

[摘 要] 我國已經進入了“工業4.0”時代，自動化專業培養的人才面臨機遇和挑戰，因此從教學方法、教學內容、教學形式、實驗內容和課程設計等幾方面入手，提出了開展“專題講座”“翻轉課堂”“案例討論”等新穎的教學模式，對自動化專業的核心課程“過程控制”進行課程改革和創新，鍛煉了學生的動手能力和自主學習能力，培養了學生的工程設計能力，同時開拓了學生的視野，取得了較好的成效。

[關鍵詞] 工業4.0;教學模式;課程改革

一、引言

工信部強調的《中國制造2025》的主要內容表明了互聯網與傳統工業的融合發展，意味著中國正在步入“工業4.0”的時代。面對工業互聯網這一新的發展形態，自動化專業作為大學本科開設的工科類專業之一，更需要積極順應國家發展的需求，加強學生對自動化專業課程的學習，這不僅要強調實踐與理論的結合，使學生既要學懂也要會做，還要求提高學生的綜合素質能力，包括創新能力、適應新環境的能力和團隊合作能力，為社會輸送高質量的工程技術人才[1]。

“過程控制”作為自動化專業的核心課程，具有很強的專業性和應用性，在石油化工、電力系統、冶金、造紙、醫藥和食品生產等傳統工業領域都有廣泛的應用。這門課程內容涉及了自動控制原理、儀表與檢測、計算機控制技術等多門課程的內容，能讓學生將控制原理中的理論知識與實際生產中的控制過程聯系起來，充分理解不同的控制方案，對開闊學生眼界，培養學生動手能力和工程實踐能力尤為重要。

隨著工業互聯網、人工智能等新興技術的發展，在實際應用當中的系統和網絡越來越復雜，控制系統的應用范圍也越來越大，這為自動化專業人才提供了機遇，同時也提高了要求，自動化人才的培養面臨著挑戰。因此，結合新時代對自動化人才的需求，對“過程控制”這門課程進行教學改革，從教學方法、教學內容、教學形式、實驗內容和課程設計等幾方面入手，探索新的教學模式，提出改革性的措施，提高教學質量，并且最后取得很好的效果。

二、開展專題講座，優化教學內容

“過程控制”是一門交叉學科，因此教材內容會與其他課程內容重復，比如：“儀表與檢測”中的控制閥部分會與“過程控制”中控制閥部分重合，因此我們根據本課程的教學目的，傾向于介紹其在控制系統中的選型與工程意義，培養學生的工程思維。另外，教學內容不能僅僅局限于書本上的知識點，應當結合當前的發展形勢，將工程應用上的新的技術融合到教學內容中，調整教學內容，比如結合目前蓬勃發展的信息技術和計算機技術，介紹其在傳統工程領域中的新應用，使學生的工程理論不僅僅只局限于傳統領域，對未來發展的新應用也有所探索[2]。除此之外，面對新時代對自動化人才的需求，在以往的課程體系之外，專門開展了針對工程理論應用的專題講座[3]，因此理論知識的學習就分為了課堂學習和講座學習兩部分。

三、結合“翻轉課堂”與“案例討論”，改革教學模式

在傳統的課程教學中，學生的積極性不高、教學的實訓不足、教學方法與手段缺乏創新。然而隨著互聯網的飛速發展，國內外高校的教學模式在不斷地創新，“翻轉課堂”作為近年來一個全新的教學模式，也正在被越來越多的高校采用。這種教學模式可以充分吸引學生的興趣，在培養學生自主學習和團隊意識方面，有著巨大的優勢。同時再結合“案例討論”的方式，將學生主導課堂的優勢最大化，提高學生的積極性。

（一）“翻轉課堂”在“過程控制”課程中的應用

傳統的教學模式采用的是先講后學的方式，老師把大部分的時間投入到講課環節。而“翻轉課堂”有別于傳統的教學模式[4]，采用先學后講，老師和學生位置互換的方式，需要老師提前把上課內容做成視頻，學生利用課前時間觀看，同時學生分成不同的學習小組，對知識點進行歸納和提煉，針對不懂的問題，搜集資料來完成自主學習，最后小組共同制作講解材料。上課時，以一周一組的方式，每個小組輪流上臺講解課程內容，然后由其余小組提出問題，共同討論，最后由老師對本次講解內容和問題進行補充和解答。

（二）采用“案例討論”的啟發式教學

“過程控制”是一門與工程應用聯系密切的課程，然而常見的課堂教學內容大多是公式的講解與推導，太過于抽象，沒有落實到具體的項目應用，使學生感到枯燥，降低了他們的學習興趣。本課程在采用“翻轉課堂”的同時，加上“案例討論”環節，在每節課學生講解完理論知識后，針對所講內容，展示其在工業鍋爐、石油煉化、核反應堆控制等傳統工業控制中的應用，引導學生對“系統設計主要內容”“如何控制被控參數”“各種儀表如何選型”等問題進行深入思考，使得學生能夠更好地掌握課程內容。并且，為了激發學生的學習興趣和主動性，案例的展示和分析采用多媒體課件、Matlab仿真和組態軟件相結合的方式[5]，這樣有兩個很明顯的優點：其一，針對案例分析，學習小組內部的分工合作，提高了學生的團隊意識，并且利用Matlab對實際案例的仿真，鍛煉了學生的編程能力，同時也加深了學生對理論知識的理解;其二，采用這樣的方式，使聽課學生更加直觀地看到理論知識在實際工程當中的運用，所學內容不再那么抽象，學習過程也不會顯得枯燥。

四、實踐教學改革

為了讓培養的自動化人才更加適應社會需求，教學目標不僅僅需要重視理論知識的學習，還應該強化實踐教學環節。“過程控制”本就是一門理論聯系實際的課程，因此實踐環節是必不可少，通過實踐既可以加強學生的動手能力，還能開拓學生思維，提高學生綜合素質。

（一）基礎性實驗

基礎性實驗主要是以驗證型和演示型的實驗為主導，針對已經知道結果的實驗進行驗證，鞏固所學的書本知識，提高學生的動手能力，培養基本的實驗操作能力。其主要的實驗內容是對簡單的控制系統有所認識、對控制系統中的受控對象包括：液位、流量、溫度等有直觀的感受，了解PID算法參數對受控指標的影響，并學會簡單的參數整定。

（二）綜合設計實驗

綜合設計實驗項目的形式是由老師給出設計題目，學生自行完成設計，該階段的目的是使學生除了運用所學知識之外，自主查閱資料、觀看教學視頻，掌握工程設計的流程，鍛煉學生解決工程問題的能力。

該階段實驗的主要內容是基于組態軟件、Matlab仿真和相應的儀表選型，針對不同的工藝流程，選擇不同的控制系統進行設計，包括：負反饋控制系統、串級控制系統、均勻控制系統、比值控制系統和選擇控制系統等傳統的控制系統，并編寫相應的設計報告。

五、課程改革效果

通過此次對“過程控制”課程的教學改革，很好地激發了學生對于本課程的興趣，特別是“翻轉課堂”的提出，使得學生都能夠積極地參與到課堂中，充分掌握教材中介紹的各種控制技術，專業技能得到了顯著提高。“專題講座”也發揮了很大的作用，使學生的眼光不僅僅局限于書本，學習到了一些前沿的控制技術與工程應用，拓寬了學生的視野顯著。

總體來講，此次“過程控制”課程改革達到了預期的目標。

參考文獻

[1]吳曉蓓.《中國制造2025》與自動化專業人才培養[J].中國大學教學，2015（8）：9-11.

[2]楊佳，許強，雷紹蘭，郭燕.“過程控制系統”課程教學及實驗改革探討[J].中國電力教育，2010（10）：125-126.

[3]蔡林沁，虞繼敏，向敏，唐曉銘.《過程控制系統》教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2017（46）：105-106.

[4]楊詩麗.淺談翻轉課堂在過程控制及自動化課程中的應用[J].科學咨詢（科技·管理），2019（11）：99.

[5]王永秀，雷建和，劉素花.“過程控制系統”教學改革研究[J].科技視界，2019（27）：113-114.