以解決復雜工程問題能力培養為目標的綜合實踐課程群建設
——以“大型火電機組熱控系統設計及實現”為例

王曉燕，董 澤，翟永杰

（華北電力大學 自動化系，河北 保定 071000）

復雜性是現代工程問題的本質[1]。本科工程教育的基本定位是培養學生解決復雜工程問題的能力[2]。《工程教育認證標準》（2017 年11 月修訂）[3]給出的12 條“畢業要求”要求，有8 條與“復雜工程問題”有關，可見解決復雜工程問題這一核心能力的達成對實現畢業要求的重要性。2018 年9 月17 日，教育部、工業和信息化部、中國工程院發布了《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃 2.0 的意見》。意見中提出，要“著力提升學生解決復雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實施案例教學、項目式教學等研究性教學方法，注重綜合性項目訓練。”[4]可見，培養學生解決復雜工程問題的能力，既是工程教育認證的重要標準，也是卓越工程師計劃2.0及新工科建設背景下，高校培養高素質工程人才的關鍵內容[5]。復雜工程問題的特征必須與專業特色相適應[6]。我國自動化專業的發展理念與目前的發展思路完全符合工程教育的改革與發展趨勢，培養能處理行業復雜系統問題的“系統集成者”[7]。

在整個自動化專業教學體系中，實踐教學是培養學生解決復雜工程問題能力的重要環節[5]。北京科技大學自動化專業以培養學生解決復雜工程問題能力為核心，基于OBE 理念和卓越工程師教育培養計劃，構建具有自身特色的實踐教學體系[8]。廣東工業大學結合本校自動化專業特點，制定了解決復雜工程問題能力的漸進培養路線，開設了以智能制造實驗室為依托的面向復雜工程問題的綜合課程設計群[6]。

華北電力大學是一所以能源電力為學科特色的“雙一流”建設高校，同時也是教育部“卓越工程師教育培養計劃（2010-2020 年）”首批試點高校。本文以華北電力大學自動化專業卓越工程師班建設為契機，結合本校專業特色與人才培養定位，以培養學生解決復雜工程問題能力為抓手，建立了具有“高真實度、高現場感”的“卓越工程師工程實踐基地”。在此基礎上構建了跨學年、長周期、遞進式的“大型火電機組熱控系統設計及實現”綜合實踐教學課程群，使學生具備“電力行業特色大工程觀”，培養學生的工程實踐能力和創新能力。

1 綜合實踐課程群設置

在普通自動化專業的實踐環節中，與“火電機組熱控系統”相關的實踐環節由相對分散的課程設計組成（表1）。可以看出，共有5 門獨立開設的課程設計，共6 個學分，大部分課程設計進行1 周，分散在第6—8學期。

表1 原自動化專業部分單獨開設的實踐環節

由表1 可以看出，原自動化專業的培養方案中，單獨開設的實踐課程相對比較分散，不夠系統，這弱化了課程之間的相互關聯關系，導致學生難以將不同學科的知識融會貫通并加以應用，因而在解決工程問題時無法綜合運用多學科知識[9]。

有些實踐課程內容會有重合，比如分散控制系統課程設計、分散控制系統（DCS）綜合實踐 A、控制系統綜合實驗、控制裝置與系統B 課程設計等，分別由不同的老師上，但是都會涉及分散控制系統的組態、調試等內容。

為了體現學科知識間的關聯關系并融合提升學科知識，打破課程間的壁壘，根據課程的系統性和相關性進行重組和整合，形成了卓越工程師班的綜合類實踐課程群——“大型火電機組熱控系統設計及實現”。課程群分為3 個綜合實踐環節，其學分、學時、開設學期及主要內容見表2。

表2 專業綜合實踐：大型火電機組熱控系統設計及實現

課程調整后，實踐課程門數變少，但是總學分增加。開課學期集中在第7、8 學期。雖然課程門數變少，但不是簡單地刪減或增加些課程，而是在原有課程內容整合和優化的基礎上進行提煉，目的是使學生更加系統化地學習“火電機組熱控系統”的基本理論知識和訓練基本實踐技能。

2 實踐教學內容特點

2.1 實踐教學內容層層遞進，由簡單到復雜

由表3 可知，實踐環節之間是有內在邏輯關系的，內容之間層層遞進，由簡單到復雜，從小規模到大規模，循序遞進形成有機整體，且具有一定連貫性，使學生逐步深入地經歷解決復雜工程問題的過程，著力培養學生的大系統分析能力和大工程觀。

2.1.1 3 個專業綜合實踐環節內容從橫向上形成層次遞進關系

大型火電機組熱控系統設計及實現（1）主要在600 MW 超臨界仿真機組上實踐。實踐內容涵蓋超臨界機組冷態啟動的全部過程，包括輔助系統投運、上水、點火、升溫升壓、沖轉、并網至滿負荷等。整個過程與實際機組啟動過程一致，讓學生在一個“真實”的電廠運行環境中，深入了解火電廠的運行過程，在此基礎上深入理解工藝流程，被控對象特點，尤其需要理解自動控制系統在機組運行過程中所發揮的作用。

表3 實踐教學內容的層次遞進關系

大型火電機組熱控系統設計及實現（2）主要在分散控制系統軟件上，進行SCS 順序控制及MCS 模擬量控制系統組態、調試工作。組態包括數據庫組態、控制邏輯組態及畫面組態。鍛煉學生“運用”自動控制系統相關工程知識的能力及理論聯系實際的能力。調試需要根據控制目標，對相應控制系統進行調試，鍛煉學生發現問題、解決問題的能力。

大型火電機組熱控系統設計及實現（3）建立在（1）和（2）的基礎上。針對復雜的、電廠“真實”的被控對象，包括汽溫、給水、燃燒、協調等，首先設計相應的控制目標，深入分析被控對象特性，建立被控對象模型，然后針對對象特點設計相應的控制方案，并進行組態實現。在此基礎上，進行進一步調試和優化。在分析、設計、實現、優化的過程中體現創造性，并綜合考慮控制方案對環境、安全、經濟等的影響。

2.1.2 專業綜合實踐內容本身形成縱向的層次遞進關系

以大型火電機組熱控系統設計及實現（2）為例，在實踐過程中充分考慮了內容的連貫性及層次的遞進性。

1）從簡單控制到復雜控制。

首先是單回路控制。在此過程中，需要學生掌握控制系統的基本概念、組態的基本步驟及調試的基本步驟。同時需要考慮手動、自動無擾切換等工程實際問題。

然后逐漸過渡至復雜控制，包括單回路+前饋、串級控制系統、串級+前饋等，需要在實踐的過程中充分理解每種控制方式的特點、應用場合、設計及實現要點等問題。

2）從單入單出控制到多變量解耦控制。

由單入單出對象的控制過渡至多入多出對象的控制。需要在實踐過程中充分理解多入多出對象的耦合特性，設計及實現相應的控制方案。

3）從常規控制到先進控制。

先進控制算法包括改進的PID 控制、模型參考自適應控制、自校正控制、動態矩陣控制、預測控制、內模控制等。針對某復雜被控對象，需要選擇1～2 種先進控制方案進行組態實現，并與常規控制方案進行對比，分析不同方法的特點及適用場合。

以上3 個綜合實踐環節都在基于虛擬DCS 的激勵式600 MW 超臨界火電仿真系統上進行。該仿真平臺完善的功能設置是支撐以上3 個綜合實踐課程群的基本保證。

2.2 實踐教學內容設計符合“復雜工程問題”特征

中國工程教育專業認證協會界定的“復雜工程問題”必須具備表4 所述特征CP1，同時具備特征CP2到CP7 的部分或全部[3]。清華大學林健教授、北京工業大學蔣宗禮教授均對“復雜工程問題”的特性進行了深入剖析[1-2]。教師在實踐教學內容的選擇和設計時，首先要明白“復雜工程問題”的內涵特征，在此基礎上保證設計的任務滿足復雜工程問題的特征要求。

超臨界機組協調控制系統是一類典型的多入多出系統，且具有回路間耦合較強、模型參數不確定、鍋爐側延遲較大、干擾難以預測等特點，是工業中的典型系統，也是現代電廠自動化系統中最核心的部分。單元機組協調控制系統是發電機組與電網的聯結紐帶，對其進行優化設計是實現機組快速響應負荷并維持能量供需平衡的關鍵[10]。下面以大型火電機組熱控系統設計及實現（3）的一個教學任務“超臨界機組協調控制系統優化設計”為例，對其復雜性進行分析，說明該任務是符合中國工程教育認證協會中規定的“復雜工程問題”的CP1 及除CP5 外的其他特征，具體內容如表4 所示。

表4 實踐教學內容與復雜工程問題特征匹配度分析

3 超臨界激勵式仿真系統實踐教學平臺

實踐教學環節需要在一個真實完整的工程場景中進行，使學生經歷復雜工程（系統）構建，并在構建過程中體現知識、技術、方法的綜合應用[2]。由于工業生產自動化水平的提高以及安全生產要求的提高，導致學生在企業進行實踐的過程中參與程度較低[11]。當前計算機分散控制系統（DCS，distributed control system）、現場總線控制系統等已被廣泛應用于自動控制領域，由于它的投資較大，系統復雜，因此各高校在這方面的教學，往往落后于生產實際，但學生迫切需要掌握此方面的知識[12]。這就需要學校搭建一個能夠覆蓋工程全流程環節的實踐教學平臺，在此基礎上開展實踐教學活動，以滿足培養學生解決復雜工程問題能力的需要。

針對以上3 個實踐教學環節，我系自主研發了“基于虛擬DCS 的激勵式600 MW 超臨界火電仿真系統”，覆蓋了600 MW 超臨界機組從冷態啟動到滿負荷的運行過程及全部控制過程。

3.1 激勵式仿真系統的系統結構與實際 DCS 控制結構對比

圖1 所示為激勵式仿真系統的系統結構與實際DCS 控制結構對比。

圖1 激勵式仿真系統的系統結構與實際DCS 控制結構對比

由圖1 可以看出，基于虛擬DCS 的激勵式仿真系統在控制結構上與實際電廠DCS 控制結構一致。由三大部分組成：仿真支撐系統、虛擬 DPU 程序、DCS程序（監視、操作、組態、調試）。仿真支撐系統主要用來建立實際過程對象的機理模型。虛擬DPU 程序用來完成實際 DPU 及 I/O 卡件的功能。最上層的 DCS程序完全與實際DCS 的功能一致，包括操作員站、工程師站等。三部分之間通過網絡實現數據通信。

由以上分析可知，基于虛擬DCS 的激勵式仿真系統最大的特點是將“控制”與“模型”分離，“控制”部分使用的虛擬DCS 可以完全復現實際DCS 的全部功能。因此，在激勵式仿真系統上，除了可以進行機組啟動、停機、故障處理等機組運行實踐外，還可以進行控制系統設計、組態及調試等控制系統實踐。

3.2 激勵式仿真系統用于綜合實踐教學環節的優點

1）設備可靠性高，易于維護。

由于虛擬 DPU 程序只需要在一臺計算機（DPU運算站）上就可以實現，這樣整個仿真系統就可以脫離實際DPU 中的卡件、機柜等硬件設備而工作，從而節省大量硬件投資，極大降低實驗室建設成本。同時系統的可靠性增強，維護工作量減小，有利于實踐教學環節的開展。

2）具有極高的真實度和較強的工程背景。

本仿真系統基于某實際電廠600 MW 超臨界機組開發，DCS 組態用數據庫、控制邏輯、監控畫面等與電廠真實 DCS 一致。模型部分依據電廠系統圖來構建。經過DCS 工程師、建模工程師與電廠運行、熱工等人員多次聯調，保證了仿真系統與電廠真實數據的高度一致性，具有極高的真實度和工程感，保證學生在校期間就能在與生產現場十分接近的虛擬環境中進行全過程的實踐鍛煉，實現學校培養與生產現場的“無縫連接”。

3）可開展多種類多層次的實踐教學活動。

本仿真系統包括從設備、單元、裝置到流程四個層次的被控對象，在此基礎上可以進行多種類、多層次的控制系統實踐。既可以進行一般的驗證性實驗，也可以進行探索性、研究性、創新性實驗，滿足層次化教學需求，培養創新拔尖人才。

4 理論與實踐教學深度融合的教學方式

復雜工程問題必須具備的特征是“必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決”。這表明，復雜工程問題的解決必須建立在“工程原理”上，并且要求“運用工程原理”，而不僅僅是“理解”和“掌握”。工程原理知識的獲得，不能脫離理論課程。對于工科學生而言，實踐是創造性應用和發展理論的過程，是綜合能力形成的過程[13]。

工程教育畢業要求的12 條通用標準中的第4 條要求是：“能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論?！睂@條標準我們仔細解讀后可以發現，需要將“動手能力”“實踐能力”定位在“基于基本原理”的層面上。也就是“理論指導下的實踐”“理論與實踐的結合”，而不是簡單的動手和實踐[2]。工程教育認證標準要求理論教學和實踐教學協同支撐學生解決復雜工程問題能力的培養[5]。

為此，在大型火電機組熱控系統設計的3 個實踐環節里，每個實踐環節都開設了相對應的理論課程，如表5 所示。

表5 與專業綜合實踐對應的專題課程

每門課程共32 學時，一周4 學時，共8 周上完，與對應的綜合實踐環節時間一致。

每個綜合實踐環節貫穿“理論教授—方法引領—實踐領會—問題探索—理論和實踐相互印證—新問題探索—理論、方法發展”的理論和實踐相互促進的互動式教學模式。在這種互動式教學模式中，實現理論課程與實踐課程深度融合。

4.1 在理論指導下的綜合實踐教學環節

在每個實踐任務進行之前，安排相應的理論課程學時。在掌握了課程相關原理和知識后，再根據實踐教學任務，在600 MW 超臨界激勵式仿真平臺上，進行具體的實踐活動。實踐過程要求學生對具體的實踐項目進行分析后，再根據理論課程所學知識進行實踐。在實踐過程中，培養學生運用所學的理論知識分析、設計、解決復雜工程問題的能力，同時培養學生的創新意識和團隊合作精神等。

實踐結束后，對實踐環節進行評價，對結果進行分析后，形成的反饋信號同時對理論課程及實踐課程進行持續改進。

4.2 實踐教學環節促進理論知識的掌握

在一般的理論課堂上，學生對理論課程知識的學習除了少數課內實驗外，其實大部分是通過老師的課堂講授“學”到的，而學生“習”的過程主要是通過做練習題。在這種嚴重脫離實踐的“學習”過程之后，就安排理論課程知識的考試。在整個過程中，由于嚴重脫離實踐，很容易培養一些“高分低能”的學生。

經過具體實踐環節之后，再進行理論課程的考核。對考核結果進行分析后，形成反饋信號，以此為依據同時對理論課程及實踐課程進行持續改進。

5 基于能力的綜合實踐課程群評價方法

培養學生解決復雜工程問題的能力，還需要對實施效果進行評價，以檢驗課程教學環節對教學目標的達成情況，據此形成教學質量持續改進的依據之一。

5.1 綜合實踐環節評價方法

在綜合實踐環節考核方面，采用評分指標法，將考核內容細化為多個評分指標，綜合、客觀、公正評價學生經過實踐環節的鍛煉后應該具備的能力。

考核環節分兩部分：團隊考核和個人考核。團隊考核主要從切題度、目標達成度、內容完整性、創新性、規范性及團隊合作6 項內容考核，每項10 分，共60 分，見表6。

表6 團隊考核成績評分表

個人考核主要從對軟件的熟練度、表達能力、問答及平時表現4 個方面進行。每項10 分，滿分40 分，見表7。

表7 個人考核成績評分表

個人實踐課程考核總成績=個人考核成績+團隊考核成績。

細分的 10 個評分指標避免了評分環節的主觀性和片面性，從個人到團隊、從寫作能力到語言表達能力、從規范性到創新性、從平時表現到最終的答辯展示等，客觀、全方位對學生的真實能力和素質進行評價。

5.2 理論課程評價方法

理論課程指3 門專題課程。設計了多項評分指標，客觀、準確、全面考核學生的“知識應用能力”。理論課程考核在實踐課程環節之后，包括過程考核和期末考核，具體見表8。

表8 理論課程評價指標及權重

過程考核主要分兩方面：

（1）平時測驗環節通過現代化教學手段的應用，考查學生對課程所學理論知識的理解和掌握能力。

（2）實踐任務討論環節以學生為主，教師進行引導和總結。討論的問題主要由教師根據學生在實踐過程中發現的共性問題和同學的提問組成。集中討論環節在專題課程中進行，有利于促進學生對理論知識的進一步思考，深刻理解其適用性、局限性等。

期末考試主要考核知識在工程問題中的識別和運用，包括以下4 個層面：對工程問題的理解、工程問題要素的區分以及術語的理解、在工程問題中理解知識和運用知識、理解可以遞進進行?？己藘热菀赃f進方式進行指的是，考查的工程問題由簡單到復雜，由少量術語到更多術語，由靜態到動態，由原理圖到實際圖，分層次考查學生理解和運用知識的能力。

平時測驗成績、實踐任務討論及期末試卷每項滿分100 分。

理論課程總成績=平時測驗成績×20%+實踐任務討論成績×20%+期末試卷成績×60%。

理論課程的考核結果既體現對學生知識掌握程度的評價，同時更加注重測評學生的能力和素質。

6 結語

2018 年頒布的《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0 的意見》指出，經過5 年的努力，總體要求20%以上的工科專業點通過國際實質等效的專業認證，形成中國特色、世界一流的工程教育體系[4]?！白吭接媱潯痹诠こ探逃母锷县撚兄厝?。對學生解決復雜工程問題能力的培養始終是全球高等學校所有工程專業的核心任務[14]。

華北電力大學自動化專業是我校首批卓越工程師建設專業。在自動化專業卓越工程師班的專業課程學習階段，即第7、8 學期，結合我校能源電力特色背景，圍繞解決“復雜工程問題”的能力培養，我們設置了“大型火電機組熱控系統設計及實現”課程群?；谖蚁底灾餮邪l的“激勵式600 MW 超臨界仿真系統”，圍繞教學內容、教學方法、課程考核等方面進行了改革和實施。

課程的實施使學生得到了全面、系統、工程化的鍛煉，具備了綜合運用所學理論知識分析和解決工程實際問題的能力和創新意識。綜合實踐環節以小組形式展開，學生的團隊合作能力、表達能力、寫作能力等得到了充分激發和有效鍛煉，為解決復雜工程問題能力的培養發揮了重要作用，與培養方案中的其他課程一起，有效支撐該目標的達成?？梢詾槠胀ㄗ詣踊瘜I和其他相近專業在工程教育改革與創新上提供有益借鑒。