集散控制系統教學改革與實踐研究

摘要：通過開展以培養學生工程實踐能力為目的的集散控制系統教學改革研究，促進學生將所學理論知識應用于實踐當中，以提高解決復雜工程問題的能力，適應新時代企業對人才能力的要求，降低企業再次培養成本，通過集散控制系統教學方法改革，研究課堂教學新方法。教學方法上將理論與實踐并重，提高以學生為中心的實踐能力。通過改革課程的實施，讓學生能夠掌握集散控制系統（DCS）相關的設備運行、檢修、維護和工具的使用方法，培養學生集散控制系統相關的設備安裝與識別、系統接線及原理、系統軟件組態和原理設計開發等能力。為此結合測控專業開設的“集散控制系統”課程，開展一體化教育教學改革研究，為后期一流課程建設提供理論支撐。

關鍵詞：實踐能力；集散控制系統；教學改革；DCS；實踐研究

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1概述

2023年新疆維吾爾自治區政府工作報告提出，新疆將培育壯大特色優勢產業，加快打造以“八大產業集群”為支撐的現代產業體系，包括油氣生產加工、煤炭煤電煤化工等戰略性新興產業集群［1］。煤炭、煤電、煤化工等工業的發展離不開信息化和自動化技術的應用，在特色產業發展過程中，特別是煤電及煤化工領域，對集散控制系統（DistributedControlSystem，簡稱DCS）的需求也與時俱進，集散控制系統是煤炭、煤電、煤化工等行業實現自動控制的主流產品，集散控制系統課程是自動化、測控技術與儀器等專業的主要專業課程［23］。教育部提出的新工科建設方案將培養具有較強工程實踐能力、創新思維能力的應用型人才作為新時代高校工科學生人才培養的基本要求［4］。另外，教育部有關做好普通高等學校畢業生就業創業工作的通知的精神，各高校要將創新創業教育貫穿于人才培養的全過程。如何將創新創業能力的培養融入專業課基礎教學中，提升學生的創新創業能力，值得探討和研究［56］。在這些政策背景下，借助應用型本科人才培養模式的優勢，將集散控制系統技術在煤電及煤化工產業的應用與已開展的集散控制系統課程相結合，將該課程從傳統的課堂理論教學模式向理論與實踐相結合的模式進行轉換，以適應“八大產業集群”政策背景下對應用型人才的需求。

目前，已開設的集散控制系統課程的理論教學無法滿足社會對人才多元化能力需求。集散控制系統課程具有與工程實踐聯系密切、實用性較強等特點［7］，通過課程改革建設，使學生掌握DCS的設計方法，并具備DCS的硬件和軟件開發、提高DCS綜合應用等工程實踐能力。

2課程現狀分析

現階段，集散控制系統課程以課堂理論教學為主要授課方式，部分班級開始試點一體化教學，課程的主要授課對象是測控技術與儀器及自動化專業大三學生，與理論教學配套有8個實驗學時。這種模式下，學生無法真正地將理論所學應用到工程實踐，導致理論與實踐應用脫節，主要體現在以下幾個方面。

2.1教學內容與市場需求脫節

隨著科學技術的發展，企業對測控技術與儀器及自動化專業的人才需求也隨之變化。集散控制系統教材內容較為陳舊，教學內容更新速度慢，與企業對畢業生的知識結構要求脫節，部分硬件知識無法適應現階段企業對新技術和新方法的需求。

2.2課程實踐環節薄弱

集散控制系統是一門實踐性較強的課程，現階段的教學模式無法為學生提供良好的實踐學習環境。并且實驗教學采用軟件仿真為主，學生面對實際問題仍束手無策，缺少實踐操作的機會。另外，理論教學未能與現有的實驗設備相聯系，硬件與理論知識不匹配，導致實驗設備無法有效利用。

因此，本次教學改革調整教學內容，加強實踐環節，以項目式教學方法開展一體化教學，同時加強同相關企業的溝通，將企業生產案例融入一體化教學當中，提升教學內容與工程實踐的融合。

3課程改革方案

3.1改革內容

集散控制系統課程針對測控技術與儀器和自動化專業學生開設，目前學時為48學時，其中理論學時40學時，實驗學時8學時。課程改革從以下幾點出發。

（1）優化課程教學目標，在“八大產業集群”支撐體系背景下，將課程建設與時俱進，與新疆豐富的煤炭資源應用相結合，與煤炭煤電煤化工應用的方向相結合。

（2）將現有理論加實驗的教學模式內容進行模塊化改造，結合煤炭煤電在工業應用中的實例，通過將生產實際中搜集到的煤電各環節應用，以題目的方式分配給學生，激發學生解決實際工程問題的能力。

（3）通過課程改革，建設貼近生產實際的課程素材，包括課堂教學案例、學生實踐題目、全生命周期的生產工藝設計和實現素材。

（4）通過課程研究與實踐，實現該課程的理實一體化的建設。

3.2課程改革擬解決的關鍵問題

本次課程的改革從專業實際出發，改變現有教學模式，改進理論教學后學生仍舊無法自主動手實踐的問題。另外，將集散控制系統的課程建設與企業生產實際相結合，促進產教融合，提高學生就業率，提高實習實踐企業對學生實踐水平的認可度，并改善教學過程中行業知識與課堂知識相脫節的問題，通過建立教學模塊與生產實踐相聯系，將課程內容與煤炭煤電煤化工生產中的典型環節相結合。

4改革實施

4.1教學內容整合設計

將現有教學內容進行改革與優化，將該課程的理論授課內容被劃分為三大部分、七大模塊，本次教學改革對教學內容進行模塊化設計結構如圖1所示。

圖1課程內容的模塊化設計

4.2項目式教學引入

項目學習是將實際問題融入課堂實踐的一種教學方法，可以幫助學生將理論知識應用到實際情境中，培養學生的實踐能力和問題解決能力。教學過程中采用火力發工藝流程案例教學，通過將火電廠的生產全工藝流程案例進行分解為不同的子工藝流程，將所得到的子流程題目分配至各個小組，由各小組完成從子工藝流程的設計到DCS監控組態控制的實現。拆分所得到的子流程題目如下表所示。

4.3課程考核方式及實施方法

在課程建設過程中，集散控制系統教學團隊根據已有的課程教學經驗，采用調研、學生交談調查、期末考試總結等方法，總結出教學實施過程中遇到的問題及提出解決辦法，對教學設計進行論證和完善，開發出了通俗易懂的課堂教學案例，通過教學案例啟發學生探索學習的方式和方法，如在火力發電全流程中，將室內燃燒的煤粉的制粉過程進行詳細講解，啟發學生去聯想其他環節的設計與組態，效果如圖2所示。

圖2火力發電全流程中制粉系統所處的環節

4.4課程改革成果

本次課程改革對課程各章節進行了模塊化分類，對知識結構和內容權重進行了分配，重組的結果如下。

模塊一為計算機控制系統原理。理論方面要求學生理解DCS的特點，能說出FCS與DCS的區別。實踐方面要求學生會使用繪圖軟件繪制某生產工藝的工藝流程圖，圖紙符合工程制圖要求，分配權重為10%。

模塊二為DCS層級結構。理論方面要求學生理解DCS的分散方式，掌握現場控制站、操作員工作站及工程師工作站的功能。實踐方面要學會硬件設備選型、安裝、調試、故障判斷和處理方法，分配權重為20%。

模塊三為DCS軟件分類及其功能。理論層面要求學生理解DCS系統組態、I/O組態、流程圖組態、算法組態基本原理。實踐方面要求學生能夠繪制工作站、I/O、流程圖組、算法組態，針對某生產工藝設計計算機數字直接控制系統、人機監控界面設計，分配權重為30%。

模塊四為DSC算法組態部分。理論方面要求學生理解單回路PID控制算法、雙回路PID控制算法、單回路前饋控制算法、選擇性控制、單回路比值控制、復雜控制算法、順序控制算法的基本概念和數學原理及應用場合。實踐方面要求學生能夠在組態軟件中進行算法組態調試，完成項目化案例的控制，分配權重為25%。

模塊四為數據通信的基本概念。要求學生掌握工業數據通信的方式和組網方法，能夠說出典型DCS的通信網絡名稱，分配權重為8%。

模塊五為現場總線的概念及特點。掌握現場總線的基本定義、理解現場總線技術優勢和核心、了解常見應用領域及典型硬件連接形式，分配權重為7%。

通過以上模塊的重組，傳統理論教學中實踐與理論脫節的問題能夠得到有效的改善，各模塊的實踐能夠結合理論知識點，以項目化的模式激發學生主動探索、主動研究的能力，形成良性的閉環學習效果。

結語

本次課程改革的實施，突破了目前集散控制系統僅限于理論為主的教學窘境，將理實一體化應用于課程的建設，促進學生對專業知識的理解，提高學生動手實踐能力；該課程改革的實施，貼近煤炭煤電煤化工的生產實際，為培養解決復雜工程問題的應用型人才提供支撐；通過課程改革，可提升課題組青年教師的教學水平及行業知識的應用；通過DCS軟件平臺的仿真教學，可以極大地節省購置整套設備的資金壓力，便于教學內容與時俱進，跟隨行業的發展步伐。

參考文獻：

［1］馬伊寧.延鏈補鏈強鏈高質量建設“八大產業集群”［N］.新疆日報（漢），20230607（001）.

［2］李永坤.煤礦選煤廠DCS集散控制輸煤技術研究［J］.煤化工，2023，51（03）：132136.

［3］喬俊福，劉志成，郭晉秦.項目驅動教學模式在DCS課程中的應用［J］.電氣電子教學學報，2018，40（03）：115118.

［4］林健.新工科專業課程體系改革和課程建設［J］.高等工程教育研究，2020（01）：113+24.

［5］李澤，孫云飛，張兄武.專業基礎教學中培養學生創新創業能力研究——以《集散控制系統》課程為例［J］.中國電力教育，2020，387（05）：5859.

［6］吳響容，沈國平.《集散控制系統與應用》課程實訓教學改革與實踐探索［J］.科技視界，2018，228（06）：9394.

［7］白銳，孫麗穎，王鐵超，等.集散控制系統課程教學內容的改革及優化［J］.遼寧工業大學學報（社會科學版），2017，19（01）：126129.

基金項目：新疆工程學院2023年度校級一般教學改革立項項目（項目編號：XJGCJIGB202318）；2022年度自治區高校本科教育教學研究和改革項目（項目編號：XJGXPTJG202267）

作者簡介：王博（1988—），男，漢族，河南鄲城縣人，碩士，講師，研究方向：電氣及自動化技術。