“過程控制系統”課程的“四階式”實踐教學方法設計

王曉軍 徐冬梅

摘 ? ?要：文章基于新時代“教育三問”，針對“過程控制系統”課程中存在的實踐環節痛點，提出“四階式”實踐教學方法。該教學方法由4種實踐設計環節組成，在難度上逐漸提高。在課程設置上體現了高階性、創新性和挑戰度，讓學生在學習中穩扎穩打，逐步提升專業技能，全面培養學生的綜合素養。

關鍵詞：“四階式”；實踐環節；“教育三問”；“過程控制系統”課程

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1002-4107（2023）08-0069-03

一、引言

近年來，習近平總書記圍繞“培養社會主義建設者和接班人”作出一系列重要論述，深刻回答了“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”這一新時代“教育三問”的根本問題[1]，深刻強調了教育對于國家富強、民族振興、社會進步、人民幸福的重要性，全面闡釋了培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人的內涵、要求和舉措。這一系列重要論述對加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育具有深遠的影響和深刻的指導意義。同時，習近平總書記還強調，要用好課堂教學這個主渠道，除了思想政治理論課，其他專業課也要守好一段

渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同

行，形成協同效應[2-3]。因此，高校專業課在課程教學過程中也應積極探索，注重課程思政建設，將思想政治教育潤物無聲地融入專業課教學過程中，提升思想政治教育的親和力和針對性，滿足學生對成長發展的需求和期待[4]。

地方高校應以城市和地方為依托，以國家政策為指引，立足本地，明確自身使命，發揮獨特優勢，真正融入地方經濟和社會發展，做出正確的前瞻性分析，準確把握發展方向，積極為地方經濟社會發展服務，尋找并實現更加崇高的價值。上海工程技術大學位于上海市松江區，是一所綜合型市屬地方高校，學校定位為建成國內一流的高水平現代化工程應用型特色大學。上海工程技術大學緊跟國家政策，順應新工科建設潮流，響應上海市先進制造業發展“十四五”規劃，積極服務上海市及長三角區域經濟，助力長三角產業協同發展、先進制造業產業集群優化升級。無論是中華民族偉大復興中國夢，還是城市的繁榮發展，都對新時代高校的人才培養工作提出了更高要求。地方高校的專業建設和課程設置應緊跟時代步伐，在課程中充分融入思政元素，在教學中探索并實踐新時代“教育三問”，積極為國家的戰略發展做出有力支撐。

二、“過程控制系統”課程建設目標

長三角地區作為中國經濟最發達的區域之一，產業基礎雄厚，技術創新領先，是推動制造業高質量發展的主戰場。近20年來，長三角地區制造業穩中有進，資本和技術密集型產業集聚發展，產業結構不斷升級。制造業作為經濟的“壓艙石”，對推動經濟增長和提高就業質量具有重要作用。目前，長三角各省市正在全力推進先進制造業中各領域的經濟發展改革和產業結構升級。

流程行業作為先進制造業的重要組成部分，以“智能制造+綠色制造+高端制造”作為未來智能優化制造的

愿景，利用工業互聯網平臺，推動整個行業的布局優化，提升生態化和智能化水平，通過工業發展質量變革、效率變革和動力變革，提高流程工業全要素生產率，把工業生產打造成先進制造業?！斑^程控制系統”作為自動化專業支撐流程行業的一門綜合性專業特色課程，已在上海工程技術大學電子電氣工程學院連續開設多年。教師本著“以學生為主體、教師為引導，知識傳授和價值引領并重、能力培養和工程素養并重，師生互教互學，共鑄師生學習共同體”的現代教學理念，在教學實踐中不斷完善課程體系、改進教學方法，在提升學生知識獲得感的同時，注重利用課堂育人主渠道，將思政元素融入專業知識的學習中，增強學生的價值理念；同時，教師通過了解學生的學習反饋和思想動態，在不斷改進與完善教學的過程中，及時反思“教育三問”，進一步提高自身的價值理念、知識能力、教學技能、業務素質等綜合實力[5]。

三、“過程控制系統”課程的實踐環節痛點

“過程控制系統”課程內容主要分為4個部分，即控制系統發展史、過程控制相關基礎知識、多種控制策略及應用案例的介紹。其中，多種控制策略部分在“過程控制系統”課程中占較重分量，教師也分配了較多時間重點講解這部分內容。多種控制策略部分主要包括以下3個方面的內容。第一，適用單入單出系統的多種結構的控制策略，包括前饋控制、比值控制、串級控制、均勻控制、選擇控制、分程控制等，這6種控制策略的應用要結合實際系統的控制目標來進行選擇。第二，針對多入多出耦合系統中多目標控制的問題，結合相對增益的概念，基于RGA-NI方法的多變量系統回路配對規則，在多個控制器中選擇最佳配對方案，以達到最快、最有效的控制效果。第三，為學生介紹更多先進的控制策略，包括基于模型的史密斯控制、內?？刂?、預測控制等方法，也包括模型不確定的模糊控制、自適應控制等。教師通過對多種先進控制策略的介紹，引導學生了解最新的控制理論，并探索和研發更新更適用的控制方法。

由于“過程控制系統”課程知識點較多，且受既有課時的限制，教師在教學中以課堂講授為主，但單純依靠理論講解使知識點顯得較空洞，學生沒有感性的認識，反而會在多種策略之間混淆不清，無法達到預期的教學目標。例如，針對多種策略的評判、選擇和應用，學生只有在實踐過程中才能加深對其的了解和認識，并在不同場合中進行正確的選擇?！斑^程控制系統”的定位是一門針對高年級學生開設的綜合性專業技能提升課程，課程內容與應用實踐緊密關聯，實踐教學環節中的操作演練對學生來說應更具直觀性和體驗感。因此，在課時有限的情況

下，如何利用好課內外時間，結合線上線下進行多元規

劃，合理設計實踐性教學環節進而提高教學效果成為“過程控制系統”課程教學改革需要解決的問題。

四、解決方案

教師在“過程控制系統”課程的教學改革過程中，提出“四階式”實踐教學方法，針對現有問題進行重點突破，全面提升學生的實踐應用能力。

（一）掌握知識點，仿真先行

如何快速且有效地檢驗多種策略的特點和效果，仿真教學是最方便，也是最常見的方法之一。在傳統教學過程中，教師為了幫助學生加深對多種控制策略的理解和運用，主要采用課后仿真作業的形式，要求學生基于

MATLAB軟件搭建多種控制策略結構，并采用PID算法進行控制仿真。學生需根據給定的，或公式推導出的系統模型在MATLAB軟件中實現多種控制策略的搭建和參數整定。由于MATLAB軟件對環境的限制，系統模型均為傳遞函數形式，公式推導過程也較數學化。此種方法側重對控制策略概念和方法的理解和運用，不利于學生對實際工程的理解。而學生在以后的實際工作中，面對的是具體的生產環境和設備產線，而非系統模型。因此，若能在“過程控制系統”課程教學過程中加入具有工程背景的應用案例，對于幫助學生理解多種控制策略在實際工程中的應用具有重要意義。

（二）實驗平臺練一練，才知實踐大不同

仿真測試中有很多條件是簡化或忽略的，這與在實際設備上進行操練有較大差距。因此，教師應在學生有了仿真基礎后，鼓勵學生走進實驗室，在實驗裝置上動手操練，以開始從仿真走向實踐的新階段。在“過程控制系統”課程后期，有一門30學時的“控制系統綜合實驗”課程，該課程基于高級過程控制對象系統實驗裝置和過程控制高級控制臺，可以完成單容水箱、多容水箱、鍋爐內膽、鍋爐夾套特性測試等實驗，以及關于溫度、液位的單閉環定值控制，亦可設計實現多部件的組合串級控制、前饋控

制、選擇控制，甚至解耦控制等實驗。目前，實驗平臺配備西門子SMART 200 PLC模塊，安裝有MCGS（監視與控制通用系統）組態軟件，可以實現實時通信與組態監控。若要取得較好的控制效果，學生可利用該平臺獲得所控裝置的階躍響應曲線，并計算出系統裝置的模型，設計控制器參數，再在MATLAB軟件中進行仿真、驗證并優化，最后再到過程控制高級控制臺上進行實踐驗證并整定參數。教師在實驗過程中要求學生通過手動調節出水閥口徑以檢驗所設控制器的抗干擾能力，而每次出水閥口徑大小都會不同，因此，學生需要先對上一組調試后的設備進行控制，然后再調整出水閥口徑，以測試其抗干擾能

力。這一過程讓學生切實體會到人工干預的不確定性。同時，由于教師為每組學生提供的設備不同，使每組學生都需要對全新的設備進行控制，這也給學生帶來了新鮮感和挑戰度。將MATLAB軟件與實驗平臺充分融合，有利于學生在實踐中體驗理論與實際的聯系與區別，真正領悟到“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。

（三）虛擬仿真項目來助陣，真實場景很精彩

得益于虛擬仿真項目的開發和上線，學生有更多機會接近實際工廠，不僅有利于學生“身臨其境”地查看工廠產線的運行狀態，還能模擬工程師參與設備的調參與測試過程。在“過程控制系統”課程的授課過程中，教師引入了上海工程技術大學基于江中制藥智能工廠最新研發的“參靈草生產關鍵工藝控制虛擬仿真實驗平臺”。實驗平臺以江中藥業股份有限公司校企合作為依托，以國家級實驗教學示范中心和藥物智能制劑與智能制造研究中心為基礎，在獲得上海市科技進步三等獎的科研成果支撐下，將學科先進科研成果用于項目的持續開發與更新。實驗平臺利用現代虛擬仿真技術模擬江中制藥參靈草制劑生產過程的真實場景，使學生對整個中藥生產流程及過程控制原理有感性直觀的認識，引導學生熟悉中藥制藥過程，掌握參靈草制劑核心工藝流程、罐裝產線布局、過程控制參數整定及優化，以及輸出曲線實現對優化結果的分析與校驗。這不僅有利于將傳統教學中的理論教學、案例教學延伸到實際工程背景下的真實場景中，也實現了實驗教學由簡單向豐富、化理論為實用的轉變。在虛擬仿真項目中，教師通過虛實結合的引導模式、合理的實驗框架，促使學生對知識點進行整體把控。步驟簡潔、脈絡清晰的知識點設置，可引導學生主動分析和思考，培養學生的創新思維意識。學與做相結合，有利于學生對知識的掌握更加牢固，為就業后在相關企業及科研機構開展生產關鍵工藝相關工作奠定基礎。

（四）高階系統大練兵，不止鉆研還得會創新

經過前面3個階段的系統性訓練，學生已經具有非常扎實的理論基礎和實操能力，可以在大設備上進行練習，這對學生來說也是一次更高難度的挑戰。上海工程技術大學購置了一套高級多功能過程與控制實訓系統SMPT-1000，該實訓系統以某化工生產線工藝為例，包含反應器、混合罐、閃蒸罐、冷凝罐和除氧罐等多個有序連接的不同工藝罐體，而為了保證產品質量，各罐體內既要滿足不同的工藝要求，又要保證前后工藝的順利運行。該實訓系統不僅可以實現對各罐體工藝特性的狀態監測，還能通過西門子PLC 1200實現基于PROFIBUS-DP協議和以太網協議的實時控制，而要實現控制，就需要考慮硬件組態通信和設計合適的控制策略，尋找到適宜的整定參數。該實訓系統還具備打分評價功能，可對系統的運行狀態和控制效果進行評分。若對工藝中的各罐體參數做出調整，且對控制效果提出新的要求，那么對控制策略也會提出更高要求，因此，該實訓系統的控制練習對于鍛煉學生的自學鉆研能力、動手實踐能力、抗挫耐壓能力、組織協調能力和綜合分析解決問題能力等都是很好的機遇和挑戰。要實現項目的控制目標，不只需要具備自動控

制、過程控制等相關理論知識，對于通信技術、計算機技術的知識儲備和實踐運用能力也有要求，這對學生的探索精神、自學能力和融合應用水平都提出了更高的期望。

“四階式”實踐教學方法不是簡單的4種方法的羅

列，而是在結合課程內容和學生能力結構的基礎上，幫助學生夯實理論基礎。通過實驗平臺上的實踐與驗證讓學生發現理論與實際的區別，并能嘗試分析其原因；通過拓展實際應用場景增強學生對理論在實踐中應用的認知，在解決復雜應用場景中的實際問題的過程中進一步提升學生分析問題和解決問題的能力，使其在復雜項目中鍛煉項目管理能力和團隊協作與溝通能力。嚴謹科學的“四階式”實踐教學方法將“教育三問”貫穿始終，有計劃地逐步提高學生的綜合能力和工程素養。學生通過靈活多變的形式和豐富多樣的場景，對“過程控制系統”課程基礎知識的掌握與運用也有了較深刻的認識和理解。

五、結束語

文章針對“過程控制系統”課程中存在的實踐環節痛點，提出“四階式”實踐教學方法，即在課程中設計4種實踐教學環節，每個環節都有不同的側重點，應用場景不斷切換，難度也逐漸提高。學生通過不斷學習新知識，來漸進式解決越來越有深度的問題，而在這個過程中，又反復用到課程中的專業知識，使學生對專業知識的理解和認識不斷提升，并有機會創造出新的應用領域?！斑^程控制系統”課程體現了高階性、創新性和挑戰度，讓學生在學習中穩扎穩打，逐步提升學生的專業技能，從而全面培養學生的綜合素養。

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編輯∕陳晶