杜海順　鄒大勇河南大學計算機與信息工程學院　河南開封　475004

過程控制教學改革探索

杜海順鄒大勇
河南大學計算機與信息工程學院河南開封475004

過程控制是自動化專業(yè)學生必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較強的理論性、應(yīng)用性以及實踐性。針對該課程的特點，從教學內(nèi)容、教學方法與手段、實驗教學等方面進行了教學改革探索。教學實踐表明，改革后的教學模式能夠調(diào)動學生學習積極性和主動性，取得較好教學效果。

過程控制；教學內(nèi)容；教學方法與手段；實驗教學；教學改革

過程控制課程是河南大學自動化專業(yè)學生必修的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程以自動控制原理為基礎(chǔ)，以電路分析、儀表與檢測、信號與系統(tǒng)等課程內(nèi)容為工具，全面講述了過程控制的基本理論與分析方法，系統(tǒng)地介紹了被控過程的建模方法、檢測與變送裝置、執(zhí)行器和控制器的作用、工作原理、使用方法，并此基礎(chǔ)上詳細介紹簡單過程控制系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及特點。[1]通過本課程的學習，學生能夠?qū)⒆詣涌刂圃碚n程中學到的控制理論知識，與本課程講述的過程控制系統(tǒng)設(shè)計方法結(jié)合，進行過程控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、調(diào)試、整定，為今后從事化工、鋼鐵、電力、冶金等工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

本課程既強調(diào)過程控制理論，又重視自動控制理論在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，具有較強的理論性、應(yīng)用性和實踐性。[2]近年來，隨著自動控制理論、智能計算技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，過程控制技術(shù)也有了很大的發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛。為此，筆者通過對已有教學成果的集成、整合和深化研究，結(jié)合我校教學改革的思路，重點從教學內(nèi)容、教學方法與手段、實驗教學等方面進行課程與實驗教學改革探索，以提高課程教學質(zhì)量，增強學生學習興趣，提高學生分析和設(shè)計過程控制系統(tǒng)的能力，實現(xiàn)較好的教學效果。

1　課程教學內(nèi)容改革

過程控制課程教學內(nèi)容可分為三大部分：過程控制系統(tǒng)組成、簡單過程控制系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)。其中，過程控制系統(tǒng)組成主要包括被控對象、測量變送裝置、執(zhí)行器、控制器；簡單過程控制系統(tǒng)主要包括單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)；復(fù)雜控制系統(tǒng)主要包括前饋控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇控制系統(tǒng)等。

在教學內(nèi)容組織上，結(jié)合我校自動化專業(yè)提出的“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強能力”的要求，重點強化專業(yè)基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用實踐教學，刪除一些相對落后和重復(fù)的知識。例如，對于測量與變送裝置部分，由于很多內(nèi)容在先修課程檢測技術(shù)課程已經(jīng)講過，過程控制課程主要講解過程控制系統(tǒng)中常用測量變送裝置的選型及其在工程應(yīng)用中的注意事項；對于執(zhí)行器部分，淡化調(diào)節(jié)閥機械結(jié)構(gòu)的講解，主要講解調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性、流量特性以及在過程控制系統(tǒng)中如何選擇具有合適流量特性、合適氣開、氣關(guān)形式和合適口徑的調(diào)節(jié)閥；對于控制器部分，淡化PID理論的講解，重點講解PID控制規(guī)律在過程控制系統(tǒng)中的使用方法及應(yīng)用場合；對于復(fù)雜控制系統(tǒng)，重點介紹前饋控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、選擇控制系統(tǒng)，簡要介紹均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)。

此外，我院還以專門講座的形式，介紹最新的模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、預(yù)測控制系統(tǒng)等先進智能過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用案例，讓學生了解最新的過程控制技術(shù)，拓寬了學生的視野。

2　教學方法與手段改革

2.1改革教學方法 加強創(chuàng)新能力培養(yǎng)

在教學方法上，我們徹底改變過去單一的知識傳授型教學模式，從以課堂灌輸式教學為主的模式轉(zhuǎn)變到以“啟發(fā)式、研討式、交互式、實踐式、自學式”等緊密結(jié)合的教學模式上。在注重學生素質(zhì)教學的同時，加強創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，注重學生個性發(fā)展要求，全面因材施教，使“知識、能力、素質(zhì)”教學協(xié)調(diào)發(fā)展。[3]例如，在課堂中引入了大量的實際項目案例教學，引導學生思考所學知識在實際項目中的體現(xiàn)以及實際項目中的理論與技術(shù)難點的解決辦法，激發(fā)了學生的學習興趣，調(diào)動了學生的積極性。

另外，我們還采用“教、學、做”相結(jié)合的教學方法。在講解過實際項目教學案例后，一般會布置具有研究性的課程設(shè)計作業(yè)，要求學生根據(jù)指定的被控對象、被控變量以及控制要求，自己動手設(shè)計控制方案，并用Matlab仿真軟件實現(xiàn)自己的控制方案。同時，還要求學生根據(jù)仿真結(jié)果，總結(jié)自己設(shè)計的控制方案的優(yōu)缺點，并指出實際應(yīng)用中可能存在的問題。這一教學方法，能夠引導學生綜合利用所學知識、自主學習鉆研，提高了學生的分析、解決問題能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。

2.2改革教學手段 激發(fā)學生學習興趣

過程控制課程是一門理論性、應(yīng)用型、實踐性都很強的綜合性課程，不少學生認為這門課枯燥、難學，學習積極性不高。為使學生更好地理解抽象的理論和概念，我們重新制作了多媒體課件，充分發(fā)揮了多媒體信息量大、直觀生動的特點。例如，在自制的多媒體課件中，對工藝流程圖、方框圖以及原理圖，多采用動畫的形式體現(xiàn)；還在多媒體課件中添加了一些過程控制系統(tǒng)的現(xiàn)場工作視頻，使學生對過程控制系統(tǒng)有一個感性的認識。在教學中，我們采用多媒體和傳統(tǒng)板書相結(jié)合的方式。對于需要大量圖表講解時，用多媒體體現(xiàn)出表現(xiàn)形式豐富、操作便捷、省時高效的優(yōu)勢[4]；對于需要公式推導時，我們采用板書的方式，使學生能夠緊跟教師的思路，理解整個推導過程。這種多媒體和板書結(jié)合的授課方式，使兩者相輔相成，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，使學生能夠更充分地理解各個知識點，有效地保證了課堂教學效果。

為使學生更加直觀地理解過程控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的效果，我們把Matlab仿真引入到課堂教學中。通過使用Matlab仿真，可以完成被控對象建模、PID控制規(guī)律分析、過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計、整定等任務(wù)，加深學生對過程控制理論和過程控制系統(tǒng)的理解。

近年來，網(wǎng)絡(luò)輔助教學和網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)成為高校課程改革的一個熱點。[5]網(wǎng)絡(luò)教學平臺可以將課堂教學延伸至互聯(lián)網(wǎng)，使教學不再受時間和地點的局限。[6，7]另外，網(wǎng)絡(luò)教學平臺還可以實現(xiàn)資源共享，師生互動，豐富教學內(nèi)容和手段。為此，我們在校園網(wǎng)為過程控制課程專門建設(shè)了課程網(wǎng)站。通過該網(wǎng)站學生可以下載、觀看、瀏覽本課程的授課視頻、電子課件、實際過程控制系統(tǒng)項目案例等教學材料，擴充了學生的學習素材。此外，網(wǎng)站還設(shè)立了交流學習版面，學生和教師可以在該版面相互交流、討論或答疑等，大大豐富了學生和學生之間、學生和教師之間的溝通渠道。

3　實驗教學改革

本課程是一門實踐性很強的課程。因此，實驗教學是本課程教學的一個重要組成部分。[8]實驗教學的目標不僅是為了鞏固理論知識，而且更重要的是培養(yǎng)學生的理論聯(lián)系實際能力、動手能力、觀察能力、思維能力和創(chuàng)新能力。[9，10]一直以來，我們非常重視過程控制課程的實驗教學。2000年，我校就建立了過程控制實驗室，購置了10臺TKGK-1型過程控制實驗裝置。2012年，我校又將這10臺實驗裝置全部更新為同公司生產(chǎn)的THKGK-1型產(chǎn)品。這些實驗裝置可以基本滿足過程控制課程的實驗需求。在實驗教學中，我們將實驗項目分為三類：驗證性實驗、設(shè)計性實驗以及創(chuàng)新性實驗。其中驗證性實驗是必做實驗，是學生在THKGK-1實驗裝備上，根據(jù)實驗指導書，進行實驗；設(shè)計性實驗項目是由教師給出設(shè)計任務(wù)，學生自行設(shè)計完成。此類項目能使學生熟練掌握過程控制系統(tǒng)的設(shè)計流程，充分應(yīng)用相關(guān)理論知識解決實驗中的相關(guān)問題。創(chuàng)新性實驗是教師根據(jù)與企業(yè)的橫向合作情況，給學生指定創(chuàng)新性實驗題目。我們的比較成功的做法是以3～5名學生成立項目小組，在教師指定被控對象和被控變量的前提下，項目小組可自行選擇控制結(jié)構(gòu)、控制算法，要求必須完成指定項目的方案設(shè)計、系統(tǒng)構(gòu)建、參數(shù)整定、仿真實驗、結(jié)果分析以及答辯任務(wù)。

4　結(jié)束語

近年來，我們通過對過程控制課程在教學內(nèi)容、教學方法與手段、實驗教學方面的改革探索，使教學內(nèi)容更加合理、教學方法更加科學、教學手段更加豐富、實踐環(huán)節(jié)更加充實，提高了教學質(zhì)量，取得了較好的教學效果。

[1] 黃學章.自動檢測和過程控制課程教學改革與實踐[J].湖南醫(yī)科大學學報:社會科學版，2009，12(1):117-118.

[2] 沈亞斌，趙濤，陳桂.過程控制系統(tǒng)課程教學改革的探索與實踐[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學院學報，2011(6):33-36.

[3] 李天華，候加林，施國英.過程控制系統(tǒng)教學改革的探討[J].實驗室科學，2012，15(4):43-45.

[4] 唐玉玲.過程控制課程教學改革及實踐[J].科技信息，2011(19):10-11.

[5] 楊大勇，楊俊清.基于Matlab的過程控制工程教學改革與實踐[J].化工高等教育，2011(5):80-82.

[6] 劉保軍，黎萍.“自動檢測與過程控制”課程教學改革探索[J].中國電力教育，2012(9):69-70.

[7] 王燕，王輝，張謙.過程控制課程教學改革探索[J].中國教育技術(shù)裝備，2010(12):33-34.

[8] 劉珊，鄭文峰.《過程控制系統(tǒng)》課程的教學改革[J].實驗科學與技術(shù)，2013，11(1):70-72.

[9] 許其義，武玉強，張立華.“過程控制”課程的教學改革與探索[J].電氣電子教學學報，2013，35(6):25-26.

[10] 呂廣紅，黃崇林.過程控制課程實驗教學改革與實踐[J].裝備制造技術(shù)，2013(3):171-173.

Exploration of Teaching Reform on Process Control

Du Haishun， Zou Dayong
School of Computer and Information Engineering， Henan University， Kaifeng， 475004， China

Process control is a required professional basic course for the studentsmajored in automation， which has relatively strong characteristics in theory， application and practice. According to the characteristics of the course， this paper aims to study on the teaching reform of process control， including teaching content， teachingmethod andmeans， experiment teaching and so on. The practical teaching results shows that the reformed teachingmode can arouse the students’enthusiasm and initiative， and achieve better teaching effects.

process control； teaching content； teachingmethod andmeans； experiment teaching； teaching reform

2014-11-07

杜海順，博士，副教授。鄒大勇，碩士，講師?；痦椖浚汉幽洗髮W第十二批校級教學改革研究項目。