謝成祥，張永春

(常州工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

“過(guò)程控制技術(shù)”是自動(dòng)化專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)課程，該課程以流程工業(yè)中的生產(chǎn)設(shè)備為對(duì)象，以控制理論為基礎(chǔ)，以工業(yè)自動(dòng)化儀表/工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為工具，研究生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，涉及對(duì)象建模、控制方案設(shè)計(jì)、儀表選型、控制器參數(shù)整定等內(nèi)容，既有較強(qiáng)的理論性，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性[1-2]。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)理工科高等院校的自動(dòng)化專業(yè)都開(kāi)設(shè)了“過(guò)程控制技術(shù)”(或“過(guò)程控制”“過(guò)程控制系統(tǒng)”等)課程，該課程的宗旨是通過(guò)課程的教學(xué)，使學(xué)生能針對(duì)不同的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行單回路控制系統(tǒng)以及各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試和整定工作，為今后從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3-4]。

1 “過(guò)程控制技術(shù)”的教學(xué)現(xiàn)狀分析

在“過(guò)程控制技術(shù)”的教學(xué)過(guò)程中，通常先介紹過(guò)程控制系統(tǒng)的構(gòu)成，然后對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分分別展開(kāi)學(xué)習(xí)，從對(duì)象建模、變送器到執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器，接著介紹各種過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、分析和設(shè)計(jì)以及控制器參數(shù)的整定，最后，介紹1～2個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)例。這樣的教學(xué)過(guò)程存在以下問(wèn)題：教師偏重于知識(shí)的傳授，忽視了學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)；復(fù)雜、抽象的概念多，純粹的理論公式推導(dǎo)多，缺乏工程應(yīng)用背景，因此，容易使學(xué)生失去興趣；缺少工程實(shí)際問(wèn)題的實(shí)例講解，教學(xué)針對(duì)性差，導(dǎo)致學(xué)生不能很好地把握控制方法的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)一般性和原則性的知識(shí)理解困難。

“過(guò)程控制技術(shù)”是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，要求學(xué)生在學(xué)好理論的同時(shí)，還要有較強(qiáng)的動(dòng)手能力，因此，必須要重視課程的實(shí)踐教學(xué)。在以往的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)內(nèi)容多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中按部就班，流于形式，學(xué)生的主動(dòng)性不足，獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力的提高受到極大的限制，因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

上述現(xiàn)狀表明，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，難以適應(yīng)用人單位的需要。為改變這種現(xiàn)狀，我們結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，合理選擇教學(xué)內(nèi)容，引入適當(dāng)?shù)陌咐捎冒咐虒W(xué)法，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，開(kāi)拓學(xué)生的工程視野，提高學(xué)生的整體把握能力，改善教學(xué)效果。

2 案例教學(xué)及其特點(diǎn)

案例教學(xué)法最早由美國(guó)哈佛大學(xué)商學(xué)院提出。教學(xué)中采用案例教學(xué)法，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，該方法生動(dòng)具體、直觀易學(xué)，同時(shí)能夠集思廣益。在案例教學(xué)過(guò)程中，教師一方面是教學(xué)過(guò)程的主導(dǎo)者，掌握著教學(xué)進(jìn)程，組織學(xué)生進(jìn)行討論研究，引導(dǎo)學(xué)生思考并進(jìn)行總結(jié)、歸納，另一方面，在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)豐富多樣的教學(xué)形式，吸引學(xué)生在課堂上的注意力，有利于學(xué)生始終保持較好的精神狀態(tài)。由于教學(xué)內(nèi)容是具體的實(shí)例，配合形象、直觀、生動(dòng)的形式，有身臨其境的感覺(jué)，易于理解。教師在課堂上不再是一言堂，而是參與到學(xué)生的討論思考中，同時(shí)，學(xué)生在課堂上也不局限于記筆記，而是積極投身到問(wèn)題的共同探討中。由于能夠調(diào)動(dòng)集體的智慧和力量，容易開(kāi)拓思路，從而收到良好的教學(xué)效果。

案例教學(xué)法具有5個(gè)特點(diǎn)。1)具有明確的目的性。通過(guò)對(duì)案例的閱讀、思考、分析和討論，學(xué)生可以建立起適合自己的邏輯思維方式，提高分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。2)客觀真實(shí)性。案例的真實(shí)性決定了案例教學(xué)的真實(shí)性，學(xué)生可以根據(jù)自己所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容，得出自己的結(jié)論。3)較強(qiáng)的綜合性。學(xué)生不僅需要具備必要的理論知識(shí)，而且還需要綜合利用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。4)深刻的啟發(fā)性。案例教學(xué)的目的是啟發(fā)學(xué)生自主地去思考，它注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，使學(xué)生建立起一套分析、解決問(wèn)題的思維方式。5)教學(xué)過(guò)程的交互性。在教學(xué)過(guò)程中存在教師和學(xué)生的交互，學(xué)生個(gè)體之間、學(xué)生群體之間的交互[5]。

鑒于案例教學(xué)法的特點(diǎn)，結(jié)合“過(guò)程控制技術(shù)”課程工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，我們精心安排了教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)引入相關(guān)案例，使學(xué)生可以根據(jù)有工程背景的實(shí)際案例，把理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而激發(fā)學(xué)生思考和鉆研，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，幫助學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題，最終提高工程實(shí)踐能力。

3 案例教學(xué)的具體實(shí)施

為在“過(guò)程控制技術(shù)”課程的教學(xué)過(guò)程中引入案例教學(xué)，我們優(yōu)化了課程的結(jié)構(gòu)和知識(shí)體系，以適應(yīng)教學(xué)時(shí)數(shù)減少的教學(xué)需要。在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，針對(duì)過(guò)程控制的特點(diǎn)，深入研究教材，確定教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。以過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成→過(guò)程控制對(duì)象的特性分析→過(guò)程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)→過(guò)程控制系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定為主線，同時(shí)跟蹤技術(shù)前沿，經(jīng)研究、整理后提煉出必要的內(nèi)容充實(shí)到教學(xué)過(guò)程中。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中不拘泥于教材，而是對(duì)教材內(nèi)容做有機(jī)的增刪取舍，如：舍棄各類過(guò)程參量傳感器的工作原理，側(cè)重于過(guò)程檢測(cè)儀表選型和應(yīng)用場(chǎng)合方面的內(nèi)容；在執(zhí)行器方面，除了傳統(tǒng)的氣動(dòng)和電動(dòng)執(zhí)行器之外，增加變頻器技術(shù)及其應(yīng)用；在過(guò)程控制理論方面，則刪除一些與自動(dòng)控制原理有重復(fù)的內(nèi)容，偏重于理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用分析。

確定好教學(xué)內(nèi)容后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，精心選擇教學(xué)案例，采用問(wèn)題式、啟發(fā)式方法引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考，使其掌握學(xué)習(xí)新知識(shí)的正確方法。本文選取了3個(gè)具體案例來(lái)說(shuō)明“過(guò)程控制技術(shù)”課程案例教學(xué)的實(shí)施。

案例1：被控對(duì)象的小偏差增量化線性模型。過(guò)程控制中的被控對(duì)象一般都具有非線性，而小偏差線性化則是應(yīng)用非常普遍的一種線性化方法，該方法的核心有2個(gè)，一是平衡工作點(diǎn)，二是工作點(diǎn)附近的小偏差近似線性化，然后得到增量化線性模型。該建模過(guò)程本身并不復(fù)雜，但增量化線性模型這一概念比較抽象，學(xué)生往往難以理解這個(gè)概念。針對(duì)這種情況，在講授這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，用一個(gè)單容水箱作為研究對(duì)象，首先做出一些合理的假設(shè)，然后建立起嚴(yán)格的非線性數(shù)學(xué)模型，利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法，借助于小偏差的概念，得到近似的線性化模型，將非線性模型和線性模型在MATLAB/SIMULINK中表示出來(lái)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)非線性模型與線性化模型對(duì)比仿真結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)仿真，找出某種條件下的平衡點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)仿真曲線介紹平衡點(diǎn)的概念。接著，在平衡的情況下，對(duì)輸入信號(hào)(通常為進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)度)施加一個(gè)不大的階躍，得到從一個(gè)平衡點(diǎn)到另外一個(gè)平衡點(diǎn)的過(guò)渡過(guò)程曲線，并將此過(guò)渡過(guò)程曲線與線性化模型的階躍響應(yīng)曲線作比較，由兩條曲線得到相關(guān)增量的概念，從而使學(xué)生領(lǐng)會(huì)線性化模型的響應(yīng)就是系統(tǒng)的增量化響應(yīng)。進(jìn)一步，可以改變輸入階躍幅度，觀察當(dāng)對(duì)象輸入階躍幅度增大時(shí)，線性化模型的響應(yīng)曲線與非線性模型過(guò)渡過(guò)程曲線的變化，會(huì)發(fā)現(xiàn)線性化模型替代對(duì)象實(shí)際模型時(shí)，精度越來(lái)越差，從而領(lǐng)會(huì)小偏差線性化模型真諦，理解線性化模型的適用范圍。在非線性模型仿真時(shí)，大幅度改變平衡點(diǎn)的位置，然后施加同樣幅度的階躍，觀察非線性模型的響應(yīng)與線性化模型的響應(yīng)，由此分析平衡點(diǎn)的變動(dòng)對(duì)線性化模型精度的影響，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)所謂的小偏差是某個(gè)平衡點(diǎn)附近的小偏差，使學(xué)生更好地理解小偏差的工程意義，明確線性化模型的適用范圍。

案例2：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)。單回路控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的過(guò)程控制系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但在教學(xué)過(guò)程中，特別是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生面對(duì)一個(gè)被控對(duì)象和給定的要求，制訂控制方案時(shí)仍心里沒(méi)底?？刂品桨复_定后，給定儀表，利用現(xiàn)有設(shè)備獨(dú)立組成一個(gè)單回路控制系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生有無(wú)從下手的感覺(jué)。課堂講授時(shí)，學(xué)生表示對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的方框圖都能理解，但從方框圖轉(zhuǎn)換到實(shí)際工程就難以理解。針對(duì)這種情況，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目這個(gè)案例，要求學(xué)生事先做好預(yù)習(xí)，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，通過(guò)一系列的提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生回顧單回路控制系統(tǒng)的組成部分和設(shè)計(jì)原則，在實(shí)驗(yàn)裝置上找到與方框圖對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)組成的事物，從控制柜上找到各自對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入/輸出點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生連接相應(yīng)的信號(hào)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的單回路控制系統(tǒng)，同時(shí)，為后面的串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展打下了較好的基礎(chǔ)。

案例3：過(guò)程控制系統(tǒng)的參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)的整定是保證系統(tǒng)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的保障，也是過(guò)程控制系統(tǒng)投運(yùn)前的重要一環(huán)，以工程整定方法為主。教師在講解這一部分時(shí)，往往結(jié)合自動(dòng)控制原理，從影響系統(tǒng)控制品質(zhì)的因素出發(fā)，研究PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的影響，學(xué)生理解比較困難，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，盡管教材上給出PID參數(shù)的具體整定步驟，但由于理解程度不夠，遇到具體情況時(shí)，還是不知道如何去調(diào)整。為此，在課堂講授時(shí)，利用之前得到的數(shù)學(xué)模型，用MATLAB/Simulink構(gòu)建仿真模型，按照整定的步驟得到PID參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線的變化情況，并針對(duì)這種變化情況提出問(wèn)題：為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？引導(dǎo)學(xué)生思考，回顧復(fù)習(xí)自動(dòng)控制原理中的相關(guān)內(nèi)容。這樣，通過(guò)這部分的學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)生掌握了PID參數(shù)整定的步驟，同時(shí)還使學(xué)生了解PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的控制品質(zhì)有什么影響，建立了PID控制的感性認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的具體情況，普遍能采取合適的措施。通過(guò)這樣的案例講解，不僅使學(xué)生對(duì)PID控制規(guī)律有了深刻的理解，而且使學(xué)生對(duì)PID的作用、應(yīng)用場(chǎng)合以及調(diào)整方法和理論依據(jù)有了更深入的了解。

除了上述案例之外，在該課程的教學(xué)過(guò)程中，還引入了串級(jí)控制、前饋控制等案例，限于篇幅，在此不再一一敘述。

4 實(shí)施案例教學(xué)的效果與問(wèn)題反思

在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合案例，將知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)際相對(duì)照，能做到條理清晰、重點(diǎn)突出，同時(shí)，給予了學(xué)生思考的空間，啟發(fā)了學(xué)生的思維，加強(qiáng)了與學(xué)生的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。在案例教學(xué)中結(jié)合仿真軟件，為學(xué)生課外自主研學(xué)、理論與實(shí)踐相結(jié)合提供了一種有效途徑，便于學(xué)生由課內(nèi)學(xué)習(xí)進(jìn)一步向課外研究延伸。通過(guò)與學(xué)生的互動(dòng)，教師也能及時(shí)獲得學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋，從而加強(qiáng)與學(xué)生的交流與溝通，使得課堂教學(xué)張弛有度，氣氛和諧。

經(jīng)過(guò)對(duì)近兩屆學(xué)生的實(shí)踐，學(xué)生對(duì)案例教學(xué)法普遍反映較好，學(xué)習(xí)興趣有了明顯提高。學(xué)生不僅對(duì)該課程的知識(shí)脈絡(luò)理解較為深刻，而且對(duì)相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合、能夠解決的問(wèn)題等等都有較好地掌握，同時(shí)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的認(rèn)識(shí)也有了進(jìn)一步的提高。課程中涉及的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路、過(guò)程和原則，以及控制器參數(shù)的整定方法也被學(xué)生拓展應(yīng)用到其他課程如“自動(dòng)控制系統(tǒng)”等的學(xué)習(xí)過(guò)程中，起到了一定的輻射作用。從學(xué)生的反饋也可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)案例教學(xué)，他們的工程實(shí)踐能力有了提高，能夠從工程應(yīng)用的角度來(lái)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。

盡管取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果，但在實(shí)施案例教學(xué)的過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。第一，無(wú)法兼顧到所有學(xué)生。因?yàn)槭呛习嗌险n，學(xué)生人數(shù)較多，比較認(rèn)真、勤奮的同學(xué)在交互討論時(shí)比較積極，問(wèn)題能很快得到解決，但對(duì)反應(yīng)慢的，甚至主動(dòng)性不強(qiáng)、不愿意積極思考的學(xué)生，他們的學(xué)習(xí)效果提升不明顯。第二，如何更好地充分利用教學(xué)時(shí)數(shù)，有效地完成教學(xué)大綱規(guī)定內(nèi)容的教學(xué)仍是需要解決的一個(gè)問(wèn)題。從實(shí)施過(guò)程看，案例教學(xué)相比于傳統(tǒng)的教學(xué)需要更多的時(shí)間，因此，在教學(xué)內(nèi)容上就有所傾斜，導(dǎo)致影響課程其他內(nèi)容的教學(xué)。第三，案例選擇的合理性需要進(jìn)一步改進(jìn)，部分案例的工程背景不太令人滿意，在一定程度上影響了教學(xué)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了“過(guò)程控制技術(shù)”課程的案例教學(xué)。由于案例教學(xué)所具有的啟發(fā)性、互動(dòng)性特點(diǎn)，通過(guò)具體的案例，有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，提高了學(xué)生對(duì)課程相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握程度，促進(jìn)了理論與工程實(shí)踐、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相互結(jié)合和相互促進(jìn)，也培養(yǎng)了學(xué)生的探索和創(chuàng)新意識(shí)。今后，還應(yīng)當(dāng)在案例的選擇以及具體實(shí)施方法上做更加深入的研究，以獲得更好的教學(xué)效果。