工程师教育模式在双一流人才培养教学体系中的应用研究

雒瑞森　王建　曾晓东　龚薇　杨晓梅　余勤　任品

【摘 要】在对田纳西-伊斯曼过程（Tennessee Eastman）的故障检测中，使用了基于主元分析（PCA）、核主元分析（KPCA）、独立成分分析（ICA）、规范变量分析（CVA），以及层级组合方法，对该化工生产过程进行了故障诊断。向学生提供了“训练集”、“测试集”数据以及部分相关资料，并引导学生自行搜索更多文献，鼓励学生以小组为单位，分别探索，共同讨论，从不同的角度观察、分析问题，争取以不同的方式解决问题，最终完成MATALB程序。学生们分别对整个生产过程在SIMULINK中建模，并在最后的讨论中以PPT的形式进行展示、讲解。讨论课中，学生各抒己见，积极分享学习成果，加深了对自动控制原理的理解，增进了对控制系统建模和分析的能力。通过这些科学研究的简化内容，让学生们了解到自己所学的知识可以用于解决工业过程中的典型问题，并通过查阅文献，自主学习，对相关领域有了一定的了解，让学生感到学有所成、学有所用，也为学生们日后对相关领域的深入研究奠定了基礎。

【关键词】Tennessee Eastman过程；控制系统仿真与设计课改；过程故障诊断

中图分类号： U469.72；U467.52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0258-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.124

0 引言

控制系统仿真与设计作为自动化的专业必修课有着极其重要的意义，该课程教学任务是使学生将理论学习与实验结合起来，并初步掌握计算机仿真的基本理论、基本知识和基本技能，同时培养学生利用计算机对系统进行分析、设计和综合研究的能力[1]。能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析具体的复杂自动化工程问题，以获得有效结论。能够针对具体的自动化工程问题，设计解决方案。所设计的方案可满足特定的工程需求，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

1 课程改革目的

过去的旧课程是以知识的传授和技能的培养为主，而新课程老师除了要传授知识和培养学生的技能，还要注重对学生的解决实际问题的能力进行培养，这种重大的转变在课程改革中推进很艰难，本次改革尝试转变的观念，制定并实施了课程的三维目标培养。

本次改革意在构建体现多样化、探索性的课程结构，打破旧的传统课程背景下照本宣科，只注重理论基础，忽视实践能力的弊端；以提高学生综合素质为宗旨，以培养创新精神和实践能力为重点。具有从事自动化工程所需的数学、自然科学、工程基础和专业知识，并可灵活、综合应用这些知识。能够基于相关科学原理并采用科学方法对具体自动化工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。能够针对具体自动化工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

2 以科研项目和讨论课形式引导学生深入学习

课堂教学师生互动、平等参与，注重学生的学习方式、学习愿望和学习能力的培养。尽可能地组织学生运用合作、小组学习方式——两人一组，在培养学生合作与交流能力的同时，积极调动每个学生的参与意识和学习积极性；课堂上经常出现讨论、交流和合作学习的场面。逐渐地，课堂呈现出了师生互动、生生互教互学的生动场景。学生学习的自主性被激活，学习方式和思维方式发生了质的飞跃，课堂不再只是知识的交流，课堂充满生机和活力，学生多了思考的空间，教师成了学生学习中的伙伴、朋友。学习变成了一种交流、讨论和对话，是一种真正意义上的探究式学习。在讨论中，同学们在需求实现方法上有了很多突破，改进了泰勒级数法、积分法等多种方法。使得实验结果越来越理想，这并不是某一个学生或者老师的成绩，恰恰是大家积极探索的成果。

2.1 逼近π的值

在前一学期，在学生对本课程稍有理解，但知识储备仍不太丰富的情况下，我以“逼近π的值”为讨论课题目，引导学生利用所学知识，参考教材，结合网络工具自主学习，从而使用matlab软件解决问题，最后总结学习经验以及学习成果，且在讨论课上进行展示并讨论[2]。学生之前用matlab所做的题目都是课本上针对单一知识点的运用所出的问题，而此次讨论课则引导学生从不同的角度去解决问题，再将解决方法以代码实现，并从算法复杂度以及结果精度各方面综合评估学生所设计的方案，使学生在整个过程中不仅加深了对课本知识的理解程度，提高了运用能力，同时也培养了学生自主学习、思考问题、解决问题的能力，更是让学生首次感受到了综合运用多个课程所学知识系统性地解决具体问题的快乐。从讨论课的效果观察到，学生对通过什么方式解决问题进行了各自的思考，也给出了不同的方案，例如泰勒级数法、积分法、蒙特卡洛法、割圆法、沃利斯公式法以及维达公式法等，尽管问题并不复杂，解决方式却多种多样，可以让学生进行充分的思考，更重要的是，通过整个课程，在学生们的心埋下了求知的种子，为今后的学习奠定了良好的基础。

2.2 双闭环调速系统仿真

对于自动化本科学生而言，各种闭环控制系统是其学习重点，而本课程的一大重要使命即是让学生学会使用matlab对在其他课程的学习过程中遇到的典型系统进行仿真，因此，在第二个学期的学习过程中，我以“双闭环调速系统仿真”为题，旨在培养学生对多门课程知识的综合应用能力以及系统化思维能力，也让学生在验证所学知识的同时，加深对相关知识的理解，提高对知识的运用能力[3]。

本次讨论课需要学生综合运用控制系统CAD、运动控制系统以及过程控制相关知识，通过所给的系统过程以及相关数据，建立仿真模型，并通过对所学的各种方法做出选择，对控制器参数进行整定，最终得到理想的控制效果[3-4]。在教学过程中，我发现同学们对这类实际问题很感兴趣，同时也引导学生对该系统的各个过程、抗扰性能进行讨论，并与其他控制系统进行比较，讨论双闭环系统的优缺点，并且与实际工业过程相结合，讨论系统的适用环境，让学生在使用所学知识的过程中，加深理解，得出自己的感悟，也让学生学会站在工程的角度评估系统，而不仅仅局限于课本结论。

2.3 “田纳西-伊斯曼过程”的故障诊断

在完成了两个学期的教学任务后，为了进一步提高学生的自学能力，以及对本课程理论知识的综合应用能力，我以“故障检测”作为本课程的最后一次讨论课题目，向学生介绍了田纳西-伊斯曼过程（Tennessee Eastman），同时提供了“训练集”、“测试集”数据以及部分相关论文，并引导学生自行搜索更多文献，鼓励学生以小组为单位，分别探索，共同讨论，从不同的角度观察、分析问题，争取以不同的方式解决问题，最终完成matlab程序。

最后，各组学生通过课堂教学引导，课下自主学习，以及助教统一答疑，最终完成了本次讨论课的题目要求。学生们分别使用了基于主元分析（PCA）、核主元分析（KPCA）、独立成分分析（ICA）、规范变量分析（CVA）等方法，或是为了得到更好的检测效果而将其中的几种配合使用，并在最后的讨论中以PPT的形式进行展示、讲解，课上，学生各抒己见，积极分享学习成果。通过该次讨论课，学生们了解到自己所学的知识可以用于解决工业过程中的典型问题，并通过查阅文献，自主学习，对相关领域有了一定的了解，让学生感到学有所成、学有所用，也为学生们日后对相关领域的深入研究奠定了基础。通过某种方法，构造出一个SPE统计量，它在数据正常情况下将会维持在一个比较低的水平，当数据异常（出现故障）时，我们会发现此统计量的值明显升高。由此，可以通过判断此统计量是否超过某一阈值（红线）来判断故障是否发生。

3 课改成绩收获简述

3.1 课堂教学模式的变化

在这次课改实验过程中，以学生发展的促进者、引导者、“平等中的首席”的身份，努力创建学生自主、合作、探究的快乐学习的新型课堂教学机制。为了培养学生具有灵活自主的能力，我们尽力设置灵活多样的教学活动，对自动控制原理的课堂内容进行实践和丰富，让学生们在自主、合作、探究的快乐学习中快乐成长。

3.2 知识由课内延伸到课外

在布置作业、组织综合实践等方面也都紧紧围绕新课标灵活实施。因此，学生们在教师的引导下，课外的延伸学习也同样是积极、自主、合作、探究的快乐学习。

3.3 教学反馈

在课下与学生的交流中，学生表示，在讨论课中收获最大的就是对于资料的选取与阅读能力有着显著提升。在接收到实验的具体要求的时候，或许有一种无从下手的感觉。无论是从资料的查询，还是实验的具体细节。在经过老师的指点之后，开始有了一些浅薄的思考。在一点点地阅读资料时，学生慢慢能够理解程序代码中蕴含的思想。然后在与同学的交流过程中，学生对于各种方法的理解又深了一层。例如PCA方法的优越就是在于降阶分析。虽然在选取主元的时候会丢失数据，但是阶次越低，分析方法就越简单且多样。在学生学过的所有课程中，强调的都是把高阶系统拟合为低阶系统以便分析，PCA方法正是契合了这种思想。但因为其对于主元有所取舍，数据信息的丢失也是必然的，设计的贡献率虽然不是全部信息，但能够代表主要数据。在如今的大数据时代，自动选取主要信息愈发重要。由此可见，通过讨论课的形式进行教学，的确可以让学生学有所思，思有所得。

4 结论

在课堂上我们想尽办法提高教学质量，而这最终将以学生情感的共鸣，知识、技能的掌握作为评价依据。通过对新课程的研究和实验，会促进学习相关的教育理论、教改经验，帮助教学观念和教学行为的转变。

（1）实现了师生关系的转变。

（2）实现了由“传授”到“指导”的转变。

（3）对教学过程的设计发生变化。

增进对学生已有学习经验的掌握，从学生的认知特点和实际接受水平出发，灵活地处理教材，拿出符合学生知识和心理需求的教学设计。体现了三维目标意识、合作意识、情境意识和评价意识；情境教学实验的合作学习方式確实能使学生思维活跃，发言积极，能提出问题、收集资料，学会利用多种手段，通过多种途径获取信息的方法，确实提高了学生的独立学习能力。

总之，新课改是一项十分艰巨工作，在实施过程中既获得了成功的体验，又遇到了许多困难，只有加强教学科研，创造性的实施新课程，才能肩负起时代赋予我们的责任。我们希望这是一场全新的改革，做到一步一个脚印，追求教育教学真实的面貌，取得实质性的成功。

【参考文献】

[1]林峰.“MATLAB与系统仿真”课程的教学改革[J].电气电子教学学报.2015，37（3）：12.

[2]王海英，袁丽英，吴勃.控制系统的MATLAB仿真与设计[M].第一版.北京：高等教育出版社，2009.

[3]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].第四版，北京：机械工业出版社，2009：59-89.