基于PBL模式的“过程控制系统”课程教学改革与实践

谢莉 徐琛 陶洪峰

摘要为了主动适应新经济发展，支撑国家重大发展战略，建设工程教育强国，教育部自2017年开始大力推进新工科建设。在此背景下，本文以自动化专业“新工科”人才培养为目标，针对“过程控制系统”课程所存在的教学内容繁杂、授课形式僵化、实践环节薄弱、考评方式单一等问题，通过引入PBL教学模式并借助于智慧教学工具“雨课堂”，在教学内容、教学方法、实验教学和考核体系等方面进行了全方位的教学改革，从而促进自动化专业工程人才培养质量的有效提升。

关键词PBL教学模式;过程控制系统;课程改革;新工科

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.34.040

Teaching Reform and Practice of Process Control System Based on PBL Mode XIE Li，XU Chen，TAO Hongfeng

（College of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122）

AbstractIn order to actively adapt to the new economic development，support the national major development strategy and build a powerful country in engineering education，the Ministry of education has vigorously promoted the construction of new engineering since 2017. In this context，aiming at the training of "new engineering" talents of automation specialty，aiming at the problems existing in the course of process control system，such as complex teaching contents，rigid teaching forms，weak practical links and single evaluation methods. This paper introduces PBL teaching mode and with the help of intelligent teaching tool "rain classroom". An all-round teaching reform has been carried out in the aspects of experimental teaching and assessment system，so as to promote the effective improvement of the training quality of automation engineering talents.

KeywordsPBL teaching mode;process control system;course reform;new engineering

“过程控制系统”是自动化专业的一门核心课程，具有非常强的专业性和实践性。这门课程不仅讲授过程控制的理论知识，又体现了控制理论在工业生产过程中的应用，强调学生工程观念、设计能力的训练，以及理论与实践相结合解决复杂工程问题能力的培养。[1]然而，“过程控制系统”课程当前仍然存在教学内容复杂抽象、授课形式僵化、实践环节薄弱、考评方式单一等传统工科课程普遍存在的共性问题，难以适应“新工科”建设所提出的“厚基础、强能力、高素质”这一人才培养需求，因此对其进行教学改革势在必行。[2-3]

PBL（ProblemBased Learning）教学模式强调把学习设置到复杂、有意义的问题情境中，鼓励学生通过自主学习和集体讨论，相互协做分析、解决问题，从而逐步获取和掌握相关的专业知识。[4]本文将以自动化专业“新工科”人才培养为目标，将PBL教学模式引入到江南大学的“过程控制系统”课程，并借助于智慧教学工具“雨课堂”，在教学内容、教学方法、实验教学和考核体系等方面进行全方位改革，从而充分调动学生的主观能动性，提高课堂效率和学习成效，全面培养学生的自主学习能力、设计能力、创新能力、分析和解决问题的能力，以及工程实践能力。

1教学现状分析

“过程控制系统”课程的主要教学内容较为繁杂，包括过程控制的基本概念，过程特性的建模方法，单回路控制系统，复杂控制系统，先进控制系统，以及相关的典型应用实例。然而，自2017级开始，江南大学自动化专业的理论教学由60学时缩减为44学时。在理論学时严重压缩的情况下，必须对课程的教学内容进行整合优化，才能保障教学目标的有效达成。

“过程控制系统”课程包含一些复杂抽象的理论知识，如过程的机理建模、串级控制系统副回路特性的分析、相对增益矩阵的计算、内模控制系统的性能分析等，采取传统的教学方法难以取得理想的教学效果。因此，必须以学生为中心，采取多样化的教学方法，从而充分调动学生的主观能动性，提高课堂效率和学习成效。

“过程控制系统”课程目前开设了12学时的实验，但是以验证性实验为主，目的在于帮助学生理解有关的理论知识，掌握基本的实验操作能力，学会简单的PID工程整定方法，在实验的设计性和综合性方面较为欠缺。因此，需要构建递进式实验教学体系，从而全面提高学生的设计能力、创新能力和工程实践能力。

“过程控制系统”课程当前的成绩评定主要以期末考试为主，占总评成绩的比例达到60%-70%。然而，期末考试成绩在课程考核体系中占比过高，不能真正考核学生的学习情况和专业能力。因此，需要加强过程性评价，改革课程考核体系，从而提升评价方法的全面性和科学性，充分调动学生参与教学活动的主动性和积极性。

2教学改革举措

2.1整合优化教学内容，在强化过程控制系统基础知识的同时，引入过程控制工程设计和先进控制系统的有关内容，拓宽学生的知识宽度，培养学生解决复杂工程问题的能力

由于理论学时严重压缩，必须删除“过程控制系统”与“自动控制原理”“传感与检测技术”“自动化仪表”和“计算机控制系统”等有关课程的重复性知识，形成各有侧重、互为衔接、互为促进的课程群。例如，在“自动控制原理”课程中介绍了PID控制器的传递函数，并通过Bode图分析了PID控制对系统的稳态性能和动态性能的改善。因此，在“过程控制系统”这门课程中，可淡化PID控制理论知识的讲解，重点强调PID控制规律在过程控制系统中的应用，以及PID参数的工程整定方法。

以“厚基础”为基本出发点，将单回路控制、串级控制、比值控制、分程控制、选择性控制等典型控制系统的基本原理、系统构成、工作特点和设计方法作为本课程的重点教学内容，保证每位学生都能够灵活掌握和应用。同时，为了加强学生的工程意识和系统观念的培养，结合授课教师主持和参与的横向课题，增加过程控制系统工程设计的常用标准、管道仪表流程图的绘制、控制方案的选择原则等教学内容。此外，为了拓宽学生的知识宽度，通过科研反哺教学的方式，以专题讲座和研讨的形式介绍补偿控制、内模控制、解耦控制、预测控制等先进控制系统的基本原理、研究现状、发展趋势及应用案例等有关内容，引导学生通过自主性和研究性学习，提高解决复杂工程问题的能力。

2.2基于PBL教学模式，借助智慧教学工具“雨课堂”，完成以“教”为中心到以“学”为中心的转变，充分调动学生的主观能动性，提高课堂效率和学习成效

基于PBL教学模式开展“过程控制系统”课程的教学，首先应立足于每节课的教学目标，针对教学中的重点和难点内容，结合学生前期课程学习的具体情况，创设一些具有现实意义的开放式问题。进一步围绕问题启发学生思考，让学生对问题背后的学习目标形成共识，同时确定解决问题所需掌握的学习要点。经授课教师的引导，学生通过探索和学习，在问题求解的过程中逐个突破遇到的知识关卡。这种带着问题去思考和学习的方式更容易调动学生的主观能动性，从而加深对理论知识的理解和掌握。问题得以解决之后，授课教师还将再次组织学生进行研讨，总结学习成果和分享学习经验，促进学生在反思解决问题的过程中提炼所掌握的知识要点，进一步检验学习成效。

借助智慧教学工具“雨课堂”，将“过程控制系统”课堂教学延伸至互联网，使教学不再受时间和地点的局限。首先，制作涵盖创设问题的预习PPT，并配以适当的语音或视频讲解，通过“雨课堂”提前推送给学生，引导学生进行有針对性的课前预习。其次，教师在课堂上可随时发布相关题目，让学生限时作答，通过答题情况实时评估学生对知识点的掌握情况;学生也可通过弹幕和投稿功能向教师提问，教师针对共性问题组织所有学生一起研讨，从而帮助学生及时解决问题。学生通过手机端能够随时查看课堂教学内容，方便利用碎片时间进行课后复习;同时，还可通过讨论区、留言板、向特定人提问等功能向教师提问，获得教师的个性化指导。通过“雨课堂”搭建师生互动平台，能够充分激发学生的学习兴趣，提高课堂效率和学习成效。

2.3构建递进式实验教学体系，增设设计性和综合性实验，结合Matlab仿真教学，全面提高学生的设计能力、创新能力和工程实践能力

“过程控制系统”课程目前所开设的6个实验主要是以水箱的液位、温度、流量控制为主的验证性实验，实验内容较为简单，且实验步骤详细具体，学生的综合应用能力、设计能力和创新能力得不到足够的培养。为此，对现有的实验内容进行了升级改造，在实验教学中仅提出实验内容和目的，而实验的方案步骤、仪器仪表的选用、仪表的连接方式、控制方案的选择等完全由学生自己设计，在实验指导教师的引导下独立完成实验，从而提高学生的工程实践能力。

SMPT1000高级多功能过程控制实训系统能够模拟由锅炉和蒸发器组成的水汽热能全流程，比水箱更适合开展综合性实验。但是学院仅有1套设备，无法满足学生的课内需求，因此综合性实验只能在课外进行。该套设备每周开放60小时供30组学生使用，能够保证“过程控制系统”课程的每位学生每两周有一次综合实验的机会。同时，以教育部“西门子杯”中国智能制造挑战赛为契机，在自动化专业的所有学生中开展校级比赛，遴选优秀学生参加分赛区初赛和全国总决赛，通过竞赛的方式检验学生运用过程控制系统专业知识解决复杂工程问题的能力，并促进学生设计能力和创新能力的提高。

相对于基于实际被控对象的过程控制实验，Matlab仿真能够更加方便、快速、低成本的对过程控制系统的理论知识进行验证，帮助学生直观地理解控制系统的结构和评价控制方案的优劣;而且能够分散进行，不受实验室开放时间和实验设备数量的限制。因此，开发与“过程控制系统”理论教学同步的Matlab仿真案例，将其由浅入深的引入到常规教学环节中，学生在仿真模型搭建和仿真结果分析的过程中，能够更加深刻的理解和掌握被控对象建模，控制系统结构原理、方案设计、性能分析、控制器参数整定等学习任务。

2.4结合“雨课堂”提供的教学数据，加强过程性评价，合理分配各项成绩所占权重，提高课程考核评价的全面性和科学性

课程考核方式很大程度上决定了学生的学习方式，为了坚持能力本位原则，加强过程性评价，“过程控制系统”课程通过降低期末考试成绩所占权重，同时提高平时成绩和实验成绩所占权重的方式，提高课程考核评价的全面性和科学性。

目前平时成绩主要由课堂考勤和平时作业两部分构成，以手写的平时成绩记录表作为主要文件依据，不便于信息公开且容易被篡改。而“雨课堂”提供了每堂课的完整教学数据，包括预习答题得分、课堂考勤情况、课堂测试得分、课堂互动情况、课后作业得分、单元测验得分、知识点总结得分等，通过对各项数据进行加权求和，能够更加科学的量化学生的平时成绩，进行过程性考核评价。

实验成绩由基础层实验成绩、提高层实验成绩、仿真实验成绩三部分构成，各占一定权重，从而全面评价学生的设计能力、创新能力和工程实践能力。基础层实验成绩由6个常规实验的平均成绩给出，主要考核学生实验操作的正确性、实验结果的可靠性、实验报告的规范性等方面。提高层实验成绩由“西门子杯”中国智能制造挑战赛的校赛成绩确定，以过程控制赛项的具体要求作为评分标准，从方案设计、技术报告、设计成果、成果展示、团队成员评价等方面进行综合考核。仿真实验成绩由3-5 次具有一定难度的Matlab仿真作业成绩给出，主要考核学生运用Matlab对过程控制系统进行仿真、分析和设计的能力。

3教学改革成效

通过在“过程控制系统”课程开展基于PBL模式的教学改革与实践，取得了较为显著的成效。首先，完成了2020 级教学大纲的修订工作，融入了改革后的教学内容及考核评价方法。另外，本门课程的3位授课教师在2020-2021-2学期全院200余门课程的学生评教中均排名前20%，表明了学生们对本次课程改革的认可。此外，在第十五届教育部“西门子杯”中国智能制造挑战赛中，自动化专业9支参赛队伍在华东二赛区的初赛中共斩获特等奖1项、一等奖1项、二等奖5项、三等奖1项，获奖项数和获奖率创历史新高，并为我校争得了2个晋级全国总决赛的名额。这些成绩既是对本门课程改革成效的验证，也加深了授课教师进一步开展教学改革和探索的信心。

4总结

通过对“过程控制系统”课程当前的教学现状进行分析，分别从教學内容、教学模式、实践教学和考核评价等四个方面进行了基于PBL模式的教学改革与探索，取得了初步的成效。实践表明，新的教学机制更能被学生所接受，能够充分吸引学生在课堂上的注意力，激发学生主动学习的积极性，培养学生的创新性和工程实践能力，促进自动化专业工程人才培养质量的有效提升。

参考文献

[1]龚晓峰，雒瑞森，杨驰.“过程控制”课程教学的优化策略[J].教育教学论坛，2020（24）：251-252.

[2]谢成祥，张永春."过程控制技术"课程案例教学的探索与实践[J].常州工学院学报，2019，32（4）：72-75.

[3]宋文蕾.新工科背景下过程控制课程体系的改革与探索[J].当代教育实践与教学研究，2020（6）：175-176.

[4]张耀鸿.科研项目驱动的PBL教学方法研究[J].科教导刊，2020（31）：62-63.