“过程控制系统”课程的“四阶式”实践教学方法设计

王晓军 徐冬梅

摘    要：文章基于新时代“教育三问”，针对“过程控制系统”课程中存在的实践环节痛点，提出“四阶式”实践教学方法。该教学方法由4种实践设计环节组成，在难度上逐渐提高。在课程设置上体现了高阶性、创新性和挑战度，让学生在学习中稳扎稳打，逐步提升专业技能，全面培养学生的综合素养。

关键词：“四阶式”；实践环节；“教育三问”；“过程控制系统”课程

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）08-0069-03

一、引言

近年来，习近平总书记围绕“培养社会主义建设者和接班人”作出一系列重要论述，深刻回答了“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”这一新时代“教育三问”的根本问题[1]，深刻强调了教育对于国家富强、民族振兴、社会进步、人民幸福的重要性，全面阐释了培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人的内涵、要求和举措。这一系列重要论述对加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育具有深远的影响和深刻的指导意义。同时，习近平总书记还强调，要用好课堂教学这个主渠道，除了思想政治理论课，其他专业课也要守好一段

渠、種好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同

行，形成协同效应[2-3]。因此，高校专业课在课程教学过程中也应积极探索，注重课程思政建设，将思想政治教育润物无声地融入专业课教学过程中，提升思想政治教育的亲和力和针对性，满足学生对成长发展的需求和期待[4]。

地方高校应以城市和地方为依托，以国家政策为指引，立足本地，明确自身使命，发挥独特优势，真正融入地方经济和社会发展，做出正确的前瞻性分析，准确把握发展方向，积极为地方经济社会发展服务，寻找并实现更加崇高的价值。上海工程技术大学位于上海市松江区，是一所综合型市属地方高校，学校定位为建成国内一流的高水平现代化工程应用型特色大学。上海工程技术大学紧跟国家政策，顺应新工科建设潮流，响应上海市先进制造业发展“十四五”规划，积极服务上海市及长三角区域经济，助力长三角产业协同发展、先进制造业产业集群优化升级。无论是中华民族伟大复兴中国梦，还是城市的繁荣发展，都对新时代高校的人才培养工作提出了更高要求。地方高校的专业建设和课程设置应紧跟时代步伐，在课程中充分融入思政元素，在教学中探索并实践新时代“教育三问”，积极为国家的战略发展做出有力支撑。

二、“过程控制系统”课程建设目标

长三角地区作为中国经济最发达的区域之一，产业基础雄厚，技术创新领先，是推动制造业高质量发展的主战场。近20年来，长三角地区制造业稳中有进，资本和技术密集型产业集聚发展，产业结构不断升级。制造业作为经济的“压舱石”，对推动经济增长和提高就业质量具有重要作用。目前，长三角各省市正在全力推进先进制造业中各领域的经济发展改革和产业结构升级。

流程行业作为先进制造业的重要组成部分，以“智能制造+绿色制造+高端制造”作为未来智能优化制造的

愿景，利用工业互联网平台，推动整个行业的布局优化，提升生态化和智能化水平，通过工业发展质量变革、效率变革和动力变革，提高流程工业全要素生产率，把工业生产打造成先进制造业。“过程控制系统”作为自动化专业支撑流程行业的一门综合性专业特色课程，已在上海工程技术大学电子电气工程学院连续开设多年。教师本着“以学生为主体、教师为引导，知识传授和价值引领并重、能力培养和工程素养并重，师生互教互学，共铸师生学习共同体”的现代教学理念，在教学实践中不断完善课程体系、改进教学方法，在提升学生知识获得感的同时，注重利用课堂育人主渠道，将思政元素融入专业知识的学习中，增强学生的价值理念；同时，教师通过了解学生的学习反馈和思想动态，在不断改进与完善教学的过程中，及时反思“教育三问”，进一步提高自身的价值理念、知识能力、教学技能、业务素质等综合实力[5]。

三、“过程控制系统”课程的实践环节痛点

“过程控制系统”课程内容主要分为4个部分，即控制系统发展史、过程控制相关基础知识、多种控制策略及应用案例的介绍。其中，多种控制策略部分在“过程控制系统”课程中占较重分量，教师也分配了较多时间重点讲解这部分内容。多种控制策略部分主要包括以下3个方面的内容。第一，适用单入单出系统的多种结构的控制策略，包括前馈控制、比值控制、串级控制、均匀控制、选择控制、分程控制等，这6种控制策略的应用要结合实际系统的控制目标来进行选择。第二，针对多入多出耦合系统中多目标控制的问题，结合相对增益的概念，基于RGA-NI方法的多变量系统回路配对规则，在多个控制器中选择最佳配对方案，以达到最快、最有效的控制效果。第三，为学生介绍更多先进的控制策略，包括基于模型的史密斯控制、内模控制、预测控制等方法，也包括模型不确定的模糊控制、自适应控制等。教师通过对多种先进控制策略的介绍，引导学生了解最新的控制理论，并探索和研发更新更适用的控制方法。

由于“过程控制系统”课程知识点较多，且受既有课时的限制，教师在教学中以课堂讲授为主，但单纯依靠理论讲解使知识点显得较空洞，学生没有感性的认识，反而会在多种策略之间混淆不清，无法达到预期的教学目标。例如，针对多种策略的评判、选择和应用，学生只有在实践过程中才能加深对其的了解和认识，并在不同场合中进行正确的选择。“过程控制系统”的定位是一门针对高年级学生开设的综合性专业技能提升课程，课程内容与应用实践紧密关联，实践教学环节中的操作演练对学生来说应更具直观性和体验感。因此，在课时有限的情况

下，如何利用好课内外时间，结合线上线下进行多元规

划，合理设计实践性教学环节进而提高教学效果成为“过程控制系统”课程教学改革需要解决的问题。

四、解决方案

教师在“过程控制系统”课程的教学改革过程中，提出“四阶式”实践教学方法，针对现有问题进行重点突破，全面提升学生的实践应用能力。

（一）掌握知识点，仿真先行

如何快速且有效地检验多种策略的特点和效果，仿真教学是最方便，也是最常见的方法之一。在传统教学过程中，教师为了帮助学生加深对多种控制策略的理解和运用，主要采用课后仿真作业的形式，要求学生基于

MATLAB软件搭建多种控制策略结构，并采用PID算法进行控制仿真。学生需根据给定的，或公式推导出的系统模型在MATLAB软件中实现多种控制策略的搭建和参数整定。由于MATLAB软件对环境的限制，系统模型均为传递函数形式，公式推导过程也较数学化。此种方法侧重对控制策略概念和方法的理解和运用，不利于学生对实际工程的理解。而学生在以后的实际工作中，面对的是具体的生产环境和设备产线，而非系统模型。因此，若能在“过程控制系统”课程教学过程中加入具有工程背景的应用案例，对于帮助学生理解多种控制策略在实际工程中的应用具有重要意义。

（二）实验平台练一练，才知实践大不同

仿真测试中有很多条件是简化或忽略的，这与在实际设备上进行操练有较大差距。因此，教师应在学生有了仿真基础后，鼓励学生走进实验室，在实验装置上动手操练，以开始从仿真走向实践的新阶段。在“过程控制系统”课程后期，有一门30学时的“控制系统综合实验”课程，该课程基于高级过程控制对象系统实验装置和过程控制高级控制台，可以完成单容水箱、多容水箱、锅炉内胆、锅炉夹套特性测试等实验，以及关于温度、液位的单闭环定值控制，亦可设计实现多部件的组合串级控制、前馈控

制、选择控制，甚至解耦控制等实验。目前，实验平台配备西门子SMART 200 PLC模块，安装有MCGS（监视与控制通用系统）组态软件，可以实现实时通信与组态监控。若要取得较好的控制效果，学生可利用该平台获得所控装置的阶跃响应曲线，并计算出系统装置的模型，设计控制器参数，再在MATLAB软件中进行仿真、验证并优化，最后再到过程控制高级控制台上进行实践验证并整定参数。教师在实验过程中要求学生通过手动调节出水阀口径以检验所设控制器的抗干扰能力，而每次出水阀口径大小都会不同，因此，学生需要先对上一组调试后的设备进行控制，然后再调整出水阀口径，以测试其抗干扰能

力。这一过程让学生切实体会到人工干预的不确定性。同时，由于教师为每组学生提供的设备不同，使每组学生都需要对全新的设备进行控制，这也给学生带来了新鲜感和挑战度。将MATLAB软件与实验平台充分融合，有利于学生在实践中体验理论与实际的联系与区别，真正领悟到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。

（三）虚拟仿真项目来助阵，真实场景很精彩

得益于虚拟仿真项目的开发和上线，学生有更多机会接近实际工厂，不仅有利于学生“身临其境”地查看工厂产线的运行状态，还能模拟工程师参与设备的调参与测试过程。在“过程控制系统”课程的授课过程中，教师引入了上海工程技术大学基于江中制药智能工厂最新研发的“参灵草生产关键工艺控制虚拟仿真实验平台”。实验平台以江中药业股份有限公司校企合作为依托，以国家级实验教学示范中心和药物智能制剂与智能制造研究中心为基础，在获得上海市科技进步三等奖的科研成果支撑下，将学科先进科研成果用于项目的持续开发与更新。实验平台利用现代虚拟仿真技术模拟江中制药参灵草制剂生产过程的真实场景，使学生对整个中药生产流程及过程控制原理有感性直观的认识，引导学生熟悉中药制药过程，掌握参灵草制剂核心工艺流程、罐装产线布局、过程控制参数整定及优化，以及输出曲线实现对优化结果的分析与校验。这不仅有利于将传统教学中的理论教学、案例教学延伸到实际工程背景下的真实场景中，也实现了实验教学由简单向丰富、化理论为实用的转变。在虚拟仿真项目中，教师通过虚实结合的引导模式、合理的实验框架，促使学生对知识点进行整体把控。步骤简洁、脉络清晰的知识点设置，可引导学生主动分析和思考，培养学生的创新思维意识。学与做相结合，有利于学生对知识的掌握更加牢固，为就业后在相关企业及科研机构开展生产关键工艺相关工作奠定基础。

（四）高阶系统大练兵，不止钻研还得会创新

经过前面3个阶段的系统性训练，学生已经具有非常扎实的理论基础和实操能力，可以在大设备上进行练习，这对学生来说也是一次更高难度的挑战。上海工程技术大学购置了一套高级多功能过程与控制实训系统SMPT-1000，该实训系统以某化工生产线工艺为例，包含反应器、混合罐、闪蒸罐、冷凝罐和除氧罐等多个有序连接的不同工艺罐体，而为了保证产品质量，各罐体内既要满足不同的工艺要求，又要保证前后工艺的顺利运行。该实训系统不仅可以实现对各罐体工艺特性的状态监测，还能通过西门子PLC 1200实现基于PROFIBUS-DP协议和以太网协议的实时控制，而要实现控制，就需要考虑硬件组态通信和设计合适的控制策略，寻找到适宜的整定参数。该实训系统还具备打分评价功能，可对系统的运行状态和控制效果进行评分。若对工艺中的各罐体参数做出调整，且对控制效果提出新的要求，那么对控制策略也会提出更高要求，因此，该实训系统的控制练习对于锻炼学生的自学钻研能力、动手实践能力、抗挫耐压能力、组织协调能力和综合分析解决问题能力等都是很好的机遇和挑战。要实现项目的控制目标，不只需要具备自动控

制、过程控制等相关理论知识，对于通信技术、计算机技术的知识储备和实践运用能力也有要求，这对学生的探索精神、自学能力和融合应用水平都提出了更高的期望。

“四阶式”实践教学方法不是简单的4种方法的罗

列，而是在结合课程内容和学生能力结构的基础上，帮助学生夯实理论基础。通过实验平台上的实践与验证让学生发现理论与实际的区别，并能尝试分析其原因；通过拓展实际应用场景增强学生对理论在实践中应用的认知，在解决复杂应用场景中的实际问题的过程中进一步提升学生分析问题和解决问题的能力，使其在复杂项目中锻炼项目管理能力和团队协作与沟通能力。严谨科学的“四阶式”实践教学方法将“教育三问”贯穿始终，有计划地逐步提高学生的综合能力和工程素养。学生通过灵活多变的形式和丰富多样的场景，对“过程控制系统”课程基础知识的掌握与运用也有了较深刻的认识和理解。

五、结束语

文章针对“过程控制系统”课程中存在的实践环节痛点，提出“四阶式”实践教学方法，即在课程中设计4种实践教学环节，每个环节都有不同的侧重点，应用场景不断切换，难度也逐渐提高。学生通过不断学习新知识，来渐进式解决越来越有深度的问题，而在这个过程中，又反复用到课程中的专业知识，使学生对专业知识的理解和认识不断提升，并有机会创造出新的应用领域。“过程控制系统”课程体现了高阶性、创新性和挑战度，让学生在学习中稳扎稳打，逐步提升学生的专业技能，从而全面培養学生的综合素养。

参考文献：

[1]  董彦旭.在“教育三问”中追寻教育的真谛[J].天津

教育，2020（16）：33.

[2]  徐冬梅，简玉梅.工程认证背景下自动化专业的复杂工

程问题设计与探索[J].教育发展研究，2019（11）：35.

[3]  敖祖辉，王瑶.高校“课程思政”的价值内核及其实践

路径选择研究[J].黑龙江高教研究，2019（3）：128.

[4]  陈丁丁，刘钧，邢素丽.专业课程与思政互融互促教

学模式的探索[J].高教论坛，2021（10）：57.

[5]  谢莉，徐琛，陶洪峰.基于PBL模式的“过程控制系统”

课程教学改革与实践[J].科教导刊，2021（34）：122.

编辑∕陈晶