基于工程教育认证标准的过程控制仪表及装置实验教学改革

2023-09-06张继研刘涛郝首霖吴振宇

高教学刊 2023年25期

张继研刘涛郝首霖吴振宇

摘要：过程控制仪表及装置实验是高校自动化专业过程控制方向的主要教学课程之一，在控制工程课程教学体系中起到承上启下的关键作用，综合性强，是培养解决工程实际问题能力的重要实践环节。近年来，国际工程教育专业认证对高校实践类课程提出新要求，教学团队根据认证标准进行深入的教学改革，分析改革后应实现的教学目标，提出新的教改方案和教学模式，并且改进教学方法，大力建设实验资源和提高教学队伍水平，由此取得明显的教学成果。

关键词：控制仪表；装置实验；教学改革；工程教育认证；创新实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）25-0142-04

Abstract： Process Control Instrument and Device Experiment is one of the main courses in the process control direction of automation major in universities. This course plays a key role of connecting linkin the course system of control engineering， which has strong comprehensiveness and functions as an important exercise step for cultivating the ability to solve practical engineering problems. In recent years， the accrediting standards of international engineering education have put forward new requirements for practice courses in universities. According to these accrediting standards， our teaching group has carried out further teaching reform. We have analysed the teaching goals that should be achieved after the reform， proposed a new teaching reform scheme and teaching mode， and improved the teaching methods. Meanwhile， the experimental resources have been largely built and the teaching levels of our group have been substantially improves. Consequently， obvious teaching achievements are acquired.

Keywords： process control instrument; device experiment; teaching reform; engineering education certification; innovation practice

国际工程教育专业认证标准是与国际接轨的高等学校工程类专业的评估标准，通过该认证是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的基础[1-3]。我国工程教育认证始于2006年，并于2016年6月加入國际工程教育认证《华盛顿协议》体系，以工程认证标准主导的教学改革和人才培养新模式现已在很多高校积极开展[4-6]。

目前已有一些高校自动化专业通过了工程教育认证，逐步落实了“学生中心、产出导向、持续改进”的专业认证理念[7]。

过程控制仪表及装置实验是自动化类专业过程控制方向的主干课程，先修课包括模拟电子线路、数字电路、自控原理、计算机组成原理和检测技术及仪表等专业基础课；后续课程包括过程控制工程、过程控制系统课程设计、先进控制技术、可编程控制器课程设计和毕业设计等，在自动化专业过程控制方向教学体系中起到承上启下的关键作用，是培养学生解决过程控制工程实际问题能力的重要一环。教学团队根据国际工程教育认证标准及自动化专业修订的培养计划，对该课程设计新的教学目标，创新教学改革方案，扩充教学手段，并且持续改进教学反馈机制，取得一些较好的效果，希望能促进教学同仁提高相关实验课程的教学质量。

一面向工程认证的新教学目标

过程控制仪表及装置实验课程从自动控制系统构成的角度出发，让学生了解各种常用控制仪表（如调节器、执行器、配电器和安全栅等）的功能、特性、选用、安装、设置及控制系统构成方法。

传统实验教学以教师的讲授、演示、检查和手把手指导为主，学生按照预设实验步骤进行操作，不利于调动学生的学习积极性。为了解决传统实验教学中存在的问题，教学团队围绕工程认证“学生中心、产出导向、持续改进”的核心理念，对标控制学院自动化专业教学委员会制定的新培养方案，设计和补充了过程控制仪表及装置实验应达到的教学目标。

工程知识：掌握描述和分析自动化复杂工程问题的工程基础知识和自动化专业知识。

问题分析：能够进行文献查阅，会运用基本原理，分析影响自动化系统性能的因素，并获得有效结论。

使用现代工具：了解自动化专业常用的现代仪器、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，能够针对特定自动化工程对象，选用满足特定需求的工具，模拟自动化专业问题。

设计解决方案：能够针对特定自动化系统需求，完成硬件电路，软件程序、控制器、执行器等单元（部件）的设计。

动手能力：能够根据自动化工程对象特征，设计实验方案、构建实验系统，并安全地开展实验，正确地采集实验数据，最终对实验结果进行分析和解释。

思政与职业道德：理解自动化工程师对科教兴国、社会安全、人民健康及环境保护责任，能够在工程实践中自觉履行职责。

个人履职与团队协作：能够在团队中独立工作，并且能与团队成员合作开展工作。

二围绕创新型人才培养的教改方案

为了实现以上教学目标，提升控制仪表及装置实验课程的“高阶性、创新性、挑战度”，使其符合国际工程教育认证的标准，教学团队提出了“渐进式、分层次”教学模式，设计了一套创新型人才培养的教学方案，大力建设配套的实验平台和实习基地，丰富配套实验教学资源和教学手段，通过一系列措施充分调动学生的专业学习兴趣和培养自主学习能力[8]。

（一） “渐进式、分层次”教学模式

针对上述7个教学目标将教学内容进行统一规划，提出了“渐进式、分层次”的教学模式，不仅夯实过程控制仪表基本应用知识，而且增加了设计型实验、综合型实验的比例。该教学模式与教学目标的对应关系如图1所示。

在基础实验层级加强学生掌握相关工程知识，以及应用所学知识分析工控实际问题的能力；在设计型实验层级，注重锻炼学生使用工控技术软件和硬件，以及设计控制系统的能力；在综合型实验层级，着重培养学生从实验方案设计，到实验系统构建，再到实验开展、数据采集与分析的综合能力；在开展实验课程的全过程中，注重培养学生作为自动化工程师的思想品德和职业素质，分小组开展實验锻炼学生的团队合作与沟通能力。

（二）创新型人才培养教学内容设计

为了使课程符合国际工程教育认证的评价标准，围绕新的教学目标和教学模式，设计了一套创新型人才培养的教学方案，见表1。

表1中给出了过程控制仪表及装置实验的实验项目、具体内容及其对应的课程目标。在实验内容设置方面持续改进，引入先进控制仪表及装置设计和应用方法[9]，使实验内容紧跟自动化发展前沿，摒弃了传统实验以“验证”为主的教学设计，增加了设计型、综合型实验的比重。例如，在调节阀流量特性实验中，给学生提供必要的编程工具及仪表[10]，鼓励学生自己设计实验方案实现调节阀理想特性和工作特性的测试；增加了总线控制系统的设计与组态实验，使学生了解工业互联网技术、学习现场总线仪表、掌握总线仪表控制系统的构成方法并实现系统的硬件组态及软件管理；开发了基于力控组态软件的系统设计实验，让学生学习到组态软件的使用方法，能够以简单PID控制系统设计为例亲自动手开发监控系统；开发了单回路控制系统设计与投运实验，该实验提供各类常见检测仪表、控制仪表及工程工具，让学生在此基础上进行单回路控制系统设计、硬件选型、系统连接、上位机监控画面开发，完成对水箱液位的控制。在保证设备和人身安全的前提下，鼓励和支持学生自主进行实验设计、系统开发、仪表选型，想方设法调动起学生的主观能动性和专业兴趣。

（三）改进教学方法

上述改革后的教学方案提升了课程的“创新性、高阶性、挑战度”，促使学生必须“跳跳脚”才能够取得好成绩。然而为了取得好的教学效果，只靠16学时的实验时间是远远不够的，必须改进教学方法，利用网络技术、虚拟现实技术、多媒体技术等，给学生提供生动丰富的教学资源，实现“课堂翻转”。

1 开发虚拟实验系统

针对图2所示的过程控制综合实验平台开发了虚拟实验系统。

过程控制仪表及装置实验课程的主要内容利用此平台开展，该实验平台有4套三级水箱实验装置。为了克服传统实验教学安排受实验时间、场地的限制，并且不便于开展设计型实验、综合型实验的问题，教学团队成员采用VRML语言、Autodesk 3D Max、Unity 3D等手段，开发了生动逼真的虚拟实验场景，如图3所示。

该虚拟实验场景使学生对实验环境、实验装置、各类仪表有了直观认识，有助于对实验内容及实验步骤的掌握；在虚拟实验系统中可以观看实验操作的演示，提高现场实验的效率。

2 线上-线下结合的教学模式

采用线上-线下结合的教学模式，团队教师为每个实验项目录制了教学视频、要求学生课前预习并完成预习思考题。同时，提供相关的慕课资源、技术资料等学习资源，方便学生在线进行自主学习。

利用腾讯课堂，开展部分实验的线上教学。例如对于实验六：组态软件应用与PID运算规律实现的教学内容，如图4所示。

3 “以赛促教”激励创新

在教学中选拔实践能力强、专业兴趣浓厚、有创新思维的学生参加科创竞赛，如“全国大学生自动化系统应用大赛”“全国工业智能大赛”等自动化专业顶级竞赛，鼓励将取得的成绩替代部分对应实验内容的学时和考核成绩。通过科创竞赛对抗性强、难度大、综合程度高的特点，更加激发学生的专业兴趣和创新思维，锻炼学生的专业综合实践能力。

通过实施以上教学方法推动学生“自主学习”，将教学转变为“以学生为中心”，达到锻炼综合能力、启发创新思维的目的。

三实验平台及教学队伍建设

为了契合工程教育专业认证的人才培养标准，达到教学改革的目标，团队持续进行了优质实验平台建设和高水平实验教师队伍建设。

在原教研室自主研发的4套过程控制综合实验装置的基础上持续更新了传感器、变送器、调节器、执行器和记录仪等各类仪表及装置，逐步建设了基于工业互联网的过程控制综合实验平台，如图5所示。

该平台不仅可供本科实验使用，也可作为团队教师及研究生的科研实验平台；与罗克韦尔公司、西门子公司、力控元通科技有限公司和大工计控公司等国内外知名工控企业进行校企合作，建设了自动化专业科创实践平台，为过程控制方向的综合创新实践项目、科创竞赛、科研活动提供了充足的硬件平台和教学资源。

同时，重视实验师资队伍建设，鼓励理论课教师参与实验教学指导，定期组织理论课与实验课教师共同讨论实验教学方法和经验，及时对实验内容与教学方法进行改进；近五年连续组织教师到哈尔滨工业大学、东南大学、浙江大学等自动化专业高水平院校的自动化实验室进行调研、学习和交流；积极支持教学团队成员参加高校教学培训和自动化专业教学研讨会议，通过一系列奖励举措和激励机制提高整个教学团队的教学水平和工作积极性。

四近年取得的教学成果

通过实施教改，近年来取得了较为显著的教学成果。

改革后的课程为我们学院自动化专业三次通过国际工程教育专业认证，以及2020年获批国家一流专业建设点，提供了实践教学环节的有力支撑。

为教学团队主讲的过程控制工程课程获评2021年辽宁省一流线下课，提供了实验教学方面的坚实支持。

教学团队教改成果“自动化类专业过程控制工程课程体系教学改革与创新实践”荣获中国自动化学会2021年高等教育教学成果二等奖。

本文第一作者和教学团队成员采用创新的教学方案，2017—2018连续指导本科生参加自动化专业顶级竞赛，荣获2017年、2018年“AB杯”全国大学生自动化系统应用大赛全国一等奖、2019年的全国特等奖，2021年中国工业智能大赛全国二等奖。

五结束语

为了契合国际工程教育专业认证的标准，高校的过程控制仪表及装置实验的教学改革势在必行。本文针对该课程提出了一种新的教改方案，介紹了实验教学创新模式，改进了教学方法，总结了近年来教改取得的显著效果，为面向工程认证的课程建设、培养创新型人才提供了可参考的经验方法。

参考文献：

[1] 龙跃凌，李丽娟，朱江，等.以工程教育专业认证为导向的土木工程创新人才培养模式探索与实践[J].高教学刊，2021（15）：47-50.

[2] 李擎，崔家瑞，杨旭，等.面向工程教育专业认证的自动化专业持续改进[J].高等工程教育研究，2019（5）：76-80.

[3] 华尔天，计伟荣，吴向明.中国加入《华盛顿协议》背景下工程创新人才培养的探索与实践[J].中国高教研究，2017（1）：82-85.