面向应用型大学“过程控制系统”的教学改革与研究

摘要：“过程控制系统”是自动化类专业的核心课程，涵盖了从理论到实践的广泛内容，涉及化工、电力、石油等多个行业的过程控制技术。面对工业产业升级和先进过程控制技术的引入，本课程的教学面临新的挑战与机遇。本文基于无锡学院的教学改革实践，探讨了“过程控制系统”课程在应用型大学中的教学改革方向。本文首先介绍了课程在自动化专业中的重要地位及其面临的挑战，随后重点分析了课程体系改革、教学方法创新及实验教学的改革探索，旨在现代工程教育认证标准体系下提升学生的实际工程能力和创新素养，推动应用型大学的教学质量提升。

关键词：过程控制系统；自动化；课程建设；教学改革

1概述

“过程控制系统”是自动化类专业的主干课程之一，是自动化专业方向中连续控制发展方向的重要代表，其重要性不言而喻。［1］本课程的学习能够提高学生分析问题、解决问题的能力以及动手实践的能力，使学生了解过程控制这一自动化技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、原子能、环保等许多重要国民经济领域中的应用，掌握过程控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法，了解过程控制系统的基本工作原理及构造，为今后走上工作岗位，从事生产过程自动控制工作打下初步基础。［2］

“过程控制系统”课程自出现以来一直占据着自动化类核心课程的重要地位。首先，这门课程依然是自动化类专业的重要核心课程之一，也是《华盛顿协议》框架下中国工程教育认证重要考察课程之一，其重要性不言而喻。［3］其次，我国依然有大量的化工等连续过程生成企业，2023年中国石油和化学工业联合会的报告显示全国石化行业实现营业收入达到了15.95万亿元［4］，每年仍需要大量的连续流程性控制人才。因此，新时代背景下本门课程依然具有举足轻重的地位。然而，在当前教育发展过程中，“过程控制系统”这门课程面临着诸多挑战。［5］随着国内工业产业升级的进行，传统的过程控制方法已无法代表最先进的生产技术，以集成工业互联网、物联网、数字孪生等技术为代表的先进过程控制方案正逐步成为主流控制技术。对于笔者所在的应用型大学“无锡学院”而言，学生的培养目标更加注重对工程能力包括实际生产现场问题处理能力的培养。因此，在学生培养过程中，如何寻求在先进过程控制技术学习与实际工程能力培养的平衡，显得十分重要。本文以“过程控制系统”课程为切入点，在不大幅提升教学经费的前提下，通过课程体系以及教学方法等途径进行改革，以提高学生的工程能力及创新素养。

2新教学任务背景下课程体系现状及其改革探索

无锡学院在自动化专业培养方案中，“过程控制系统”课程总课时为48学时，包含40学时理论讲授课时及8课时课内实验。其课程目标包含知识目标、能力目标及素养目标：

知识目标：了解过程控制系统的组成及分类，以及过程控制系统的性能指标及其含义，被控对象的动态特性参数及其意义；理解计算机过程控制系统的各个组成部分及其工作原理与典型应用方式；掌握过程控制系统的设计与分析方法，包括控制方案、控制变量与被控变量选取、负反馈实现等；掌握典型复杂控制系统设计与各种控制策略及控制器实现，具体包括串级、前馈、大滞后、解耦等复杂控制系统及PID、数字式控制器等控制器设计。

能力目标：具备过程控制系统的分析、设计、运行及研究的能力；具备工程实践能力和创新能力。

素养目标：能熟练使用MATLAB/Simulink等仿真软件进行控制系统的仿真与实验，能够解决工程实践中出现的问题。

为适应培养应用创新型人才目标，自动化专业在培养方案中，摒弃了传统的计算机控制技术等相关课程，寄希望于通过更加具象化、对象化的“过程控制系统”课程讲述内容，使学生掌握必要的计算机控制技术。因此，该课程虽然理论教学内容比例过大，但与应用创新型人才培养目标并不冲突。同时，为更好地解决计算机控制技术与过程控制技术融合的知识体系构建问题，将李向舜主编的《计算机过程控制系统》作为推荐教材。在“过程控制系统”课内实验教学任务中，以验证性实验为主。此外，对于可能导致的学生工程设计及验证能力提升缺失的问题，专门增加16学时的“过程控制系统设计”实践课程，提升控制系统设计能力，进而提高学生的创新实践能力。

3课程教学方法改革及其探索

3.1理论教学方法改革

“过程控制系统”课程内容复杂多样，且其理论教学的时间和地点相对固定，这为教学方法的改革带来了一定的限制。因此，无锡学院自动化专业通过基于项目的教学方法（ProjectBasedLearning，PBL），以项目牵引、结合案例分析的方式，全程贯穿“过程控制系统”的理论教学。［67］“过程控制系统”课程本质上是使学生具备过程控制系统设计的能力，离不开系统工程的需求牵引。基于项目的教学方法优势在于可以从项目需求分析与确认、系统设计、子系统设计、部件开发与测试、子系统测试、系统测试以及产品交付乃至报废处理等全生命周期开发步骤中给予学生具象化的教学引导。

其中，火力发电装置是典型的过程控制系统研究对象，被作为典型案例穿插在项目化教学过程中。火力发电装置涵盖锅炉、管道等可控的典型过程装备，也包括叶轮机、水泵等典型过程动力机械；其涉及的控制方案覆盖了温度、压力、流量、液位等典型的过程控制变量，也涉及了简单及复杂控制系统，这使得它成为一个理想的教学案例。在项目化教学过程中，利用火力发电装置作为研究对象，可以帮助学生将理论知识与实际应用相结合，从而更深入地理解过程控制的核心原理和技术。由于成本及安全性问题，设计的控制系统若想在实际的火力发电装置中测试运行存在安全隐患，可采用虚拟仿真平台作为仿真控制载体，模拟发电系统工作。这不仅能够提高安全性及经济性，更加有利于项目化设计中的“设计—验证—修改”开发模式学习，对于提高学生的工程素养有极高的参考意义。通过将火力发电装置作为典型案例引入项目化教学，“过程控制系统”课程的教学内容变得更具实践性和挑战性。学生在真实案例的引导下，能够更好地理解理论知识，培养实践能力，并提高解决复杂工程问题的综合素质。这种教学方法为应用创新型大学的人才培养目标提供了有力支持，帮助学生在未来的职业生涯中具备更强的竞争力和创新能力。

3.2实验教学方法改革

“过程控制系统”实验教学分为课内验证性实验教学及课外“过程控制系统设计”综合实践能力教学。一般高校包括无锡学院在内配备的过程控制系统实验室中，典型的控制对象为三水箱系统，可实现被控变量为液位、流量及温度的过程控制方案设计及验证。

在课内实验教学方法改革中，加大对于控制方案的仿真实验比例，实验室仅仅是作为项目化过程控制系统设计的最后测试对象，其理论教学方法使用的虚拟仿真平台，持续为课内验证性实验提供良好地平台接口。同时，加大对于虚拟研究对象（水箱的数字化模型）及真实控制对象（实际水箱）的区别分析，可以更好地了解虚拟平台的简化因素，进而在研究对象的简化模型建立过程有更加深入的理解，有利于提升学生工程能力素养。

课外“过程控制系统设计”实践课程属于综合实践范畴，考虑到“过程控制系统”作为自动化专业主干课，其支撑课程包括“自动控制原理”“单片机原理及接口技术”“PLC原理及应用”等课程。因此，可通过以下途径进行实验教学改革：

（1）深化过程控制系统设计内容。针对“过程控制系统设计”课程目标，综合容纳前期支撑课程理论及实验设计，作为前期支撑课程的实现载体。具体方法是引导学生根据学过的课程对实验室设备进行改造，包括硬件改造及软件升级。硬件改造包括下位机取代性设计及升级。原有的实验室下位机通过西门子S7200Smart实现，其硬件底层驱动程序不够友好，可以通过“PLC原理及应用”课程中学习的S71200进行升级改造。对于自动化专业学生，单片机也可以作为一个更加多元化的设备选项，同样可以作为其下位机替代装备。单片机替代方案更加有利于学生工程能力素养的提升，其涉及的传感器及执行机构选型、信号处理、控制策略底层实现以及综合运行调试，均可提升学生的工程创新能力。

（2）跨学科融合教学。通过跨学科融合教学来提升学生的综合实践能力是当前高等教育应用实践创新的一种发展趋势，也是值得探索的教学改革方向。过程控制系统的发展可以融合工业互联网、物联网、大数据、人工智能等新兴技术，同时可以融入过程控制系统的教学内容中，可以拓宽学生的知识面，使其能够理解和应用新技术，培养跨学科的创新能力。

（3）开发学科竞赛。通过融合学科竞赛的创新驱动型实践改革提升学生的工程设计能力。典型的学科竞赛为“西门子杯”中国智能挑战赛中“流程自动化”方向赛道，这一竞赛为学生提供了高水平的竞争平台，使学生有机会将所学内容应用于实际生产过程中，促进其综合素质及创新能力的提升。学生在竞赛作品的实现过程中，针对控制策略的优化、设备的选型、系统的调试与故障排除等实际问题，实现团队协作，有助于培养学生的工程意识和创新思维。

综上所述，在实验教学改革中，不同层次的学生都有相应的实施方案，最大限度地提升了学生的工程应用和创新能力，真正体现了“以学生为中心”的改革初衷和“以提升学生工程素养为主体”的改革理念。

3.3课程评价体系改革

在建设一流应用创新型大学目标的背景下，改革课程评价体系以符合工程教育认证标准是提升教学质量和培养符合行业需求的工程人才的关键步骤。无锡学院基于工程教育认证标准，以提高学生工程能力素养、提高应用创新能力为目标，针对“过程控制系统”实验教学进行了以下改革探索。

（1）探索基于学生工程能力、参考学生成果导向的评价体系。在项目化教学的框架下，通过设计开放性实验和项目，考查学生系统设计及实现能力，包括产品生命周期中的需求分析、系统设计测试与集成优化。评价学生对控制问题的理解能力和解决方案的设计能力，具体表现为学生对于过程系统建模、控制策略选择及控制参数优化的多重表现。同时，引入多元化评价方法，实现了学生工程素养及能力的考查评价，涵盖理论知识的工程应用能力、现场问题分析能力、控制方案设计与开发能力、仿真及实验数据分析能力等。

（2）过程性、持续性评价方法探索。在面向应用型大学的“过程控制系统”实践教学改革中，针对传统结果性考核评价体系中存在的偶然性、随机性问题，探索过程性及持续性评价方法更加关键。首先，在学习通中建立“过程控制系统”课程，全程掌握学生的学习动态。通过设置学习任务、课堂互动、课后作业及学生学习评价等手段，全程辅导学生对于课程知识的学习及考察学生在相应工程应用场景的理解能力。其次，通过学习通建立调查问卷，收集课堂教学反馈，并可及时、有针对性地修改教案等教学设计。学习通的应用，使得教学资源电子化、教学效果可视化，以及具备更加科学化的教学统计方法，可极大地提升教学效率，使工程教育认证评价数据更加科学、准确。

（3）引入学分置换机制。在无锡学院的创新应用型大学办学宗旨及“过程控制系统”密切的行业背景双重因素加持下，引入学分置换机制是实现课程评价体系与工程教育认证标准对接的重要步骤。无锡学院深入无锡本地办学，与本地企业建立了良好的长久合作机制，形成了无锡学院与当地企业相互培育模式。学生在企业的有效实习经历，完成企业课题或深度完成企业任务，经过企业导师与学校导师双重认定，可进行学分置换。实施学分置换可有效提升学生的工程能力，进一步增强其专业课学习动机，进而提升整体的课程教学质量，并以此作为教学反馈意见优化课程设计。值得注意的是，学分置换机制需要全程监管机制进行监管。

结语

在无锡学院创建一流创新应用型大学背景下，本文以“过程控制系统”课程为切入点，对课程体系的优化、教学方法的创新及实验教学的改革进行了深入探讨。其中，课程体系改革通过项目化教学和虚拟仿真平台的引入，使学生能够在实践中深入理解过程控制的核心原理和技术。实验教学改革不仅强化了课内实验的理论联系实际，还通过综合实践课程和学科竞赛提升了学生的实际工程能力。课程评价体系的改革则通过过程性和持续性评价方法、基于学生工程能力的多元化评价以及学分置换机制的实施，确保了评价的科学性和准确性。这些改革措施的实施为培养符合行业需求的高素质工程人才奠定了坚实基础，为其他应用型大学提供了有益的借鉴，有助于推动工程教育的进一步发展和创新。

参考文献：

［1］王永秀，雷建和，刘素花.“过程控制系统”教学改革研究［J］.科技视界，2019（27）：113114.

［2］邓晓燕，高红霞，黄道平，等.过程控制工程实验课程教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2017，36（02）：214217.

［3］张家良.工程教育专业认证背景下课程目标达成情况评价：以“自动化仪表与过程控制系统”课程为例［J］.西部素质教育，2022，8（16）：138141.

［4］傅向升.增强信心加快转型奋力开创稳中求进、以进促稳新局面：在“2023年度中国石油和化学工业经济运行新闻发布会”上的报告［J］.中国石油和化工，2024（02）：1425.

［5］茹雪艳.基于工程能力培养的“过程控制系统”实验教学改革［J］.现代信息科技，2024，8（07）：184188.

［6］黄培.《过程控制系统》的项目化教学［J］.办公自动化，2021，26（07）：4244.

［7］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）：122124.

基金项目：2021年江苏省高等教育教改研究立项课题（编号：2021JSJG064）；江苏省教育科学“十四五”规划2021年度课题（编号：D/2021/03/149）

作者简介：孙丰勇（1990—），男，汉族，山东泰安人，博士，讲师，主要从事连续过程系统仿真建模、控制及优化研究；邵子宴（1990—），男，汉族，山东枣庄人，博士，讲师，主要从事机器人技术和外骨骼机器人系统研究。