《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》國(guó)家精品課程建設(shè)實(shí)踐

黃衛(wèi)華，方康玲，龍海燕 （武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）

自動(dòng)化技術(shù)與生產(chǎn)過(guò)程密切相關(guān)，過(guò)程控制是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要分支［1］。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是指物料經(jīng)過(guò)若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過(guò)程，其目標(biāo)是充分了解生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程和動(dòng)靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，以生產(chǎn)過(guò)程中物流變化信息量作為被控量，選用適宜的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的控制目標(biāo)［1］?！哆^(guò)程控制與集散系統(tǒng)》是一門(mén)理論與實(shí)踐聯(lián)系緊密的綜合性專(zhuān)業(yè)課程，是武漢科技大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課，為專(zhuān)業(yè)核心課程之一，其教學(xué)效果將直接影響本專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。它是以過(guò)程控制系統(tǒng)為主體，控制理論為基礎(chǔ)，結(jié)合過(guò)程工藝、自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的理論與應(yīng)用結(jié)合的課程［2－3］。

《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程的前身為20世紀(jì)60年代開(kāi)始設(shè)立的 《儀表控制系統(tǒng)》，隨著過(guò)程控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)歷了 《儀表控制系統(tǒng)》、《自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制》、《過(guò)程控制系統(tǒng)》和 《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》4個(gè)階段?！哆^(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程2006年被評(píng)為湖北省精品課程，2007年被評(píng)為國(guó)家精品課程。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程教學(xué)不斷的求實(shí)創(chuàng)新、與時(shí)俱進(jìn)，逐步建立了一套完整、科學(xué)的教學(xué)體系，集理論性、實(shí)踐性和工程性于一體。

1 課程建設(shè)

創(chuàng)建國(guó)家精品課程是教育部 “質(zhì)量工程”的重要組成部分?！哆^(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程內(nèi)容豐富，涉及面廣，學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的好壞、對(duì)有關(guān)知識(shí)點(diǎn)掌握的熟練程度以及有效地實(shí)施相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)將直接影響到自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，如何進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教材建設(shè)的改革是 《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程建設(shè)的核心。

針對(duì)控制科學(xué)與控制工程學(xué)科的發(fā)展，在課程建設(shè)中，基于自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，通過(guò)制定合理的課程結(jié)構(gòu)體系、不斷更新教材內(nèi)容、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件、優(yōu)化師資隊(duì)伍等措施，從而逐步形成了一套科學(xué)、先進(jìn)、完整的課程教學(xué)內(nèi)容體系。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中，采用靈活、互動(dòng)性的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)、課堂講授與網(wǎng)絡(luò)自學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式。

1．1 教學(xué)方法

《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程最突出的特點(diǎn)是控制策略的多樣性和針對(duì)性，以及理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。因此，在教學(xué)過(guò)程中，如何以學(xué)生為主體、如何將已學(xué)的控制理論相關(guān)知識(shí)與過(guò)程控制中的新內(nèi)容有機(jī)融合、如何讓學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)掌握課程內(nèi)容、如何培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、如何有效地引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)造能力，這些問(wèn)題對(duì)于該課程的教學(xué)至關(guān)重要。

課程組成員在多年的教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)不斷的探索和改革，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，采用多媒體教學(xué)、工程實(shí)例教學(xué)以及課堂討論等形式，并且通過(guò)互動(dòng)式、啟發(fā)式和引導(dǎo)式教學(xué)模式，充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而激發(fā)學(xué)生的求知潛能，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

1）傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)有機(jī)結(jié)合 采用多媒體課件與傳統(tǒng)的黑板板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)方式。教學(xué)內(nèi)容以教材為藍(lán)本，通過(guò)多媒體課件的演示，向?qū)W生們生動(dòng)的展示課程講義、例題演示等內(nèi)容，增加課堂教學(xué)的信息量，從而提高課堂效率。針對(duì)理論推導(dǎo)環(huán)節(jié)，教學(xué)方式著重傳統(tǒng)的黑板板書(shū)。如在講解串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn)時(shí)，通過(guò)板書(shū)一步一步的推導(dǎo)環(huán)節(jié)，向?qū)W生傳遞系統(tǒng)分析的過(guò)程及要點(diǎn)，加深同學(xué)們對(duì)理論知識(shí)的理解。同時(shí)，基于MATLAB軟件平臺(tái)，將各種控制策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的多媒體演示，充分的讓學(xué)生們了解各種控制策略的特點(diǎn)。

2）工程實(shí)例教學(xué) 鑒于該課程的工程實(shí)踐性，在教學(xué)過(guò)程中，將教師的科研課題作為教學(xué)內(nèi)容的實(shí)例，從設(shè)計(jì)方案、設(shè)備選型、系統(tǒng)組建及調(diào)試等方面，完整、系統(tǒng)的介紹某過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，特別是介紹系統(tǒng)調(diào)試的心得，從而開(kāi)拓學(xué)生的思維，激發(fā)他們對(duì)理論學(xué)習(xí)的興趣，使其能夠?qū)?shū)本知識(shí)和工程需求相結(jié)合，將抽象的書(shū)本知識(shí)具體化，提升他們的專(zhuān)業(yè)認(rèn)同感。

3）課堂討論 學(xué)生是課堂教學(xué)的主體，啟發(fā)式和引導(dǎo)式教學(xué)對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。在教師授課的同時(shí)，適當(dāng)?shù)募尤胝n堂討論環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性?！哆^(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程開(kāi)設(shè)之前，有少數(shù)同學(xué)在假期參加了 “全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)大賽”，這部分同學(xué)已經(jīng)提前自學(xué)了PID控制器參數(shù)工程整定的方法，并且積累了豐富的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，因此在講解 “PID調(diào)節(jié)原理”時(shí)，介紹完P(guān)ID控制器參數(shù)整定方法后，讓參與過(guò) “智能車(chē)大賽”的同學(xué)以智能車(chē)PID控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)調(diào)試為內(nèi)容，準(zhǔn)備好PPT，在課堂上向同學(xué)們講解整個(gè)智能車(chē)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，特別是參數(shù)整定的過(guò)程，然后，通過(guò)視頻的動(dòng)態(tài)演示，向同學(xué)生展現(xiàn)智能車(chē)運(yùn)行效果。從課堂現(xiàn)場(chǎng)反饋可以看出，這種教學(xué)方式取得了非常好的教學(xué)效果，學(xué)生們反應(yīng)熱烈，不斷向講臺(tái)上的同學(xué)提問(wèn)，形成了良好的學(xué)習(xí)互動(dòng)效果。

1．2 實(shí)踐教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是 《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》教學(xué)中必需的重要環(huán)節(jié)，構(gòu)建了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)、課堂教學(xué)與課外科技實(shí)踐密切結(jié)合的創(chuàng)新平臺(tái)。該課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)包括基本實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不僅使學(xué)生鞏固理論課的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，還能培養(yǎng)了獨(dú)立科研工作的能力。

過(guò)程控制與集散系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室擁有30臺(tái)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)儀，每次實(shí)驗(yàn)課可以保證1人1臺(tái)設(shè)備，可獨(dú)立進(jìn)行操作，從而保證了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。為了增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力，在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間，增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將原有的4個(gè)實(shí)驗(yàn)單元增加為8個(gè)單元，包括過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)識(shí)，組態(tài)軟件認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)閥、流量、壓力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)，單容水箱液位和進(jìn)口流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)，單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，DCS控制系統(tǒng)認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)等。

該實(shí)驗(yàn)儀除了提供基本的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)象特性分析，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)模擬等各類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)。老師提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)計(jì)要求后，學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)－分析－整定，并得出相關(guān)結(jié)論。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生是主角，教師只是輔助學(xué)生，給予學(xué)生指導(dǎo)性的建議。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谂囵B(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立科研工作和創(chuàng)新能力。配合校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新基金以及各種學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)，指導(dǎo)教師提供選題，開(kāi)設(shè)專(zhuān)題講座，然后，由學(xué)生們自主選擇題目展開(kāi)研究。學(xué)生也可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況，通過(guò)預(yù)約，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)秀的同學(xué)進(jìn)一步參與各種競(jìng)賽，如 “全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)大賽”。

為了方便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)課程實(shí)驗(yàn)，《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程還在課程網(wǎng)頁(yè)上提供了實(shí)驗(yàn)課程錄像，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得更為清晰，提高了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的生動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；趯?shí)驗(yàn)錄像的反復(fù)可觀看性，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)實(shí)踐－認(rèn)識(shí)－再實(shí)踐－再認(rèn)識(shí)的過(guò)程，加深對(duì)理論學(xué)習(xí)的理解。

1．3 教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)

建設(shè)了 《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)網(wǎng)站。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)網(wǎng)站主要包括多媒體課件、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)上自測(cè)、網(wǎng)上答疑、課程論壇、課程導(dǎo)學(xué)、教學(xué)改革、教學(xué)信息發(fā)布、往年考題等。教師可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助教學(xué)，學(xué)生可進(jìn)行遠(yuǎn)程、自主的學(xué)習(xí)，共享教學(xué)資源。

2 教材建設(shè)

教材是精品課程建設(shè)的基礎(chǔ)。《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程主講教師根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研成果，結(jié)合課程教學(xué)實(shí)際和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，編寫(xiě)了一系列適用性強(qiáng)的教材，包括主教材、實(shí)驗(yàn)教材、習(xí)題集以及輔助教材等。其中，主教材經(jīng)過(guò)了不斷的完善和充實(shí)，力求將最新的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和科研成果融入教材中，保證教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時(shí)代感。

課程主講教師編寫(xiě)的 《過(guò)程控制系統(tǒng)》（2002年，第1版）注重過(guò)程控制基本概念，并且介紹了國(guó)內(nèi)外過(guò)程控制。該教材經(jīng)過(guò)4年多的使用，編者結(jié)合過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)第1版教材的內(nèi)容進(jìn)行了修正和更新，2007年出版了 《過(guò)程控制系統(tǒng)》（第2版）。鑒于高可靠、智能化儀表和集中分散控制系統(tǒng)是過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展模式［2］，2009年出版了 《過(guò)程控制系統(tǒng)與集散系統(tǒng)》，該教材在原有教材的基礎(chǔ)上，增加數(shù)字PID控制算法、DCS的原理和設(shè)計(jì)方法等章節(jié)，并加強(qiáng)對(duì)預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)過(guò)程控制方法的介紹，從而保證了教學(xué)內(nèi)容的新穎性。針對(duì) 《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程中控制方法種類(lèi)多，工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程組成員根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，出版了 《過(guò)程控制系統(tǒng)－習(xí)題解答及課程設(shè)計(jì)》。這樣，學(xué)生在課下可以通過(guò)書(shū)中提供的課程重點(diǎn)、例題講解和習(xí)題等環(huán)節(jié)，鞏固課堂所學(xué)知識(shí)。

3 師資建設(shè)

課程教學(xué)師資隊(duì)伍是教學(xué)質(zhì)量的重要保證?！哆^(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程的教學(xué)隊(duì)伍有從事教學(xué)工作40多年的學(xué)術(shù)帶頭人1人，40～50歲2人，30～40歲2人，30歲以下2人，教學(xué)隊(duì)伍逐步形成了一支責(zé)任感強(qiáng)、思想活躍、積極進(jìn)取的老中青結(jié)合的教學(xué)梯隊(duì)。年長(zhǎng)的教師和青年教師定期進(jìn)行教學(xué)交流，討論教學(xué)方法、修改教學(xué)計(jì)劃及內(nèi)容，從而保證教學(xué)隊(duì)伍的穩(wěn)定性。

另外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)中的部分教師承擔(dān)了多項(xiàng)科研項(xiàng)目，具有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并取得了多項(xiàng)科研成果。這些教師在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以盡可能的滿(mǎn)足 《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程的實(shí)踐性和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，更好的為課程教學(xué)服務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)5年多的國(guó)家精品課程的建設(shè)，《過(guò)程控制與集散系統(tǒng)》課程基于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，做到了規(guī)范化、制度化和網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)過(guò)程。另外，積極開(kāi)展各項(xiàng)教學(xué)研究工作，積極與國(guó)內(nèi)其他高校進(jìn)行教學(xué)交流和研討，吸取先進(jìn)的教學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)，不斷地更新和充實(shí)教學(xué)內(nèi)容和方法，保證了精品課程的可持續(xù)發(fā)展。在教學(xué)過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行教學(xué)督導(dǎo)和學(xué)生的教學(xué)評(píng)價(jià)制度，教學(xué)效果及時(shí)反饋，保證教學(xué)的質(zhì)量。

［1］方康玲 ．過(guò)程控制與集散系統(tǒng) ［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［2］邵惠鶴 ．工業(yè)過(guò)程高級(jí)控制 ［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，2003．

［3］孫京誥，羅健旭，劉漫丹，等 ．過(guò)程控制工程國(guó)家精品課程特色建設(shè)探討與實(shí)踐 ［J］．化工高等教育，2012（12）：15－18．