過程控制競教研創一體化實踐教學模式研究

陶洪峰++謝莉++楊慧中++陳剛

摘 要 為滿足流程工業對自動化人才在工程觀念、實踐與創新能力和綜合素質方面的要求，提高學生的復合型素質，就教學內容整合、競賽性實驗改造、科研創新和項目孵化等問題進行分析和研究，不僅強調多層次一體化的實踐教學模式，而且為開展卓越工程師教育計劃提供思路。

關鍵詞 過程控制系統；實踐教學；創新教育

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）24-0169-03

Research on Integration Practice Teaching Mode of Competition， Teaching， Research and Innovation in Process Control System//TAO Hongfeng， XIE Li， YANG Huizhong， CHEN Gang

Abstract In order to meet the requirements of the process industry on the engineering concept， practice innovation ability and the com-prehensive quality of automation specialty talents， and improve the

quality of students compound quality， this paper analyzes the pro-blem of integration of course content， reformation of competition experiment， research innovation and project incubation. It not only emphasizes the multi-level integrated practice teaching mode， but

also provides the access to carry out the excellent engineers educa-tion training plan.

Key words process control system； practice teaching； innovation education

1 前言

目前，新技術革命的迅猛發展使得社會對高質量工程技術人才的需求更加迫切，世界各國無一不把培養一流的創新型工程技術人才放在突出的位置。特別是美國、德國、日本等發達國家，在培養人才的類型和要求上、教學思想上、課程體系結構和教學方法上都進行了重大的轉變，不斷加強工程實踐創新素質培養，進行課程的綜合與集成，以及更新教學手段與設施。美國康奈爾、斯坦福、加州伯克利等8所大學聯合進行的工程教育改革計劃的核心思想就是“綜合實踐創新”，要求在培養人才過程中將工程知識與實際問題相結合[1]。美國國家科學基金會（NSF）作為美國政府的聯邦機構，持續推動美國的工程教育改革，使得高等工科院校出現幾種變化：由科研優先、注重研究生轉向重視本科生教育；開始重視與工業企業界的結合，重視工程實踐；師資隊伍由原來注重學術研究型開始轉向注重工程實踐型，并以此改革和修訂專業教學計劃[2]。

國內最近一份調查表明，60.4%的受訪者認為現在的創新教育不能給工科大學生提供充分的工程訓練，工科學生對工程設計和動用綜合知識解決實際問題的重要性普遍缺少理解。為此，國內高校開始與企業聯手，啟動一批合作培訓項目和卓越工程師計劃，進行一系列創新型工程人才的教育研究與實踐，加深學生對工程的理解，提高他們的創新意識和工程實踐能力。

過程控制系統是自動化專業的一個主流方向，具有明顯的行業背景特色。它針對工藝原理，運用自動控制理論，采用計算機控制、可編程邏輯控制、自動化儀器儀表、現場總線和檢測技術等實施流程工業的過程控制，實現生產過程的安全、平穩、節能降耗[3]。因此，過程控制系統是一門涉及眾多內容、體現寬口徑知識體系的課程，具有綜合性、實踐性的特點，對于實施工程實踐教學和創新教育具有得天獨厚的優勢。

2 國內外教育現狀分析

在針對流程工業的自動化專業過程控制方面，國外大學緊密結合實際流程工業對象，學習流程工業對象的工業問題，再通過化工、煉油項目和鍋爐、水箱等實物裝置培養學生的綜合創新能力，不斷提煉實際對象和模擬工業環境下的具體控制科學和技術問題。一方面，通過工程獲取的化工過程數據和模擬軟件，用多個操作單元組成的過程控制流程模擬實際的生產過程，在理論學習的同時考慮過程控制方法在實際應用狀況下的補償和實施問題；另一方面，通過生產過程現場或半實物仿真裝置訓練學生的現場操作調試技能，再結合實際操作結果分析與理論結果不同的原因，完成“理論—實踐—理論”的過程控制系統人才培養的反饋學習過程。

在國內，清華大學、浙江大學、北京化工大學、華東理工大學、南京工業大學等自動化過程控制特色鮮明的高校開展了一些校內與校外相結合的過程控制人才培養方式。在校內將過程控制系統與其他學科其他專業課的教學內容進行相互補充，突出過程控制系統的流程工業背景；在校外聯合西門子、中國石化、浙大中控等企業，走進生產現場，通過以熟悉工藝原理為基礎的方式，使得過程控制問題不再是簡單的數學模擬和仿真，提煉的問題從實踐中來，最終通過實踐來反饋學習，一定程度上也提升了學生的感性認識和實踐技能，走的是一條卓越工程師培養方案下的“校內理論—校外實踐”的多層次學習方式[4]。

當前，在自動化專業的過程控制系統人才培養方面仍存在以下亟待解決的問題。

1）過程控制相關課程教學內容的系統性不強，基礎課程、專業課程和實踐教學等教育方式未實現有效融合，多是單門單節課程的局部改造，缺乏整體性教學內容的突破。

2）過程控制實踐創新平臺并不完善，校內多是小型獨立的實驗設計，缺乏多個綜合實驗設計來培養學生的過程控制綜合實踐能力，校內理論與校外實踐缺乏有效的過渡。

3）無論是在理論教學，還是實踐教學，過程控制的實踐創新內容都偏重于傳統和經典知識的訓練，未能將目前較新的過程控制研究成果、方法和技術引入教學中，在知識點和個人能力上未能與后續的學術深造研究和社會實踐工作的最新應用技術進行銜接。

3 改革思路和舉措

針對上述問題，廣泛征求意見，總結教育教學方法，對于過程控制系統的實踐教育模型進行一定的思考和探索。通過研究，根據流程工業對自動化專業人才的能力和素質要求，圍繞自動化專業人才培養目標，結合江南大學自動化專業輕工過程控制教育的特點和學科優勢，通過圖1所示的“競教研創”一體化的綜合實踐創新“123N”模式，立足自動化過程控制特色專業一條主線，構建理論教學與實踐教學兩大教學與實踐體系，依托“輕工過程先進控制教育部重點實驗室”“自動化卓越工程師培養基地”和“大學生實踐創新基地”三大創新平臺，通過教育部全國大學生自動化過程控制仿真多個系列挑戰賽，提高學生在過程控制領域內運用專業知識解決各種實際問題的能力，滿足流程工業對自動化工程人才在工程觀念、實踐與創新能力和綜合素質方面的培養要求，提高復合型工程實踐創新人才素質。

結合卓越工程師實踐創新計劃，整合過程控制相關課程教學內容 從流程工業的行業特點出發，同時結合現有自動化專業卓越工程師實踐創新計劃和卓越工程師培養基地，調研、綜合和分析現有流程工業企業對自動化工程師的知識結構和專業能力的要求，將知識、技能、個人素質、實踐經驗及管理能力等方面作為能力模型的輸入要素，研究建立合理的能力評價機制，進而優化整合自動控制原理、過程控制系統、控制儀表與裝置等相關課程的教學內容和教學計劃，采用多形式、多層次、多資源的人才培養方式，剔除重復性內容，突出各門課程的重點內容，提高課堂教學效率。

在校外，充分利用現有過程控制方向卓越工程師實踐基地，讓學生接觸最新的過程控制儀表和裝置；在校內，在現有單容水箱液位數學模型的測定、閉環雙水箱液位串級控制等設備基礎上，對實驗內容進行優化整合，突破以往實踐教學只限于驗證性和演示性的狀況，減少驗證性實驗，多開設綜合性、設計性、應用性強的實踐項目，構建多層次實驗教學體系，進而創建多形式的實踐能力培養模式和考核模式，將實際生產過程中的最新技術和裝備與理論教學內容進行有效銜接。

參加過程控制領域的權威大學生技能競賽，培養學生的綜合創新能力 全國大學生自動化控制仿真挑戰賽歷年由教育部、中國自動化學會過程控制委員會、系統仿真學會和國際知名的自動化企業西門子公司聯合舉辦，是過程控制領域最權威的大學生競賽。該競賽不僅需要學生具有過程控制理論知識，更需要學生具備實踐操作和現場應變能力，比賽公平公正，每年的競賽題目和流程工業對象都會有所不同。江南大學每年帶領本科生參加該競賽并獲得多次全國性獎項，通過實踐環節的競爭以及與全國學生和教師的交流，加深對過程控制專業知識的理解。同時進一步對過程控制競賽的題目進行后續開發，將競賽案例引入課堂和課程實驗，鼓勵學生走上課堂講臺講授體驗，答辯遇到的問題以及解決方法，從而培養學生的綜合創新能力，最終達到以競促教、競教結合的目的。

依托學院輕工過程先進控制教育部重點實驗室，開展科技創新 學院輕工過程先進控制教育部重點實驗室現具有大量實際和模擬的流程工業對象和控制裝置，以研究流程工業中的一系列理論與工程問題為研究重點。積極引導專業學生投身科研并轉化為實踐能力，通過將學生的普適教育和優秀本科生提前進實驗室相結合的方法，注重把過程控制研究的前沿科研成果轉化為教學和實驗內容，使學生與導師和優秀研究生接觸，在感受科研氛圍的同時，提前接受嚴格的基本科研訓練，培養創新能力，達到傳授知識、培養能力、提高素質的一體化模式，擺脫一般本科教育學科型教育模式的束縛，構建高層次“實踐—理論—科研”型科教結合的實踐創新模式。

立足大學生創新實踐基地，鼓勵自主科研申請和創新項目孵化 針對部分學有余力的學生特點，開展因材施教，依托以自主性、開放性、科學性、層次性為主要特點的大學生創新基地，鼓勵學生自主申請參加學院和學校的大學生創新項目，將他們引入一些實際的過程控制方面的創新項目中，通過過程控制類項目來提高學生的創新能力和動手能力。同時，對這些大學生創新項目并不是簡單地指導，而是進一步孵化其中一些優秀的創新項目轉化為創業項目，開展創業評比，豐富學生的實踐領域和感受。目標是讓學生通過參加這些項目，增強工程實踐思維能力、團隊合作意識，為今后走向社會打下扎實的工程實踐基礎。

4 結語

根據流程工業對自動化專業人才的能力和素質要求，圍繞自動化專業人才培養的總體目標，結合學院的輕工過程特色和學科優勢，重點優化整合過程控制相關課程中的實踐內容，有序引入過程控制系統前沿科研成果與現有教學內容，設計開發新的過程控制綜合性實驗，將競賽和科研中的研究問題轉化為適應現有實驗裝置的綜合性實驗。同時，結合流程工業特點和專業學生現有知識體系，選擇合適的企業，研討制訂合理的綜合實踐能力培養方案和需求。通過這些舉措，提高了學生在過程控制領域內運用專業知識解決各種實際問題的能力，滿足流程工業對自動化工程人才在工程觀念、實踐與創新能力和綜合素質方面的培養要求，最終提高學生的工程實踐創新素質。

參考文獻

[1]邢貴寧.工學結合模式下電氣自動化專業課程開發的研究[D].石家莊：河北師范大學，2012.

[2]楊慧中.美國高校創新人才培養模式的啟示[J].中國校外教育：理論，2010（11）：11-12.

[3]黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]楊慧中，陳剛，朱志芳，等.過程控制系統創新實踐教學的研究與探索[J].化工高等教育，2012（2）：70-72，85.