智能制造大賽引導下的過程控制課程改革實踐

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A DOI:10.16400/j.cnki.kjdk.2025.16.025

Practice of Process Control Course Reform Guided by Intelligent Manufacturing Competition

XU Chen， XIELi，TANG Ze

(School of Internet of Things Engineering，Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu )

AbstractThe article explores the teaching reform and practice of process controlcourses under the guidance of the Intelligent Manufacturing Competition (Siemens Cup China Intellgent Manufacturing Challenge). By analyzing the characteristics of the Intelligent Manufacturing Challenge and its implications for process control course teaching， a framework for theoretical teaching and experimental reform based on the Intelligent Manufacturing Competition is constructed.The results show that integrating the Inteligent Manufacturing Competition into processcontrol courses canenhance students'understandingoffoundational knowledgeand improve their practical skils.Additionally，the article elaborates on the applicationofthe SMPT-10 processcontrol system，used in the process-related segmentof the Intelligent Manufacturing Competition，in experimental teaching，and demonstrates the outcomes ofthereformed teachingapproach.The article provides new ideaand practical example for the reform of engineering education curricula， offering guidance for cultivating high-quality talent to meet the demands of intelligent manufacturing. Keywordsintelligent manufacturing competition; process control; teaching reform; SMPT-1000

在工業4.0背景下，智能制造已成為全球制造業發展的主要趨勢。作為智能制造的核心技術之一，過程控制在工業生產中扮演著越來越重要的角色[13]。然而，傳統的過程控制課程教學往往偏重理論知識的傳授，缺乏實踐環節和創新能力的培養，難以滿足現代工業對復合型人才的需求。在此背景下，探索過程控制課程教學模式改革，以提升學生的實踐能力和創新思維，成為當前工程教育領域亟待解決的重要課題。

智能制造大賽(“西門子杯\"中國智能制造挑戰賽)作為一項全國性的大學生競賽，為過程控制課程教學改革提供了新的思路[45]。該賽事以實際工業問題為導向，要求學生綜合運用多學科的知識解決復雜的工程問題，與過程控制課程的教學目標高度契合。因此，探索將智能制造大賽融入過程控制課程教學改革，不僅能夠提高課程的教學質量，還能為培養適應智能制造需求的高素質人才提供有力支撐。

文章旨在研究智能制造大賽引導下的過程控制課程教學改革與實踐。通過分析智能制造大賽的特點，研究基于該賽事的理論教學和實驗改革方案，并探討SMPT一1000在實驗教學中的應用。改革后的教學效果說明了改革方案的成效，可為工程教育課程改革與實踐提供新思路。

1智能制造大賽簡介

智能制造大賽，即“西門子杯”中國智能制造挑戰賽，是受教育部國際合作與交流司指導，由中國仿真學會和西門子（中國）有限公司聯合主辦的一項全國性的大學生科技競賽[6]。比賽內容涵蓋工業自動化、工業互聯網、智能制造系統等多個方向，要求參賽隊伍綜合運用機械、電子、控制、計算機等多學科的知識，解決復雜的工程實際問題。賽事采用團隊競賽形式，每支隊伍由2一3名學生組成，在指導教師的帶領下完成方案設計、系統實現等環節。

智能制造大賽的賽項設置充分體現了智能制造領域的最新發展趨勢和技術需求。目前，智能制造大賽主要設有以下幾個賽項：流程行業自動化、離散行業自動化（邏輯算法)、離散行業自動化（工程實踐)、離散行業運動控制、信息化網絡化、智能設備設計與數字孿生制造、自由探索等。其中，流程行業自動化賽項與過程控制課程的教學內容最為相關，是文章重點關注的對象。

流程行業自動化賽項以生產過程的升級改造為背景，要求參賽隊伍設計并實現完整的控制系統。比賽內容通常包括過程建模、控制方案設計、系統仿真和實際調試等環節，涵蓋了過程控制課程的核心知識點。例如，在某屆比賽中，參賽隊伍需要為一反應工藝過程設計先進的控制策略，并利用現場提供的PLC等進行實現。這種基于實際工業場景的賽題設計，不僅考驗了學生的理論知識掌握程度，還要求他們具備解決復雜工程問題的能力。

2過程控制課程教學內容及問題

2.1教學內容

過程控制課程是自動化類專業的重要核心課程，其主要內容包括過程控制系統的基本概念、建模方法、控制方案和系統設計等方面[8。具體而言，課程通常涵蓋以下幾個模塊：過程控制基礎知識、過程建模、常規控制策略、先進控制方案、控制系統綜合設計等。

在過程控制基礎知識模塊中，學生需要掌握過程控制系統的組成、分類和性能指標等基本概念。過程建模模塊則著重介紹如何利用機理分析和實驗方法建立過程模型。常規控制策略模塊主要講解PID控制原理及其參數整定方法，這是工業過程控制中最常用的控制方法。先進控制方案模塊則介紹了一些復雜的控制策略，如串級控制、前饋控制、選擇性控制等，這些方法在處理復雜工業過程時具有優勢。最后，在控制系統綜合設計中，學生需要綜合運用所學知識，完成一個完整的過程控制系統設計。

2.2存在問題

① 理論與實踐脫節。傳統的教學過程過于注重理論知識的傳授，而忽視了實踐環節的重要性。學生雖然掌握了大量的理論知識，但缺乏將這些知識應用于實際工程問題的能力。這種理論與實踐脫節的現象，導致學生在面對真實工業場景時往往感到無所適從。

② 教學方法和手段單一。傳統的教學過程以教師講授為主，學生被動接受知識，缺乏主動思考和創新的機會。這種單向的知識傳遞模式，不利于培養學生的創新思維和解決復雜工程問題的能力。此外，實驗教學環節往往局限于驗證性實驗，缺乏綜合性和設計性實驗，難以激發學生的學習興趣和創新潛能。

③ 考核評價體系不夠完善。目前的課程考核仍以期末考試為主，側重于對理論知識的考查，而忽視了對學生實踐能力和創新能力的評估。這種單一的考核方式，難以全面反映學生的綜合素質，也不利于學生創新能力的培養。

這些問題嚴重制約了過程控制課程的教學效果，也影響了學生畢業后適應業界需求的能力。因此，亟須對過程控制課程進行改革，以培養適應智能制造需求的高素質人才。

3過程控制課程改革實踐

3.1基于智能制造大賽的理論教學改革

針對傳統過程控制課程教學中存在的問題，本部分結合智能制造大賽給出理論教學改革措施。在課程內容方面，以智能制造大賽賽題為導向，對原有教學內容進行重構和更新。具體而言，增加先進控制方案、數據分析等與現代智能制造密切相關的內容，刪減了一些過時或實用性不強的內容。例如，教師在講解PID控制時，不僅介紹傳統的參數整定方法，還引入了基于人工智能的自整定算法，并結合智能制造大賽賽題中的實際案例進行講解。

課程教學中采用以問題為導向的教學模式。每章內容都圍繞一個典型的智能制造大賽賽題展開，通過提出問題、分析問題、解決問題的過程，引導學生主動思考和探索。例如，教師在講解過程建模時，以某屆智能制造大賽流程行業自動化賽題中的鍋爐系統為例，引導學生分析系統特性、建立數學模型，并討論不同控制方案的優缺點。這種基于實際問題的教學方式，不僅提高了學生的學習興趣，還培養了他們的工程思維能力。

引入案例教學法，將歷年智能制造大賽的優秀作品作為教學案例。通過分析這些案例，學生可以了解如何將理論知識應用于實際工程問題，學習優秀團隊的問題解決思路和創新方法。同時，邀請智能制造大賽的獲獎團隊進行經驗分享，讓學生近距離感受競賽氛圍，激發他們的參與熱情。

通過這些改革措施，可將智能制造大賽的競賽元素融入理論教學，不僅更新了課程內容，還創新了教學方法，有

科教導刊

效提高了學生的學習興趣和實踐能力。

3.2基于智能制造大賽的實驗與設計改革

在實驗教學方面，課程組以智能制造大賽為導向，對傳統的實驗教學內容和方法進行改革。首先，引入了SMPT一1000高級過程控制實驗系統[9-10]，該系統能夠模擬多種工業過程，如鍋爐系統、換熱器系統等，為學生提供了一個接近真實的工業控制環境。通過SMPT一1000，學生可以進行從過程建模、控制器設計、控制方案選擇到系統調試的完整實驗，大大提高了實驗教學的實踐性和綜合性。

在實驗內容設計上，課程組參考智能制造大賽賽題，開發了一系列綜合性實驗項目。例如，設計一個基于SMPT一1000的鍋爐控制實驗，要求學生完成從系統辨識、PID參數整定到先進控制策略設計的全過程。這個實驗不僅涵蓋了過程控制課程的核心知識點，還要求學生綜合運用MATLAB、Simulink、PLC等工具進行仿真和優化。通過這樣的實驗，學生能夠深入理解理論知識在實際工程中的應用，提高解決復雜問題的能力。

在綜合設計環節，課程組采用智能制造大賽模式，要求學生以團隊形式完成一個完整的過程控制系統設計。設計題目通常來源于實際工業問題，如某化工廠的反應器溫度控制系統設計。學生需要完成從需求分析、方案設計、系統實現到性能評估的全過程，并提交詳細的設計報告和演示視頻。這個環節不僅檢驗了學生的理論知識掌握程度，還全面培養了他們的工程實踐能力和項目管理能力。

通過這些改革措施，過程控制課程實驗教學實現了從驗證性實驗向綜合性、設計性實驗的轉變，大大提高了學生的實踐能力和創新意識。許多參與過這些實驗和綜合設計的學生在后來的智能制造大賽比賽中都取得了優異的成績，充分證明了這些改革措施的有效性。

3.3實踐改革成果

基于智能制造大賽的過程控制課程實踐改革取得了顯著的成果。首先，在學生學習效果方面，對比改革前后的課程考核成績和學生反饋，學生的理論知識掌握程度和實踐能力都有了明顯提升。特別是在綜合設計環節，學生提交的報告質量顯著提高，許多報告展現出了創新性和實用性。例如，有學生團隊設計了一種基于深度學習的控制方法，取得了優于傳統方法的性能。

其次，在競賽成績方面，學生在智能制造大賽中表現突出。過去三年中，學校參賽隊伍在流程行業自動化賽項中獲得了3個國家級獎項以及10余個省級獎項。這些成績的取得充分證明了文章研究的教學改革方案可有效提升學生的實踐能力和創新思維。許多獲獎學生表示，課程中的綜合性實驗和項目設計為他們參加比賽打下了堅實的基礎，使他們能夠更好地應對比賽中的各種挑戰。

4結語

文章通過將智能制造大賽引入過程控制課程教學改革，探索了一條培養適應智能制造需求的復合型人才的有效路徑。研究表明，基于智能制造大賽的理論教學改革和實驗創新，不僅更新了課程內容，創新了教學方法，還顯著提升了學生的實踐能力和創新思維。SMPT一1000過程控制仿真系統的引入和綜合性實驗項目的設計，為學生提供了接近真實的工業控制環境，有效培養了他們的工程實踐能力。改革后的課程教學取得了顯著成果，不僅提高了學生的學習效果和競賽成績，還增強了他們在就業和深造中的競爭力。

★基金項目：江南大學本科教育教學改革研究項目“智能制造大賽引導下過程控制課程與勞動教育研究實踐”（JG2023049）；國家自然科學基金資助項目“基于變分貝葉斯和強化學習的聯合估計方法及應用”(62103167)。

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