“过程控制”课程教学的优化策略
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作者:龚晓峰 雒瑞森 杨驰
[摘 要] 我国已经进入了“工业4.0”时代，自动化专业培养的人才面临机遇和挑战，因此从教学方法、教学内容、教学形式、实验内容和课程设计等几方面入手，提出了开展“专题讲座”“翻转课堂”“案例讨论”等新颖的教学模式，对自动化专业的核心课程“过程控制”进行课程改革和创新，锻炼了学生的动手能力和自主学习能力，培养了学生的工程设计能力，同时开拓了学生的视野，取得了较好的成效。
[关键词] 工业4.0;教学模式;课程改革
一、引言
工信部强调的《中国制造2025》的主要内容表明了互联网与传统工业的融合发展，意味着中国正在步入“工业4.0”的时代。面对工业互联网这一新的发展形态，自动化专业作为大学本科开设的工科类专业之一，更需要积极顺应国家发展的需求，加强学生对自动化专业课程的学习，这不仅要强调实践与理论的结合，使学生既要学懂也要会做，还要求提高学生的综合素质能力，包括创新能力、适应新环境的能力和团队合作能力，为社会输送高质量的工程技术人才[1]。
“过程控制”作为自动化专业的核心课程，具有很强的专业性和应用性，在石油化工、电力系统、冶金、造纸、医药和食品生产等传统工业领域都有广泛的应用。这门课程内容涉及了自动控制原理、仪表与检测、计算机控制技术等多门课程的内容，能让学生将控制原理中的理论知识与实际生产中的控制过程联系起来，充分理解不同的控制方案，对开阔学生眼界，培养学生动手能力和工程实践能力尤为重要。
随着工业互联网、人工智能等新兴技术的发展，在实际应用当中的系统和网络越来越复杂，控制系统的应用范围也越来越大，这为自动化专业人才提供了机遇，同时也提高了要求，自动化人才的培养面临着挑战。因此，结合新时代对自动化人才的需求，对“过程控制”这门课程进行教学改革，从教学方法、教学内容、教学形式、实验内容和课程设计等几方面入手，探索新的教学模式，提出改革性的措施，提高教学质量，并且最后取得很好的效果。
二、开展专题讲座，优化教学内容
“过程控制”是一门交叉学科，因此教材内容会与其他课程内容重复，比如：“仪表与检测”中的控制阀部分会与“过程控制”中控制阀部分重合，因此我们根据本课程的教学目的，倾向于介绍其在控制系统中的选型与工程意义，培养学生的工程思维。另外，教学内容不能仅仅局限于书本上的知识点，应当结合当前的发展形势，将工程应用上的新的技术融合到教学内容中，调整教学内容，比如结合目前蓬勃发展的信息技术和计算机技术，介绍其在传统工程领域中的新应用，使学生的工程理论不仅仅只局限于传统领域，对未来发展的新应用也有所探索[2]。除此之外，面对新时代对自动化人才的需求，在以往的课程体系之外，专门开展了针对工程理论应用的专题讲座[3]，因此理论知识的学习就分为了课堂学习和讲座学习两部分。
三、结合“翻转课堂”与“案例讨论”，改革教学模式
在传统的课程教学中，学生的积极性不高、教学的实训不足、教学方法与手段缺乏创新。然而随着互联网的飞速发展，国内外高校的教学模式在不断地创新，“翻转课堂”作为近年来一个全新的教学模式，也正在被越来越多的高校采用。这种教学模式可以充分吸引学生的兴趣，在培养学生自主学习和团队意识方面，有着巨大的优势。同时再结合“案例讨论”的方式，将学生主导课堂的优势最大化，提高学生的积极性。
（一）“翻转课堂”在“过程控制”课程中的应用
传统的教学模式采用的是先讲后学的方式，老师把大部分的时间投入到讲课环节。而“翻转课堂”有别于传统的教学模式[4]，采用先学后讲，老师和学生位置互换的方式，需要老师提前把上课内容做成视频，学生利用课前时间观看，同时学生分成不同的学习小组，对知识点进行归纳和提炼，针对不懂的问题，搜集资料来完成自主学习，最后小组共同制作讲解材料。上课时，以一周一组的方式，每个小组轮流上台讲解课程内容，然后由其余小组提出问题，共同讨论，最后由老师对本次讲解内容和问题进行补充和解答。
（二）采用“案例讨论”的启发式教学
“过程控制”是一门与工程应用联系密切的课程，然而常见的课堂教学内容大多是公式的讲解与推导，太过于抽象，没有落实到具体的项目应用，使学生感到枯燥，降低了他们的学习兴趣。本课程在采用“翻转课堂”的同时，加上“案例讨论”环节，在每节课学生讲解完理论知识后，针对所讲内容，展示其在工业锅炉、石油炼化、核反应堆控制等传统工业控制中的应用，引导学生对“系统设计主要内容”“如何控制被控参数”“各种仪表如何选型”等问题进行深入思考，使得学生能够更好地掌握课程内容。并且，为了激发学生的学习兴趣和主动性，案例的展示和分析采用多媒体课件、Matlab仿真和组态软件相结合的方式[5]，这样有两个很明显的优点：其一，针对案例分析，学习小组内部的分工合作，提高了学生的团队意识，并且利用Matlab对实际案例的仿真，锻炼了学生的编程能力，同时也加深了学生对理论知识的理解;其二，采用这样的方式，使听课学生更加直观地看到理论知识在实际工程当中的运用，所学内容不再那么抽象，学习过程也不会显得枯燥。
四、实践教学改革
为了让培养的自动化人才更加适应社会需求，教学目标不仅仅需要重视理论知识的学习，还应该强化实践教学环节。“过程控制”本就是一门理论联系实际的课程，因此实践环节是必不可少，通过实践既可以加强学生的动手能力，还能开拓学生思维，提高学生综合素质。
（一）基础性实验
基础性实验主要是以验证型和演示型的实验为主导，针对已经知道结果的实验进行验证，巩固所学的书本知识，提高学生的动手能力，培养基本的实验操作能力。其主要的实验内容是对简单的控制系统有所认识、对控制系统中的受控对象包括：液位、流量、温度等有直观的感受，了解PID算法参数对受控指标的影响，并学会简单的参数整定。
（二）综合设计实验
综合设计实验项目的形式是由老师给出设计题目，学生自行完成设计，该阶段的目的是使学生除了运用所学知识之外，自主查阅资料、观看教学视频，掌握工程设计的流程，锻炼学生解决工程问题的能力。
该阶段实验的主要内容是基于组态软件、Matlab仿真和相应的仪表选型，针对不同的工艺流程，选择不同的控制系统进行设计，包括：负反馈控制系统、串级控制系统、均匀控制系统、比值控制系统和选择控制系统等传统的控制系统，并编写相应的设计报告。
五、课程改革效果
通过此次对“过程控制”课程的教学改革，很好地激发了学生对于本课程的兴趣，特别是“翻转课堂”的提出，使得学生都能够积极地參与到课堂中，充分掌握教材中介绍的各种控制技术，专业技能得到了显著提高。“专题讲座”也发挥了很大的作用，使学生的眼光不仅仅局限于书本，学习到了一些前沿的控制技术与工程应用，拓宽了学生的视野显著。
总体来讲，此次“过程控制”课程改革达到了预期的目标。
参考文献
[1]吴晓蓓.《中国制造2025》与自动化专业人才培养[J].中国大学教学，2015（8）：9-11.
[2]杨佳，许强，雷绍兰，郭燕.“过程控制系统”课程教学及实验改革探讨[J].中国电力教育，2010（10）：125-126.
[3]蔡林沁，虞继敏，向敏，唐晓铭.《过程控制系统》教学改革与实践[J].教育教学论坛，2017（46）：105-106.
[4]杨诗丽.浅谈翻转课堂在过程控制及自动化课程中的应用[J].科学咨询（科技·管理），2019（11）：99.
[5]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）：113-114.
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