面向国际工程教育认证的过程控制工程课程教改探索

摘  要：近年来国际工程教育认证对控制工程相关的专业课程体系建设提出了新要求，面向工程实践的过程控制工程课程紧密结合自动控制理论、化工原理、检测技术与测量仪表、计算机控制技术等，对培养具有实践能力的控制工程专业人才具有重要作用，因此教改显得尤为必要和迫切。文章结合大连理工大学和南京工业大学在过程控制工程课程教改方面的经验，分析过程控制工程课程应达到的教学目标，提出一种新的课程教改方案和创新教学模式，探讨教学方法改革的可行措施，并且介绍近期取得的一些明显成效。

关键词：过程控制工程;课程体系;教学改革;创新实践

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）01-0119-05

Abstract： In the recent years， new demands have been proposed for building the course systems of Control Engineering related majors， with respect to the accrediting standards of international engineering education. Facing to engineering practice， the course of process control engineering tightly integrates the Automatic Control Theory， Chemical Engineering Principles， Detection Technology and Measurement Instruments， and Computer Control Technology etc.， which takes an important role for cultivating Control Engineering talents with ability of engineering practice. Therefore， the teaching reform is especially necessary and urgent. This paper combines the experiences of teaching reform on the course of Process Control Eengineering from Dalian University of Technology and Nanjing Tech University， analyzes the desired teaching objective of this course， and proposes a new teaching reform scheme together with an innovated teaching mode. Moreover， practical measures are explored for reforming the teaching methods， and meanwhile， some evident results recently obtained are presented.

Keywords： Process Control Engineering; course system; teaching reform; innovation practice

自2016年我国正式成为工程教育《华盛顿协议》第18个成员国后，我国工程教育和人才培养质量实现与其他成员国实质等效和相互认可，教育部大力推进新工科建设和发展规划[1]，越来越多的工科院校开展了专业课程体系的教学改革，如“卓越工程师教育培养计划”[2]，以期达到国际工程教育专业认证的要求。然而对于控制工程人才培养中通识能力和工程实践能力的水平认证，尚有待于工程界的实证。

目前全国设置化学工程、冶金工程、机械工程等专业的高校在控制工程技术与实践教学方面基本上都开设有过程控制工程课程，它将自动控制理论、化工原理、检测技术与测量仪表、计算机控制技术等综合在一起，针对典型化工生产过程的“三传一反”特性（即动量传递、热量传递、质量传递、化学反应）和实际运行操作要求，培养具有控制工程实践和创新能力的专业技术人才。浙江大学戴连奎教授等[3]指出过程控制工程的核心教学目标是使本科生掌握控制系统的设计与实现技术。南京工业大学薄翠梅教授等[4]较早地提出了一些关于过程控制工程课程的教学改革与工程实践方法，有效地提高了该课程的讲授效果。华东理工大学罗健旭和顾幸生教授等[5]从过程控制课程体系构建、教学方法改革、实践环节设计等方面探讨了培养具有学习能力、工程实践能力和创新意识的过程控制人才的教学模式。近期教改论文[6-7]在该课程的实验教学方面提出了一些改进措施，有助于提高学生的控制工程实践能力。有文章[8]提出设立一些多学科交叉的教学项目来丰富理论与实践相结合的教学内容，从而提高学生独立科研创新能力和项目组织管理能力。

本文根据国际工程教育专业认证标准，分析过程控制工程课程的培养目标，围绕培养学生控制工程实践能力这一核心目标，提出一种新的课程教改方案和教学模式，为有关高校规划建设师资队伍、整合教学资源，以及建设学科新平台等提供参考方案。结合大连理工大学和南京工业大学在过程控制工程课程教改方面的经验，探讨一些可行的教学方法改革措施，并且说明由此取得的一些较好效果，以促进相关高校提高过程控制工程课程的教学质量。

一、过程控制工程课程的教学目标

国内高校自动化类、化学工程、冶金工程等专业基本上都开设专业必修课或选修课程——过程控制工程，但教学目标不尽相同。这里以大连理工大学和南京工业大学制定的课程教学大纲为例，简要说明一些共同的教学目标：

1. 通过简单控制系统的学习掌握工业控制系统的构成，各构成单元的特性与功能，以及控制系统实施的相关知识和基本概念。

2. 通过复杂控制系统的学习了解各种复杂控制系统的构成，工作原理、适用范围和工程实施中的基本应用技术。

3. 通过先进控制方法的介绍，了解现代控制技术的发展方向及最新控制技术。

4. 通过过程工业典型操作单元的控制应用，进一步理解上述各控制方案在工程中的应用特点和实施技术。

5. 通过本课程的学习，使学生具备对控制系统的分析能力、依据生产过程工艺控制要求制定合理控制方案和方案实施的基本技能，以及实现对本专业技能进一步学习和研究的基础和能力。

根据国际工程教育专业认证标准，大连理工大学制定的自动化专业毕业生能力要求中有9条涉及过程控制工程课程教学，具体如下：

1. 工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。

2. 问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

3. 设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

4. 研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。

5. 使用现代工具：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

6. 工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。

7. 环境和可持续发展：能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

8. 沟通：能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

9. 项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。

可见基于上述的过程控制工程课程基本教学目标难以达到国际工程教育专业认证的相关要求，必须通过建设更加科学合理的课程教学方案来解决，充分利用现有的师资队伍和教学资源，建设好配套的学科实验平台和实习基地，调动学生学习课程的积极性和主动性，才能实现上述教学目标和学生能力培养要求。

二、课程教学方案创新

针对上述教学目标和国际工程教育专业认证标准制定的相关毕业能力要求，这里提出一种具有灵活性的过程控制工程课程教学方案，如图1所示。

由图1可见，该课程教学方案的特点在于：（1）引入一定量的控制工程网络慕课（MOOC）教学资源和参考文献;（2）提高课堂教学的互动性;（3）增强工程实践能力培养。随着国内外慕课教学模式的推广应用，越来越多的过程控制工程专业课程资源可以通过教学网络和数据库获取。因此，为进一步丰富过程控制工程课程知识内容、扩大学生知识视野，建议更多地采用线上线下混合教学模式，包括根据所在院校专业特色制作相关的教学视频、来访专家学术报告以及有关学术会议报告等，每次授课前发给选课学生电子课件内容、参考文献以及有关视频资料，以便在授课期间同学生们互动交流，课后发布相应的课程作业和参考资料，从而有助于检验学生知识掌握情况和复习巩固，并且培养学生自学专业知识能力，尤其是可以解决近年来很多高校因削减本科生专业教学总学时数而引起过程控制工程课程教学时数减少的问题，如大连理工大学、南京工业大学和浙江大学等的过程控制工程课程教学时数（未包括控制工程实验）已削减至48学时。通过大力开展慕课教学资源建设，可以有效地补充课堂教学内容不足之处。

在提高课堂教学的互动性方面，注意引导学生对课堂教学内容的积极性和兴趣，通过每次授课前后发给学生有关授课内容的慕课资源和参考文献等，调动学生在课余时间学习课程知识的兴趣和主动性。建立以解决问题为驱动的课堂教学新模式，使教学过程从单向的知识传输转为师生互动，从而有效地提高学生的学习兴趣和教学效果。例如，对于第二章的教学，我们首先在第一章讲课结束后给学生发送第二章的电子课件和参考文献，包括大连理工大学和南京工业大学的磁悬浮控制台和水箱液位单回路控制案例材料，以及英国曼彻斯特大学相关本科课程Process System Engineering的慕课资源，布置三个自学思考题：（1）什么样的控制系统被称为简单控制系统？举例说明;（2）如何评价一个简单控制系统的性能和稳定性？列举一些指标;（3）请找出一种比经典PID整定方法更好的控制器设计方法？并说明设计思路。然后在课堂教学中，根据教学进程提出这些问题让学生回答，既可以鼓励学生主动回答并计入平时成绩，又可以采用随机点名的方式请学生回答，从而顺查学生上课考勤情况，无形中督促学生积极上课和参加互动交流。

此外，鼓励学生参与课程教学的备课和串讲，作为课程教学平时作业成绩的评分依据。例如，对于图1所示的第三至第八章讲授的复杂调节系统，其中关于串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统等章节的内容可以安排学生们成立学习兴趣小组，提供给他们有关电子课件、慕课资源以及参考文献，让他们分别申请这些章节的备课和课堂讲解，由此可以替代他们对这些章节的平时作业，并且进行课堂授课效果评比和打分，计入平时作业成绩。这样，学生们对这些章节的学习积极性得到提高，而且通过自学和组织学习兴趣小组，可以增强学习兴趣，发现和提出更多的学习问题，从而保证在课堂教学过程中产生良好的互动提问和交流解答。