过程控制工程课程信息化教学方法探讨

邓冠龙

摘要 过程控制工程将自动控制理论、检测技术和生产过程控制综合在一起，是一门理论和应用性较强的学科，在教学过程中理论和实际的转换难以掌握。本文结合现阶段信息化教学的发展趋势，考虑到过程控制技术的应用现状以及课堂教学的现实情况，从教学内容、多媒体化、仿真实验等方面提出了若干措施和经验，对这门课程的信息化教学方法进行了探讨。

关键词 过程控制 信息化 教学方法 Matlab

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.08.066

Discussion on Process Control Engineering

Course Information Teaching Methods

DENG Guanlong

（School of Information and Electrical Engineering， Ludong University， Yantai， Shandong 264025）

Abstract Process control engineering the automatic control theory， detection technology and production process control combined， is a strong theoretical and applied disciplines， in the teaching process theory and actual conversion is difficult to grasp. In this paper， the development trend of information technology education at this stage， taking into account the reality of the process control technology application status and classroom teaching， proposed a number of measures and from the experience of teaching content， multimedia， simulation experiment， the information in this course teaching methods are discussed.

Key words process control; information; teaching methods; Matlab

引言

过程控制是指石油、化工、电力、冶金、纺织、建材、轻工、核能等工业部门生产过程的自动化。①生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率的重要手段。为了适应自动化技术的发展和国家工业部门的需求，在自动化、电气工程等学科开设“过程控制工程”这门课是非常必要的，因而目前这门课是全国各大专院校自动化相关专业的一门重要专业课。②这门课既需要较好的理论基础，又需要和工业生产实际相联系，综合性较强，理论和实际的结合点较难把握。另一方面，现代控制技术近年来得到了广泛发展，这门课的内容变得更加丰富，众多新知识的加入使得授课内容也变得庞杂，在内容扩大和学时减小之间亦存在矛盾。由于过程控制的实践平台比较复杂，受到时间、地点、费用等方面的制约，导致传统的教学手段存在理论知识讲解较多、实践教学难以展开的问题。如有的实践平台造价太高，不允许学生亲自动手操作，即使可以实际操作，也往往流于形式，出现理论和实际脱节的现象。随着现代教育技术的发展，信息化教学成为其中的一个重要发展方向，人们可以将快速获取、处理和应用信息的手段引入到教学中。本文正是针对过程控制工程教学面临的问题，从信息化教学的手段和方法方面进行尝试，主要从教学内容、多媒体化、仿真实验等方面出发，探讨适应学生学习规律的教学方式的变革，以提高教学效果。

1 教学内容的选取

在现代信息技术的环境下，学生和教师可获取的信息是非常庞大的，新技术新方法层出不穷。我们一直有这样的疑问：在有限的授课学时内如何从众多的课程内容中选取适当的部分传授给学生？选取的标准是什么？对学生应有怎样的要求？授人以鱼还是授人以渔？现在的教材普遍在内容上较为全面，通过广泛收集学生的反馈信息，我们发现不同的学生有不同的需求。考虑到当前“大众教育”的现实，大部分的理论基础知识是必不可少的，但可不必面面俱到，尤其是理论推导应该从简。对较难掌握的高阶内容必须要涉及，由于时间上的原因可以不深入，但要注意其中和生产生活密切相关的部分，可选择性地重点介绍。具体到过程控制工程这门课，结合该课程的先修课程以及本专业的指导性教学计划，删掉在其他课程中重复的内容或难度过大的内容，如温度、压力、液位三大热工参数测量、节流元件的计算、集散控制系统、鲁棒控制等，增加了教材没有涉及到的部分内容，如化工原理中的多项内容：流体输送设备、传热设备、精馏原理等。特别地，强调这门课和“自动控制原理”、“检测技术”等课程内容衔接，使学生可以将所学知识融会贯通、举一反三。另外，涉及到实验部分的理论内容时，需要重点讲解理论和实际的联系。如关于一阶惯性对象的特性测量，不少学生虽然学过自动控制原理，但是仍然无法和水箱的模型联系起来。通过在课堂上的机理分析法，以及实验数据的测量，很容易就使学生感受到已有理论在实际生产中的效果。在信息化教学中，教育应该以解决问题为导向，因此对学生的评价准则也应当有所变化。很多内容不必学生牢记，融会贯通更加重要，这需要学生具有一定的知识面，并大致了解当前的最新技术成果。从这个角度出发，以专题的形式选取一部分教学内容显得较为重要。如自动化学科体系概述、智能控制方法在过程控制中的应用、软测量技术和数据挖掘方法的应用等。

2 多媒体和网络的应用

利用多媒体技术，可以将原本枯燥的课本内容翔实生动地展现在学生面前。多媒体信息具有信息量大、速度快、内容新等特点，可以让教学活动更加直观，提高学生学习的积极性。利用CAI教学软件，可以补充课本教学的不足。此外，一些生动的Flash动画可以帮助学生更好地理解课本中晦涩难懂的难点。③如双容水箱的水位控制、离心泵的控制、精馏塔的精馏过程等都可以做成动画，增强学生对相应知识点的理解和认识，学生也觉得新奇有趣味，从而大大提高了学习的主动性。当然，在课堂授课中，除了多媒体技术的应用之外，适当的板书也是必要的。两者要相辅相成、各取所长，使学生更充分地吸收课本知识，领会各个重点和难点。

除了多媒体技术的应用，教育网络也是一个重要的媒介。依托教育网络，教师和学生可以在网络上找到各种技术资料，以及各种先进科技的发展动态，如软测量先进控制技术、模糊智能控制等前沿动态可随时在网络上获取。同时，教师应当引导学生应用网络解决一些课程相关的难题，学生们往往发现，通过网络寻找答案有时比课本来得更快、更易理解。在问题求解的过程中，学生也学会了综合各种手段特别是网络解决实际问题的思路和方法。另一方面，教师可以通过网络发布课程相关的内容，如教学教案、教学大纲、作业习题、技术前沿等，也可以在网络上同学生更好地互动，使学生感受到课程内容已融入生活，学习过程更加轻松方便。④在现行的教育环境下，这是引导学生从被迫学习向自主学习的重要一环。

3 仿真平台的使用

工业生产过程控制是自动化的一门重要分支学科，其任务是分析、设计和应用在实际生产过程中的控制系统。因此，理论必须和实践相结合，才能真正将学到的理论知识用到工业实际中去。然而，传统的实践教学有较大困难。一方面，实验设备耗资巨大，另一方面，即使有相应设备也不能任由学生实习操作，因为设备一旦操作失误可能造成严重后果。在这样的环境下，仿真平台这一信息化教学手段的应用变得举足轻重。针对过程控制工程这门课，实用的仿真平台有如下两个：Matlab/simulink平台和组态软件Kingview。

Matlab适用于算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算，其中simulink模块的应用领域非常广泛，可实现过程控制中的各种控制算法，进行各种控制结构的仿真实验。⑤不管是在授课过程还是实验环节都可以运用这一工具，而且仅需一台计算机即可实现。如过程控制课程中讲到被控对象的自衡和无自衡，学生难以理解。在simulink平台里搭建一个对象模型，输入端施加一阶跃信号，查看输出端的曲线便马上能得到被控对象的输出特性，一目了然。如图1所示，在simulink中搭建好阶跃响应模型，对反向特性过程的自衡型和无自衡型进行仿真，可使学生有更加清晰的印象。又如串级控制系统、解耦控制系统、设置模糊控制器等较难的内容，均可在该仿真平台中实现。

组态软件在现代的工业控制中扮演着重要角色，在实际的工程实践中应用非常普及，因而组态软件这一工具非常有必要让学生接触、认识并熟悉。它是处在控制系统中监控层一级的软件平台和开发环境，具有各种灵活的组态方式，可为用户提供友好的人机界面和全方位的监控功能。图2给出了采用某合成氨生产过程的组态王软件设计界面，该界面可实时显示生产过程动态数据，并兼具报表生成。除了过程控制领域，在电力系统、楼宇自动化、制造业等领域的使用也相当普遍。具体到过程控制工程这门课，可采用较为简单方便的组态王Kingview，Kingview具有使用成本低、方便快捷、功能强大、人机界面友好等优势。教师可以利用Kingview实验平台，通过工程组态、通讯设置、情景测试等环节，让学生认识到工业级的计算机数据采集与监控系统的实现过程，激发学生的学习兴趣和主动性，提高动手解决实际问题的能力。

4 结语

信息化教学是现代教师必备的职业技能，在网络化的时代应成为一项基本技能。教师掌握信息化教学方法并能熟练地运用，才能更好地服务于学生群体。当然，如何充分地发挥信息化的优势，与传统的授课结合起来，达到最好的效果，这是一项系统工程。这项系统工程需要实践的检验，通过实施的情况和学生的反馈效果来不断地调整。在信息化教学中，教师不仅仅是知识的传授者，而且是引领者，教师不仅仅是教学方法的实施者，而且是探索者。总体来说，在过程控制工程这门课中，通过这些信息化手段，学生对专业知识有了更深入的理解，对课程相关的基础理论也有了新的认识，创新意识和实践能力也有所提高。

注释

① 黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2011.

② 俞金寿，顾幸生.过程控制工程[M].北京：高等教育出版社，2012.

③ 江莺.“过程控制”教学的实践与思考[J].中国电力教育，2010.31：128-129.

④ 吴文辉.信息化技术下电气工程基础课程教学方法探讨[J].华东交通大学学报，2007.24：57-59.

⑤ 方康玲.过程控制及其MATLAB实现[M].北京：电子工业出版社，2013.