摘要：通過(guò)開(kāi)展以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為目的的集散控制系統(tǒng)教學(xué)改革研究，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，以提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，適應(yīng)新時(shí)代企業(yè)對(duì)人才能力的要求，降低企業(yè)再次培養(yǎng)成本，通過(guò)集散控制系統(tǒng)教學(xué)方法改革，研究課堂教學(xué)新方法。教學(xué)方法上將理論與實(shí)踐并重，提高以學(xué)生為中心的實(shí)踐能力。通過(guò)改革課程的實(shí)施，讓學(xué)生能夠掌握集散控制系統(tǒng)（DCS）相關(guān)的設(shè)備運(yùn)行、檢修、維護(hù)和工具的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生集散控制系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備安裝與識(shí)別、系統(tǒng)接線及原理、系統(tǒng)軟件組態(tài)和原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等能力。為此結(jié)合測(cè)控專業(yè)開(kāi)設(shè)的“集散控制系統(tǒng)”課程，開(kāi)展一體化教育教學(xué)改革研究，為后期一流課程建設(shè)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐能力；集散控制系統(tǒng)；教學(xué)改革；DCS；實(shí)踐研究

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

2023年新疆維吾爾自治區(qū)政府工作報(bào)告提出，新疆將培育壯大特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，加快打造以“八大產(chǎn)業(yè)集群”為支撐的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，包括油氣生產(chǎn)加工、煤炭煤電煤化工等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群［1］。煤炭、煤電、煤化工等工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)信息化和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，在特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，特別是煤電及煤化工領(lǐng)域，對(duì)集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，簡(jiǎn)稱DCS）的需求也與時(shí)俱進(jìn)，集散控制系統(tǒng)是煤炭、煤電、煤化工等行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的主流產(chǎn)品，集散控制系統(tǒng)課程是自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)的主要專業(yè)課程［23］。教育部提出的新工科建設(shè)方案將培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力的應(yīng)用型人才作為新時(shí)代高校工科學(xué)生人才培養(yǎng)的基本要求［4］。另外，教育部有關(guān)做好普通高等學(xué)校畢業(yè)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)工作的通知的精神，各高校要將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿于人才培養(yǎng)的全過(guò)程。如何將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)融入專業(yè)課基礎(chǔ)教學(xué)中，提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，值得探討和研究［56］。在這些政策背景下，借助應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式的優(yōu)勢(shì)，將集散控制系統(tǒng)技術(shù)在煤電及煤化工產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用與已開(kāi)展的集散控制系統(tǒng)課程相結(jié)合，將該課程從傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)模式向理論與實(shí)踐相結(jié)合的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)“八大產(chǎn)業(yè)集群”政策背景下對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

目前，已開(kāi)設(shè)的集散控制系統(tǒng)課程的理論教學(xué)無(wú)法滿足社會(huì)對(duì)人才多元化能力需求。集散控制系統(tǒng)課程具有與工程實(shí)踐聯(lián)系密切、實(shí)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)［7］，通過(guò)課程改革建設(shè)，使學(xué)生掌握DCS的設(shè)計(jì)方法，并具備DCS的硬件和軟件開(kāi)發(fā)、提高DCS綜合應(yīng)用等工程實(shí)踐能力。

2課程現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，集散控制系統(tǒng)課程以課堂理論教學(xué)為主要授課方式，部分班級(jí)開(kāi)始試點(diǎn)一體化教學(xué)，課程的主要授課對(duì)象是測(cè)控技術(shù)與儀器及自動(dòng)化專業(yè)大三學(xué)生，與理論教學(xué)配套有8個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。這種模式下，學(xué)生無(wú)法真正地將理論所學(xué)應(yīng)用到工程實(shí)踐，導(dǎo)致理論與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1教學(xué)內(nèi)容與市場(chǎng)需求脫節(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器及自動(dòng)化專業(yè)的人才需求也隨之變化。集散控制系統(tǒng)教材內(nèi)容較為陳舊，教學(xué)內(nèi)容更新速度慢，與企業(yè)對(duì)畢業(yè)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)要求脫節(jié)，部分硬件知識(shí)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)階段企業(yè)對(duì)新技術(shù)和新方法的需求。

2.2課程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱

集散控制系統(tǒng)是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，現(xiàn)階段的教學(xué)模式無(wú)法為學(xué)生提供良好的實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境。并且實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用軟件仿真為主，學(xué)生面對(duì)實(shí)際問(wèn)題仍束手無(wú)策，缺少實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)。另外，理論教學(xué)未能與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相聯(lián)系，硬件與理論知識(shí)不匹配，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法有效利用。

因此，本次教學(xué)改革調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以項(xiàng)目式教學(xué)方法開(kāi)展一體化教學(xué)，同時(shí)加強(qiáng)同相關(guān)企業(yè)的溝通，將企業(yè)生產(chǎn)案例融入一體化教學(xué)當(dāng)中，提升教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐的融合。

3課程改革方案

3.1改革內(nèi)容

集散控制系統(tǒng)課程針對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器和自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)，目前學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)8學(xué)時(shí)。課程改革從以下幾點(diǎn)出發(fā)。

（1）優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)，在“八大產(chǎn)業(yè)集群”支撐體系背景下，將課程建設(shè)與時(shí)俱進(jìn)，與新疆豐富的煤炭資源應(yīng)用相結(jié)合，與煤炭煤電煤化工應(yīng)用的方向相結(jié)合。

（2）將現(xiàn)有理論加實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式內(nèi)容進(jìn)行模塊化改造，結(jié)合煤炭煤電在工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)例，通過(guò)將生產(chǎn)實(shí)際中搜集到的煤電各環(huán)節(jié)應(yīng)用，以題目的方式分配給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

（3）通過(guò)課程改革，建設(shè)貼近生產(chǎn)實(shí)際的課程素材，包括課堂教學(xué)案例、學(xué)生實(shí)踐題目、全生命周期的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)素材。

（4）通過(guò)課程研究與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)該課程的理實(shí)一體化的建設(shè)。

3.2課程改革擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

本次課程的改革從專業(yè)實(shí)際出發(fā)，改變現(xiàn)有教學(xué)模式，改進(jìn)理論教學(xué)后學(xué)生仍舊無(wú)法自主動(dòng)手實(shí)踐的問(wèn)題。另外，將集散控制系統(tǒng)的課程建設(shè)與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，促進(jìn)產(chǎn)教融合，提高學(xué)生就業(yè)率，提高實(shí)習(xí)實(shí)踐企業(yè)對(duì)學(xué)生實(shí)踐水平的認(rèn)可度，并改善教學(xué)過(guò)程中行業(yè)知識(shí)與課堂知識(shí)相脫節(jié)的問(wèn)題，通過(guò)建立教學(xué)模塊與生產(chǎn)實(shí)踐相聯(lián)系，將課程內(nèi)容與煤炭煤電煤化工生產(chǎn)中的典型環(huán)節(jié)相結(jié)合。

4改革實(shí)施

4.1教學(xué)內(nèi)容整合設(shè)計(jì)

將現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革與優(yōu)化，將該課程的理論授課內(nèi)容被劃分為三大部分、七大模塊，本次教學(xué)改革對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1課程內(nèi)容的模塊化設(shè)計(jì)

4.2項(xiàng)目式教學(xué)引入

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是將實(shí)際問(wèn)題融入課堂實(shí)踐的一種教學(xué)方法，可以幫助學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際情境中，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和問(wèn)題解決能力。教學(xué)過(guò)程中采用火力發(fā)工藝流程案例教學(xué)，通過(guò)將火電廠的生產(chǎn)全工藝流程案例進(jìn)行分解為不同的子工藝流程，將所得到的子流程題目分配至各個(gè)小組，由各小組完成從子工藝流程的設(shè)計(jì)到DCS監(jiān)控組態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)。拆分所得到的子流程題目如下表所示。

4.3課程考核方式及實(shí)施方法

在課程建設(shè)過(guò)程中，集散控制系統(tǒng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)已有的課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，采用調(diào)研、學(xué)生交談?wù){(diào)查、期末考試總結(jié)等方法，總結(jié)出教學(xué)實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題及提出解決辦法，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行論證和完善，開(kāi)發(fā)出了通俗易懂的課堂教學(xué)案例，通過(guò)教學(xué)案例啟發(fā)學(xué)生探索學(xué)習(xí)的方式和方法，如在火力發(fā)電全流程中，將室內(nèi)燃燒的煤粉的制粉過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)講解，啟發(fā)學(xué)生去聯(lián)想其他環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與組態(tài)，效果如圖2所示。

圖2火力發(fā)電全流程中制粉系統(tǒng)所處的環(huán)節(jié)

4.4課程改革成果

本次課程改革對(duì)課程各章節(jié)進(jìn)行了模塊化分類(lèi)，對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容權(quán)重進(jìn)行了分配，重組的結(jié)果如下。

模塊一為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理。理論方面要求學(xué)生理解DCS的特點(diǎn)，能說(shuō)出FCS與DCS的區(qū)別。實(shí)踐方面要求學(xué)生會(huì)使用繪圖軟件繪制某生產(chǎn)工藝的工藝流程圖，圖紙符合工程制圖要求，分配權(quán)重為10%。

模塊二為DCS層級(jí)結(jié)構(gòu)。理論方面要求學(xué)生理解DCS的分散方式，掌握現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員工作站及工程師工作站的功能。實(shí)踐方面要學(xué)會(huì)硬件設(shè)備選型、安裝、調(diào)試、故障判斷和處理方法，分配權(quán)重為20%。

模塊三為DCS軟件分類(lèi)及其功能。理論層面要求學(xué)生理解DCS系統(tǒng)組態(tài)、I/O組態(tài)、流程圖組態(tài)、算法組態(tài)基本原理。實(shí)踐方面要求學(xué)生能夠繪制工作站、I/O、流程圖組、算法組態(tài)，針對(duì)某生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)字直接控制系統(tǒng)、人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，分配權(quán)重為30%。

模塊四為DSC算法組態(tài)部分。理論方面要求學(xué)生理解單回路PID控制算法、雙回路PID控制算法、單回路前饋控制算法、選擇性控制、單回路比值控制、復(fù)雜控制算法、順序控制算法的基本概念和數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用場(chǎng)合。實(shí)踐方面要求學(xué)生能夠在組態(tài)軟件中進(jìn)行算法組態(tài)調(diào)試，完成項(xiàng)目化案例的控制，分配權(quán)重為25%。

模塊四為數(shù)據(jù)通信的基本概念。要求學(xué)生掌握工業(yè)數(shù)據(jù)通信的方式和組網(wǎng)方法，能夠說(shuō)出典型DCS的通信網(wǎng)絡(luò)名稱，分配權(quán)重為8%。

模塊五為現(xiàn)場(chǎng)總線的概念及特點(diǎn)。掌握現(xiàn)場(chǎng)總線的基本定義、理解現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)優(yōu)勢(shì)和核心、了解常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域及典型硬件連接形式，分配權(quán)重為7%。

通過(guò)以上模塊的重組，傳統(tǒng)理論教學(xué)中實(shí)踐與理論脫節(jié)的問(wèn)題能夠得到有效的改善，各模塊的實(shí)踐能夠結(jié)合理論知識(shí)點(diǎn)，以項(xiàng)目化的模式激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索、主動(dòng)研究的能力，形成良性的閉環(huán)學(xué)習(xí)效果。

結(jié)語(yǔ)

本次課程改革的實(shí)施，突破了目前集散控制系統(tǒng)僅限于理論為主的教學(xué)窘境，將理實(shí)一體化應(yīng)用于課程的建設(shè)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力；該課程改革的實(shí)施，貼近煤炭煤電煤化工的生產(chǎn)實(shí)際，為培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的應(yīng)用型人才提供支撐；通過(guò)課程改革，可提升課題組青年教師的教學(xué)水平及行業(yè)知識(shí)的應(yīng)用；通過(guò)DCS軟件平臺(tái)的仿真教學(xué)，可以極大地節(jié)省購(gòu)置整套設(shè)備的資金壓力，便于教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，跟隨行業(yè)的發(fā)展步伐。

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基金項(xiàng)目：新疆工程學(xué)院2023年度校級(jí)一般教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XJGCJIGB202318）；2022年度自治區(qū)高校本科教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XJGXPTJG202267）

作者簡(jiǎn)介：王博（1988—），男，漢族，河南鄲城縣人，碩士，講師，研究方向：電氣及自動(dòng)化技術(shù)。