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“过程控制工程”课程体系虚拟教研室建设与探讨

2024-08-20 10 上传者：管理员

摘要：虚拟教研室是“智能+”时代高校教学发展的产物，成为高校专业教学建设和管理的新形态。以自动化类专业“过程控制工程”课程体系的教研室建设为例，探讨在国际工程教育专业认证要求下的虚拟教研室建设方案，包括教学目标、教学资源建设、虚拟化“以赛促教”教学新模式及教学团队建设等，达到提高教学团队整体教学水平、转变教师教学理念、促进学生自主学习能力培养的目的。

关键词：
工程教育认证
自主学习
虚实结合资源建设
虚拟教研室
过程控制工程
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在高等院校本科教学工作中，以教研室为主要形式的基层教学组织是制定课程教学体系、安排教学任务、优化教育资源配置、提高教学质量、培养教师团队的重要基础。长期以来，教研室作为教师“传帮带”的桥梁，对教学体系建设、教学能力培养发挥了重要作用。虽然科学技术的迅猛发展促进了高校科研水平的提升，但是产生了高校重科研、轻教学的现象，存在人才培养质量不足的问题，而且基层教研活动和组织功能逐渐被弱化。为了促进教学和科研协同发展，虚拟教研室这种新型基层教学组织形式应运而生，通过汇集和联合各高校优质教学资源，打破时间和空间的限制，为不同高校提供可靠的优质师资和教学资源，有效提升本科教学水平[1]。2021年《教育部高等教育司关于开展虚拟教研室试点建设工作的通知》中明确提出：以立德树人为根本任务，以提高人才培养能力为核心，以现代信息技术为依托，试点先行、稳步推进，建设一批类型多样、动态开放的虚拟教研室，加强基层教学组织，引导教师回归教学、热爱教学、研究教学，为高等教育高质量发展提供有力支撑。近几年有高校创建大学本科专业课程体系的虚拟教研室[2-3]，在改进教学质量和应用方面取得了明显效果。有学者对于构建虚拟教研室的育人效能评估体系、多元化教学模式及虚实教研室结合方式等，提出了宝贵建议和应用方法[4-6]。

国内高校自动化类专业(如工业电气自动化、机电自动化、化工自动化、机械自动化、冶金自动化等)一般都设立过程控制技术培养方向，开设“过程控制工程”课程体系。虽然已有关于“过程控制工程”课程体系教学改革方法的探讨[7]，但是教研室建设还有待改革和加强，尤其是对于师资力量的培养，需要通过建设虚拟教研室的方式，提升整个教研室的总体教学水平和教师成员的个人能力。笔者通过分析自动化类专业控制工程方向的教学目标，以自动化专业毕业能力要求为基本准则，提出构建“过程控制工程”虚拟教研室的新方式和应用方法。结合大连理工大学在“过程控制工程”课程体系和虚拟教研室建设方面的经验，探讨教学方法改革的有效措施，促进国内高校自动化类专业过程控制方向的学生培养质量。

1、课程教学目标

高校自动化类专业虽然都开设了“过程控制工程”课程体系，但教学目标不尽相同。针对课程体系和教研室建设，参照国际工程教育专业认证标准，以大连理工大学自动化专业为例，结合控制工程专业方向的培养目标，整体性梳理和概括 “过程控制工程”课程涉及的毕业能力要求，如表1所示。

针对上述自动化专业控制工程方向的毕业能力要求，教研室组织相关课程骨干教师，对“过程控制工程”课程体系的教学工作进行了系统化研讨，制定了如下的教学目标：①掌握典型工业过程控制系统的结构、特点及其实现形式，理解常见工业过程对象特性及实验建模的方法，应用基本控制原理知识，达到对复杂工程系统对象特性的分析和建模描述，为复杂工业过程控制系统设计和运行操作奠定基础；②掌握简单控制系统的结构设计与控制器参数整定方法、调节阀基本结构与特性分析，能够将简单控制系统分析技术运用到实际工程对象，设计模拟环节，并能进行相应的数据采集、整理及实验结果分析，可实现对控制性能的优化；③理解复杂控制系统与先进控制系统的结构、分析、设计与控制器参数整定，包括串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统、分程控制系统、选择控制系统、时滞响应控制系统、解耦控制系统、模型预测控制系统等，掌握各类控制系统的基本控制算法；④建立可结合相关学科工程知识解决复杂过程控制问题的基础与应用能力。通过讲解复杂工程系统的过程控制实例，培养学生结合工程实践的控制系统分析与设计能力，了解利用工程管理知识进行过程控制设计与开发的全流程，能够利用相关知识进行经济决策，实现经济合理地运行过程控制系统。

表1 毕业能力要求

2、虚拟教研室教学资源建设

为构建虚拟教研室所需的电子教学资源，笔者参照省级以上一流课程(如“自动控制原理”“过程控制工程”“检测技术与仪表”等)，全面开发“过程控制工程”课程体系所有课程的电子教学课件和工程演示案例，并且搜集国内外高校相关课程的MOOC资源，对全部线上、线下、虚拟教学资源进行了优化整合，大力建设一批优质教学资源。

(1)线上线下混合教学资源建设。

为了达到国际工程教育专业认证标准提出的“解决复杂工程问题能力”、自主学习能力培养，以及教育部关于“高阶性、创新性、挑战度”的教学要求，笔者所在教研室采用线上线下混合式教学，以解决人才培养要求提高与课内学时压缩的矛盾。根据大连理工大学控制科学与工程学院自动化专业特色制作相关的教学视频，笔者课前发给学生教学参考资料和视频课件，布置思考题，以供课上师生互动交流；课后发布课程作业和自学材料，有助于培养学生自主学习能力、提高掌握程度。针对MOOC资源进行类比、筛选，择优推送给学生作为自学参考资料。在教研室分享适合学生学习、与教学大纲内容匹配的案例教学资源，合力建设具有前沿性技术的案例库。

(2)虚实结合实验资源建设。

毕业能力要求强调对学生的控制工程实践能力培养，鼓励和支持教师充分利用本科教学实验室和学院科研平台资源，并根据教学实际情况自制实验设备、开发创新型实验项目，利用网络技术、虚拟现实技术、多媒体技术等建设虚拟实验资源。教研室团队自研了过程控制综合实验平台(以下简称“平台”)，如图1所示，平台主体部分由三级水箱及储水槽循环系统构成，控制部分由西门子PLC实现，四套装置及上位机之间通过工业以太网连接，构成小型工业互联网控制系统。平台上不仅完成一阶、二阶单回路控制系统的投运与整定、多回路控制系统调试和实践训练，而且还开展各种控制设计方案及优化算法的测试与验证。

图1 过程控制综合实验平台

教研室团队针对平台开发了虚拟实验系统。采用VRML语言、Autodesk 3ds Max、Unity3D等技术手段，制作了典型工业过程控制系统的虚拟实验场景。这些虚拟实验场景使学生对实验环境、实验装置及各类控制工程仪表有了直观的认识，有效促进学生对实验内容及实验步骤的掌握。通过在虚拟实验系统中观看实验操作的演示，提高现场实验的效率。虚拟实验操作界面如图2所示，进行控制系统设计方案及控制效果的测试与验证，保证线下实验教学和安排有的放矢，提高教学效果。

图2 虚拟实验操作

(3)科研成果转化教学案例建设。

发挥教研室教授和博士生导师在开展科研项目方面的引领作用，通过定期开展教研室的线上和线下研讨会，交流科研成果，选择适合转化为控制工程教学案例的科研项目进行教学转化。

例如，自主研发工业结晶过程实时显微成像检测与调控设备如图3所示。结晶釜显微成像检测装置和控制设备是教研室团队自主研制的工业结晶过程检测仪器和自动化控制设备，具有国际前沿水平。教研室青年教师将研究成果编制成“过程控制工程”教学案例和演示装置，激发了学生对“过程控制工程”课程体系的学习兴趣，引导学生树立勇攀科学高峰的钻研精神。同时，采用科研成果转化成教学案例和工程实践项目，有力地推进“过程控制工程”课程教学改革和教学效率提升。

图3 自主研发的结晶釜检测与调控设备

(4)优秀教材建设。

通过广泛搜集和整理国内外课程相关教学资源，教研室团队积极推进“过程控制工程”课程体系的新教材建设。邀请国内高校控制工程教学名师做线上讲座和演示，对国内外过程控制相关学科的教材、课件、教学视频进行对比研究和探讨，举办教学研讨会，总结已有教材在内容和形式上的优点和不足，提出符合控制工程时代性要求的教材内容纲要，在教学理念、知识更新、学科前沿、数字化教材等方面做出改进，进一步提高教研室教师的编写教材能力和知识水平。例如，笔者编著了新教材《过程辨识建模与控制》[8]，不仅注重过程控制工程基础知识的细致讲解，而且介绍了大量工程实际应用案例，以便学生理解和掌握应用方法，并且把科研成果融入教材，介绍了前沿控制算法、控制技术的应用，显著提高教学效果。

3、虚拟化以赛促教模式

为了克服科技竞赛项目与课程匹配性差、课程训练资源不足等问题，教研室团队开发了控制工程虚拟竞赛平台，设立虚拟化控制工程设计竞赛项目。课上学生参加虚拟实验设计和训练竞赛，竞赛结果计入平时成绩，学生能够积极参加。教师选拔兴趣浓厚、有创新思维的学生制作虚拟实验竞赛作品，参加省级以上的科创竞赛，如全国大学生自动化系统应用大赛、全国工业智能大赛、“西门子杯”中国智能制造挑战赛等；邀请有经验的大赛指导教师、企业工程师对参赛学生和指导教师定期进行在线培训和线上交流。科创竞赛对抗性强、难度大、综合程度高，激发了学生的专业兴趣和创新思维，锻炼了学生的专业综合实践能力。

4、虚拟教研室师资建设

为了克服现有教研室师资力量不充足，且短期难以快速补充的问题，教研室团队邀请国内高校控制工程教学名师，以及国家级、省级一流课程主讲教师共建虚拟教研室。根据各自教学特长和教案特点，以虚拟教研室为平台，持续进行教学目标、教学内容、教学手段、教学方法、教材建设等的开放式交流。充分发挥一流课程、教学名师的引导作用，利用线上课堂邀请教学名师串讲“过程控制工程”课程内容和重要章节知识，并且邀请国际知名学者进行学术讲座和专业教学、学术会议。例如，笔者组织教研室团队成员到哈尔滨工业大学、东南大学、浙江大学等高校进行调研、学习和交流，参加高校教学培训和自动化专业教学研讨会议，提高教师教学水平。

通过虚拟教研室建设，近年来取得了较为显著的教学成果：①“过程控制工程”“检测技术与仪表”获评辽宁省一流本科教学课程，为教研室的其他课程教学提供了可借鉴的教学资源和工程案例库；②教研室教改成果“自动化类专业“过程控制”工程课程体系教学改革与创新实践”荣获中国自动化学会2021年高等教育教学成果二等奖，关于控制工程的教改创新成果获得2022年辽宁省教学成果二等奖；③教学团队成员近5年连续指导本科生参加自动化专业竞赛，学生多次荣获“AB杯”全国大学生自动化系统应用大赛、“西门子杯”中国智能制造挑战赛、化工过程数字创新大赛奖项。

5、结语

教研室团队大力开展“过程控制工程”课程体系虚拟教研室的建设，弥补传统教研室的不足和局限性，通过信息技术、网络技术实现校际合作及教学资源的共建共享。通过校外名师加入虚拟教研室，组织教师交流，梳理教学目标，建设教学案例库，分享教学资源，在很大程度上促进教师教学理念的转变，启发了教学灵感，激发了教学热情。

参考文献:

[1]桑新民,贾义敏,焦建利,等.高校虚拟教研室建设的理论与实践探索[J].中国高教研究,2021(11):91-97.

[2]董春桥,王秀萍,王琳玲.智慧虚拟教研室的建设与实践[J].高等工程教育研究,2022(5):119-123.

[3]孔亚暐,崔艳秋,王亚平,等.“新教研”:课程(群)类虚拟教研室建设路径研究[J].高教学刊,2023(10):23-26.

[4]王文龙,田佳滨,安勇.虚拟教研室育人效能评估体系构建研究[J].高教学刊,2022(36):21-24.

[5]李峰,朱红青,谭波.虚拟教研室“智能+”项目式教学模式与学生高阶思维培养[J].化工高等教育,2023(40):61-69.

[6]祖强,马贺,乔宏志.协同学理论视角下虚拟教研室建设研究[J].中国大学教学,2022(5):51-55.

[7]刘涛,张继研,薄翠梅,等.面向国际工程教育认证的过程控制工程课程教改探索[J].高教学刊,2022(1):119-122.

[8]刘涛,郝首霖,那靖,等.过程辨识建模与控制[M].北京:化学工业出版社,2021.

[9]陆国栋,张存如.基层教学组织建设的路径､策略与思考:基于浙江大学的实践与探索[J].高等工程教育研究,2018(3):130-136.

[10]袁晓明,温赞,姚静.“智能流控”虚拟教研室的初步探索与实践[J].教育教学论坛,2023,3(9):1-4.

基金资助:2023年国家本科教学工程项目(项目编号:2023-2-31); 2023年辽宁省研究生教育教学改革研究项目(项目编号:2023-2-7); 2022年辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目(项目编号:2022044);