控制工程专业实践教学的探索与思考

引言：寻求写作上的突破？我们特意为您精选了1篇控制工程专业实践教学的探索与思考范文，希望这些范文能够成为您写作时的参考，帮助您的文章更加丰富和深入。

1引言

21世纪以来，在新一轮科技革命和产业革命的双重驱动下，全球范围内掀起了新一轮的工程教育改革浪潮。随着“中国制造2025”“互联网+”等重大战略政策的实施，教育部于2016年提出了建设与发展“新工科”，形成了“天大行动”“复旦共识”和“北京指南”[1]。“新工科”建设指明了我国高等工程教育的发展方向，也为实践教学提出了新要求。2020年8月30日，柴天佑院士在全球工业智能峰会上指出，新形势下，工业制造主要分为离散型智能制造和流程型智能制造。过程装备与控制工程专业（简称过控）作为传统工科专业，是在化工设备与机械的基础上融入自动控制等技术而形成的，其研究对象不仅包括以过程装备设计制造为代表的离散型智能制造，而且包括以石油化工为代表的生产工艺的流程型智能制造。目前我国是世界上门类最齐全、规模最庞大的流程工业制造大国。在新一轮科技革命和产业革命的双重驱动下，信息化技术的智能装备、智能工厂正在引领流程工业的变革。高等工程教育作为新经济、新产业发展的智力保障和人才支撑[2]，为满足我国流程工业未来工程科技人才需要，全国相关高校必须积极探索符合新技术与行业发展的工程教育发展之路。实践教学作为人才工程素质养成与基本技能建立的直接载体,对工程教育培养目标的实现有着重要的影响[3]。本文遵循立德树人、工程教育专业认证和协同育人等理念，针对新工科背景下过控专业的人才培目标，指出了实践教学改革必须处理好的几个关系，围绕核心课程，以贯穿学历全程的实践教学为支撑，初步构建了新工科背景下过控专业“工程图的绘制—装备结构设计制造—测控系统的设计—综合创新设计”四个能力层次的模块化的实践教学目标体系，结合目前实践教学现状，提出了实践教学改革的几点建议。

2新工科背景下改革实践教学必须处理好的几个关系

2.1传统实践内容与智能制造实践内容的关系

新工科背景下，过控专业在培养方案中势必要引入人工智能、物联网、大数据、机器人等技术到传统的过程装备设计制造中，增加代表智能制造特点和方向的实践内容。一方面新工科专业人才培养不能偏离过程装备这个“本”，尤其不能舍本逐末，简单堆砌一些信息技术和人工智能类的实践内容，挤占了必要的过控专业的实践教学，削弱了学生的工程基础。另一方面也不能为了一味保留传统的实践内容而忽视新技术与专业的融合，忽视新技术对行业的促进与革新作用。在专业实践教学设置上我们必须处理好传统实践内容与新增智能制造实践内容的关系，在有限的学时和学制下，实现传统过程装备实践教学内容与智能制造实践教学内容的有机融合，充分体现新技术对行业的革新。

2.2虚拟仿真实践与现实实践教学之间的关系

过控专业主要服务于流程工业，流程工业涉及装置庞大，一般为高温、高压、高速流动等极端条件，设备安全性要求高，对校内外实践教学都造成一定的困难[4]。随着信息技术和多媒体仿真技术的发展，很多高校利用虚拟仿真机技术和校内科研资源，把工程现场、实验等搬进教室和实验室，让学生通过室内“实践”去认识工程，不仅可以解决校内实验实训场所建设、校外实习单位联系困难等问题，同时降低了教育培训成本。虚拟仿真实践对于过控专业虽然有着天然的优势，但是虚拟仿真与真实的实训操作和企业现场之间还是有差距的，企业的一线生产实践永远是实践性教学不断改革、不断获取新内容的重要源头，绝对不能完全替代实物操作训练[3]。结合新工科背景下过控专业人才培养目标，统筹协调好虚拟仿真实践与现实实践教学的分配与协同，将学生工程实践能力的培养落到实处。

2.3常规实践教学与创新性实践教学之间的关系

过控专业常规实践教学内容多以验证性和演示性为主，多为具体课程服务，可以帮助学生深入理解专业理论与知识。但各实践教学环节相对独立，实践教学内容更新缓慢，实践教学模式单一，行业敏感度不高，脱离科技发展和企业的需要，缺少探索性和衔接纽带，不利于培养学生创新能力和解决复杂工程问题能力。创新性实践教学有利于学生从被动实践变为主动实践，有助于帮助学生提升应用所学知识解决实际问题的能力。对于传统的工科实践教学，创新性和综合性实践内容总体偏少，我们要充分挖掘老师的科研资源以及科技发展的成果，利用现代信息技术，在总学时有限的情况下，开发创新实践教学内容，调整常规实践性教学课程的内容，科学分配常规性实践教学与创新性实践教学在学时与内容比例上的关系，充分挖掘学生的创新能力。

3新工科背景下实践教学体系的构建

3.1改革实践教学培养目标，构建以能力培养为驱动的实践教学体系

实践教学体系是以人才培养目标为核心构建的完整体系，是人才培养方案中实践教学环节具体实施过程的体系化[5]。传统的实践教学环节主要为课程服务，以帮助学生深入理解专业理论与知识。新工科背景下，过控专业需要融合新一代信息技术与人工智能技术，使之贯穿过程装备设计制造、运行控制、检测维护、远程服务等全生命周期的各个环节，使过程装备与上下游产业深度融合而形成装备制造业与服务业融合发展的新业态[6]。结合过控专业的人才培养目标，围绕核心课程，以贯穿学历全程的实践教学为支撑，构建新工科背景下过控专业“工程图的绘制—装备结构设计制造—测控系统的设计—综合创新设计”四个能力层次的模块化的实践教学目标体系，如图1所示。

3.2围绕核心课程，融合现代信息技术，实现传统实践

教学与智能制造实践教学的有机融合核心课程是实践教学的理论根本，现代信息技术是方法和手段。新工科背景下，一方面增加与新技术相关的如智能感知与控制、智能工厂综合设计等信息技术类综合设计环节，一方面在传统的实践教学内容中融入现代技术手段，如机械设计实验在原来机械原理与机械设计基础上，增加流程工业典型装备机构故障与失效零部件展示环节（视频、照片或者虚仿等形式），培养学生用理论知识分析工程问题的能力；过程原理实验调整为开放实验，增加部分实验的虚拟仿真和实验数据处理和结果分析等的程序设计；压力容器设计实验增加Ansys或Abaqus等软件对过程装备典型构件或者不规则部件进行虚拟仿真模拟，观察载荷及不同外部作用力下结构的受力及破坏情况。过程设备设计实验增加装备典型零件的三维模型设计与仿真分析，增加积木式流程装备设计制作动画仿真等等，将现代信息技术融入到传统实践教学中，培养学生采用现代信息技术解决专业问题的能力。在集中型实践环节，工程训练作为金工实习和电工实习的集成与拓展，除了完成钳工、机械加工、铸造、焊接、电工等工种的实训，增加电子制造、增材制造等内容。认知实习、生产实习和毕业实习，除了参观流程装备制造企业、生产企业，获得对流程工业、智能工厂、智能制造等的感性认识，了解典型过程装备先进设计与制造技术在企业中的应用、典型过程装备在流程产线中的应用外，增加将现场照片、视频等，利用现代信息技术，构成不同的“生产线”，形成流程工业准现场[7]，或者利用现代信息技术完成某一典型过程装备智能装配等。课程设计环节，如：机械原理课程设计、过程原理课程设计和过程设备设计课程设计增加装置或者零部件的三维模型设计与模拟计算，增加相关软件的对比计算等。毕业设计在对过控专业基础技能和综合能力考察的基础上，除了绘制规定工作量的过程装备工程图纸外，强调虚拟现实技术的应用、强调计算机仿真分析在过程装备设计上的应用。设计选题主要为企业工程典型过程装备智能设计、典型流程过程的模拟优化及数据挖掘（传热、流体输送等）、典型过程装备结构的力学性能模拟分析与寿命预测等。同时逐年增加人工智能、物联网、大数据、云计算、移动互联网、机器人等高新技术在流程领域应用的选题[5]。通过上述实践环节，可以将所学知识集成以形成完整的知识链，以培养学生利用不同的知识解决工程问题的能力。

3.3利用现代技术，构建虚拟仿真与现实实践有机结合的实践教学内容

将现代信息技术和计算机仿真技术引入实践教学环节，构建虚实结合的实践教学模式。针对流程工业的行业特点，在实践环节教学中利用动画、视频、仿真模拟等多媒体和虚拟现实技术，将有一定的危险性的、学生不便动手操作的，如高温高压装备；实习中不易看到的装备的内件结构及关键部件的受力状况，如换热器和塔器的内构件，容器的支座处的局部受力情况等；装备内流体的运行状况，如管道和设备内部的流体流动、热量传递和质量传递状况等等，可以采用虚拟技术在模拟环境中演练、再现，让学生通过室内实习认识工程，开阔视野，获取经验，提高专业素养。

3.4提升实践教学理念，实现常规实践教学与创新性

实践教学有机协同新工科背景下，实践教学环节不再单纯依附于课堂理论教学和服务于具体课程，坚持产学研相结合的理念，重视“研究性教学”对实践教学的作用，重视学生工程能力的培养和工程素质的养成。按照新工科人才的培养要求和工程教育专业认证的理念，从学生知识体系的构建和专业技能的养成出发，重新构建“专业基础课实验”和“专业课实验”以及相应的实践环节；从提高学生科研能力、创新实践能力出发，重新构建综合创新实践环节。增加不同层次的学生科研训练和各级学科竞赛，不同层次的实践教学环节有效协同，强化对学生分析问题和解决问题能力以及创新能力的培养。如增开了开放实验和智能工厂综合设计等环节，其中智能工厂综合设计环节由3~5名同学组成一个团队，综合应用所学的专业知识和现代技术手段，基于实验室已有的零部件，或者利用网络或者现场收集的设备实物图片，按照“设计-构思-实施-运行”的过程完成流程单元/系统的开发设计。并利用动画技术模拟工质、物料信息或者能量的流动过程，开展产线设备集成与PLC控制以及生产过程的优化控制，培养学生综合应用知识解决工程问题的能力，培养学生的工程实践能力和创新能力。

4结论

针对新工科背景下过控专业人才培养目标，本文指出实践教学改革必须处理好的几个关系，围绕核心课程，以贯穿学历全程的实践教学为支撑，初步构建了新工科背景下过控专业“工程图的绘制—装备结构设计制造—测控系统的设计—综合创新设计”四个能力层次的模块化的实践教学目标体系，结合目前实践教学现状，提出了在规划实践教学内容时，需要贯彻产学研相结合的理念，实现传统实践教学与人工智能等新技术相融合、虚拟仿真与现实实践相结合，将学生工程实践能力和创新能力的培养落到实处，以期为相关地方院校开展实践教学提供一定的参考与借鉴

参考文献

[1]教育部高教司.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知(教高司函[2017]6号)[Z].2017.

[2]施晓秋,赵燕,李校堃.融合、开放、自适应的地方院校新工科体系建设思考[J].高等工程教育研究,2017(4):10-15.

[3]刘世平,骆汉宾,孙峻,等.关于智能建造本科专业实践教学方案设计的思考[J].高等工程教育研究,2020(1):20-24.

[4]姜宝成,刘辉,张昊春,等.面向新工科人才培养的能源动力类专业实验教学体系建设[J].高等工程教育研究,2019(增1):43-44.

[5]江帆,张春良,王一军,等.机械专业学生主动实践能力培养体系构建[J].高等工程教育研究,2016(1):187-192.

[6]王柏村,徐忠斌.过程装备与控制工程创新发展探讨[J].化工高等教育,2021(2):34-37.

[7]孔繁森,王瑞.实践教学体系的框架模型研究[J].高等工程教育研究,2017(5):135-139.

作者:刘红姣 王小雨 晋梅 闵珉 单位:江汉大学智能制造学院