陈 磊，任银娥，张红欣

(1.新疆大学 化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.昌吉学院 物理系，新疆 昌吉 831100)

高等院校学科发展与建设离不开多媒体教学，建立虚拟仿真实验是现代化高等教育信息化建设的重要内容[1]，建设虚拟仿真实验可将专业课程中基础知识、重难知识点、实验实操进行信息融合，打破理论和实践间的壁垒，形成教学与实践并行的教学效果[2-3]。

受2019-nCoV型新型冠状病毒的影响，全国各大高校响应国家教育部“停课不停教、不停学”号召，借助多渠道互联网媒介进行了多形式远程授课。远程授课过程中基础知识点的讲解可通过公式推演、案例讲解、简单动画分析的形式进行，而涉及复杂控制理论、过程、系统等重难点，在正常教学过程中采用实验课实操的形式巩固相应知识点。而疫情期间受教学环境限制不能现场操作实验设备，分析控制系统程序、观察实验过程变化，展示实验结果。

国内高等院校将虚拟仿真与教学过程进行结合取得了很好的教学效果。天津大学范江洋等针对化工过程控制课程教师授课时采用组态虚拟控制仪表演示某生产线控制参数调节时各化工设备参数变化及设备物理性变化的范例将多维互动学习过程延伸至课堂之外，有效地提高了学生上课目标专注程度和课程兴趣[4]。天津科技大学王红星在教学过程中针对精馏塔的教学,运用图形化编程软件针对多乙苯精馏塔的控制进行了方案设计，并通过实时改变各变量参数的给定值使学生能主观观察到高压塔设备蒸汽流量变化，各层塔压变化规律[5]。福州大学史晓东等针对过程控制课程中引入可参数化改变煤进给量，动态演示了锅炉点火过程中锅炉内部温度、压力、能量转化、气体结构变化，将工业生产实际操作过程进行了如实反映[6]。

结合本校过程装备与控制工程专业(简称“过控专业”)的培养方案和过程控制工程专业的教学大纲，开发的虚拟控制实验，图形设计采用北京亚控科技发展有限公司开发的标准组态王软件，程序设计采用Matlab/Simulink工具箱完成程序控制参数的搭建，组态软件与Simulink之间采用基于Windows应用的OPC(OLE for Process Control)通讯技术完成控制界面与算法之间的数据交互。虚拟仿真实验在教学理念、教学方法、教学手段上形成教学改革，开放的仿真实验开发过程在提高学生学习兴趣、培养学生实践动手能力与创新意识方面取得了较好的效果。

1 过程控制工程教学教学现状分析

本校开设的过控专业立足化工过程工业领域，在校生培养总体框架以“化工过程机械”为主机，“过程原理”与“装备控制技术”为两翼的“一机两翼”的格局。过程控制工程作为过控专业的专业必修课，是将学生所学专业基础课进行系统性融合的课程。课程在掌握控制机理建模、自动控制理论、化工生产工艺、化工设备工作机理、流体动/静力学等内容的基础上完成分析和设计过程控制系统参数设定、调试、投放、优化等工作。

1.1 教材部分授课内容讲解难度大

本校过控专业采用化学工业出版社出版，罗健旭、黎冰等主编的《过程控制工程(第4版)》，教程共有9章内容，前4章内容主要采用概念解读、公式推演、机理建模分析完成课堂教学。而5-9章节的内容在介绍先进控制系统的基础上结合化工背景设计了预测控制、解耦控制、时滞补偿控制、智能控制等系统。课程上半学期教学过程中学生反馈能掌握教程内容，对涉及到复杂控制系统的章节明显表现到知识点难懂、内容相对抽象、某些化工过程控制系统控制规模庞大、控制系统理解难度大、理论概念与实践存在断层。

1.2 实验设备无法与理论知识深度结合

化工过程设备具有高温、高压、易爆、易燃、占地面积大、设备成本高昂等特点。在课程开实验操作中常采用水代替流体介质完成控制系统的实验操作，仅能演示流质流动过程、压力设备内容参数、控制算法的控制机理，无法让学生更深入地了解反应设备的真实应力变化、温度变化、内部流质流动规律。致使现有实验设备在实际操作中因只是教学型实验，无法将研究型教学理念与课程理论知识深度结合，易造成学生理论知识与实践操作脱节。

1.3 现有教学素材无法拔高学生理论深度

现代教育随着信息化速度的加快也在不断地补齐教学内容与工业发展之间的短板。过程控制工程现有教学素材是参考出版社提供的多媒体素材，该素材只能基本用于理论知识、基础模型、简单控制系统等内容的讲解，而结合模糊控制系统、史密斯预测控制系统、神经网络控制系统等化工生产工程案例的素材目前只能通过教材内容结合教师的知识储备讲授。使得学生在学习本课程时理解深度较为有限(控制系统机械设备结构与构成、过程机械工作原理、随工业生产性能变化)，无法拓展学生的知识面和对复杂控制系统的视野。

2 虚拟仿真实验内容简介

虚拟仿真实验界面、数据变化界面、功能界面等选项采用组态王进行设计，控制算法使用Matlab/Simulink工具箱编程，根据不同的实验内容自动切换控制算法。实验平台功能上可分为：

2.1 基本概念描述模块

①过程控制的术语与目标；②反馈控制系统的分类；③工业控制机理建模方法；④PID控制器各参数概述；⑤相对增益的概念；⑥史密斯预估补偿控制原理；⑦间歇生产过程控制系统原理；⑧自适应控制系统简介。

2.2 过程控制系统实验模块

①单容水箱水位自动控制实验(临界比值法、衰减曲线法、响应曲线法)；②双容水箱水位自动控制实验(单回路与串级控制对比、串级回路参数自设计)；③三容水箱水位自适应控制实验(动态前馈控制系统、静态前馈控制系统、前馈-反馈控制、前馈-串级控制)；④锅炉水温及液位自动控制实验(灰色预测模糊控制系统、史密斯预估补偿控制、神经网络自适应控制系统)、MIMO受约束动态矩阵控制系统；⑤比值控制系统分析与设计(单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统、神经网络自适应调节系统)[7]。

2.3 过程参数监控模块

①历史数据查询模块；②实时数据查询模块；③实时曲线显示模块；④历史曲线显示模块；⑤报表统计查询模块；⑥操作时间计时模块。

2.4 过程控制系统设计模块

自动调用KINGVIEW软件和Matlab软件，创造性提供了平台学生可对感兴趣的控制实验进行自行设计与调试，调动了学生的科研积极性和创造性。

3 教学改革具体实践过程

“过程控制工程”课程内容综合了流体力学、工程热力学、自动控制技术、机械原理与结构、仪表选型与应用等知识点，属于典型的多学科交叉课程。经过课题组多年教学经验总结与思考，通过注重基本理论的拓展、更改教学模式、强化实践教学内容为出发点，采取理论内容课前预习、课上轻理论重过程系统、课后实操仿真实验的教学结构，以此强化教学效果，巩固教学内容中重难知识点。

3.1 理论知识与简单过程系统重组

为夯实课程基础知识，加强基本概念理解，对基础建模过程公式推导采用黑板板书的方式进行。教师板书过程中学生有时间进行思考，加强学生对建模过程的理解程度强化，教师即兴讲解的授课效果，增强课堂教与学的互动性。基础建模不局限于教程中提供的内容，同时筛选内容典型、基础理论易懂、章节有衔接过渡的简单过程系统与理论知识章节重组，加入行业背景、控制模型，着重讲解控制方法、控制技术、控制策略，拓宽教学内容与实验素材。例如对于搅拌器内部流体在叶轮旋转作用下，流体运行速度、流速分布、压强分布、流质分布等现象，采用计算流体力学(CFD)进行建模仿真分析搅拌器内流场分布规律，同时使用Fluent软件输出搅拌动态视频，增加课程教学的生动性，有助于学生通过仿真实验更直观的将基础理论与控制过程进行合理衔接。

3.2 开放虚拟仿真实验制作过程

组态软件(KINGVIEW)作为工业控制广泛使用的软件平台，具有人机画面友好、通讯设备兼容广泛、系统集成效率高、控制性能稳定等诸多优点[8]。Matlab/Simulink 软件具有丰富的函数接口和强大的数据处理功能，广泛用于自动化控制仿真模拟领域。课题组在开展日常教学的同时召集对科学研究感兴趣的不同年级学生组成兴趣小组，通过前期基本的软件功能培训与指导，将用于课程教学的仿真实验制作过程开源，由浅入深的调动学生的兴趣，鼓励学生设计控制系统，将稳定可靠的方案引入到课堂教学中，不断丰富虚拟仿真实验教学素材。

3.3 培养学生理论到创新的飞跃

在培养兴趣小组学生开展简单科研工作的同时，鼓励小组成员将制作的控制系统(空调温度自适应控制系统、混凝釜变速搅拌系统、多相流混合控制系统等)用于参加“大学生挑战杯”“互联网+”“创新创业大赛”“计算机程序设计大赛”等课外比赛中，参与各项比赛的过程不仅能提高学生自学能力，激发学生创新思维，培养学生将理论与工程实践相结合的能力，而且能提高学生发现问题、思考问题、解决问题的能力，拓宽学生知识面，最终实现课程理论到科技创新质的飞跃。

4 教学改革总结

课题组在讲授过程控制工程课程时采用制作的与各章节精密联系的虚拟控制实验的教学改革措施极大的激发了学生独立思考、分析与解决问题的能力；开放式的实验制作过程培养学生实践创新能力，学生由“被灌输” 式学习转变为“饥渴型”式学习。

过程控制工程教程中的理论与工业生产控制结合紧密、内容广且深、实践性强,开发的虚拟仿真实验将基础理论知识与不同过程系统实现重组，改变以往先理论再控制系统的教学方式，将基本理论与控制系统进行交叉讲解，夯实了学生基础知识，并运用教学效果反馈完善实验，最大化提高学生对授课内容的接纳度。

在调动不同年级学生积极性的基础上成立兴趣小组，帮助热爱科学研究和课外知识的学生拓宽知识结构和视野，帮助学生培养搜集资料、查阅文献、尝试解决科学问题的科研能力，鼓励学生将小组的创新成果用于参加各类课外比赛活动，对过程控制工程课程教学过程进行改革与探索，不仅实现了理论知识与实践操作的结合，更很大程度上提高了学生对过程控制工程的学习兴趣。