以卓越工程师为目标的“化工仪表及自动化”课堂教学改革与实践

廖礼俊，金杰

（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽合肥230601）

近年来，我国越来越重视具有创新性和创造性工程技术人才的培养，在高等工程教育方面也取得了巨大的成就。随着我国经济的高速发展，社会各阶层对于创新能力强、适应经济和社会发展的卓越人才的需求度日益增长。“卓越工程师教育培养计划”旨在培养高层次、高素质的卓越工程师后备人才，进而全面提高我国工程技术人才的专业水平和培养质量，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务[1]。我校化学工程与工艺专业于2015年获得安徽省“卓越工程师教育培养计划”建设立项。

化学工程与工艺专业是我校重点建设专业，一直在以卓越化工工程师的标准进行专业建设。“化工仪表及自动化”是化学工程与工业专业重要的专业课，是从事现代化化工生产、研究开发以及设计等工作不可或缺的重要理论基础。该课程是集化工仪器仪表、自动控制的基本原理和实际应用为一体的一门综合应用课程。自动化技术在促进连续生产过程自动的发展，提高社会效益和经济效益方面发挥了不可替代的作用，是衡量一个国家发达程度的重要标志。实现化工生产过程的自动化能够加速生产速度，降低生产成本，同时提高产品质量和产量；减轻劳动强度，改善劳动条件；保证生产安全，延长设备使用寿命；改变劳动方式并能够提高工人文化技术水平等[2]。通过本课程的学习，学生能够掌握化工常见工艺参数的检测方法及所使用仪表的基本工作原理；能够正确地选取和使用合适的检测和控制仪表；并且能够紧跟现代检测和控制技术的发展步伐[2]。但该课程的内容十分抽象，基本原理又基于部分物理学定律，并且与实际的化工生产过程密切相关，导致学生在学习这门课程时存在一定的难度。本文将以培养卓越工程师为导向，从课程教学和学生学习时出现的问题入手，对“化工仪表及自动化”这门课程的教学提出自己的一些思考。

1 教学活动中出现的问题和不足

1.1 教学内容抽象复杂

“化工仪表及自动化”这门课程从作用上来看，可以认为是化学工程与工艺专业一门重要的辅助课，其综合了多门课程中的一些基本原理，所涉及的知识面较为广泛，理论相对比较抽象，内容跨度较大[3]。例如在过程特性及其数学模型这一部分内容中，利用对象或生产过程的内部机理进行机理建模时，需要熟练掌握不定积分和微分方程的求解基本原理；对于阻容电路进行机理建模时，则需要掌握物理学中的基尔霍夫定律才能列出对象的微分方程式；又如学习霍尔片式压力传感器时，学生需要掌握霍尔效应的基本原理；学习电磁流量计时需要掌握感应电势的产生原理和计算方法；学习科里奥利质量流量计时，要以科里奥利力的产生原理为基础，并掌握质量流量的计算方法；学习电容式物位传感器时，则需要电容器中电容量的计算方法等等；此外，该课程中自动控制系统关于电学和计算机方面的知识点较多，而化工专业学生对电学和计算机方面的基础知识了解较少，基础较为薄弱，学习过程中会有一定难度。另一方面，“化工仪表及自动化”所涉及的检测仪表、显示仪表以及控制仪表的内部结构都较为复杂，如果仅仅通过教材和教学多媒体课件中的图片来了解和学习，会造成学生对仪表的内部结构和基本原理缺乏直观的认识，理解起来也会感到比较吃力，进而导致学生的学习兴趣低下，学习热情得不到激发，授课效果较差[4]。

1.2 教学内容缺乏更新

尽管目前所使用的“化工仪表及自动化”教材已经更新了多个版本，但最近一次更新也已经是五年前。由于化工仪表及自动化技术、计算机技术的高速发展，更加新型的检测仪表、显示仪表以及控制仪表和技术层出不穷。教材中的部分内容显得有些陈旧，而关于新技术和新设备的内容又会有所欠缺[5]。比如在当前的工业过程中数字式仪表已经很普遍，而教材只讲解关于模拟式仪表的相关知识，数字式仪表的特征和工作原理很少涉及，这种情况势必造成课堂教学与工程实践应用的脱节。此外，该课程的授课老师大多都没有在工厂工作的经历，缺乏工程实践经验。即使是授课经验丰富的老教师，由于多年未深入工厂一线，对于新技术、新设备的知识储备同样缺乏。这些情况都会造成所培养的学生跟不上时代的步伐。

1.3 教学内容不能与工程实践相结合

目前在高校中对于包括“化工仪表及自动化”课程在内的绝大多数课程都是采用多媒体加板书的讲授方式讲解概念和定义，依据教材和大纲来剖析各类仪表和控制技术的工作原理，这样的教学方式确实可以为学生打下牢固的理论基础。由于缺少工作现场和设备与理论知识的一一对应，会导致学生在学习时不能对于所学知识点形成一个具体直观的印象，这样的学习既容易让学生丢失学习兴趣，也容易让学生忘记所学的理论知识。比如在讲到就地安装仪表和集中安装仪表的区别时，如果没有实际深入到现场，学生很难想象出这两种安装方式的真正特点。虽然可以在教室利用多媒体播放现场图片，但是与先进仪表和控制装置直接接触所得到的信息是不能比拟的。

2 改善教学效果的思考

2.1 提高教师工程实践知识储备

教师是教学的重要、关键环节，作为“卓越工程师教育培养计划”的学校应当加强师资培养，提高教师的工程实践知识储备。如前所述，当前的师资队伍不仅缺少生产和实践经验，还缺乏对于相关行业最新发展的了解。为了加强师资培养，一方面，本课程授课教师每学期都去安庆石化、中盐红四方等公司学习一周，或参加企业的科技攻关，既为企业解决了难题，也提高了教师自身的工程实践知识储备，从而能将化工仪表及自动化相关行业的最新发展传递给学生，使学校所培养的学生能够与时俱进；另一方面，本专业每学期都会聘请既掌握高等教育教学方法和规律，又具有化工生产和工程实践经验的高工来为学生授课，强化学生实践能力的培养。

2.2 适当调整和丰富教学内容和教具

课程内容是培养学生的载体和桥梁，所以“化工仪表及自动化”的课程内容同样要紧跟仪表和控制技术的发展步伐。首先，教师根据自己在企业的实践经验，将最新的化工仪表和控制技术加入到课堂教学中去，丰富课堂教学的内容；其次，教师利用多媒体技术来丰富自己的课堂教学方式，而不是简单的板书教授和幻灯片放映。可以将图片、声音和动画相结合，将传统的抽象教学转化为形象、具体、立体的过程演示，这样的教学演示能大大地提高学生学习的兴趣和效率。比如可以将检测或显示仪表的内部结构和工作原理通过动画的方式进行展现，同时搭配上教师的板书讲解，这样不仅能够充分调动学生学习的动力，还能够解决课程理论知识过于抽象的问题，同时加深了学生对于仪表基本原理的理解；再次，丰富课堂教学所要使用的教具，比如常见检测仪表和控制系统的模型，利用模型并配合多媒体动画来向学生讲解仪表的内部结构和工作原理，充分调动学生的感官，使学生对于真实的仪表和抽象的原理能够具有具体形象的认识；此外，“化工仪表及自动化”课程与其他课程有所重复的部分内容可以考虑将其简化或部分删除，比如控制系统的部分内容就与“过程控制”这门课程有所重复，可以根据大纲在教学时做适当的调整和删减。

2.3 强化实验和实践教学

“化工仪表及自动化”是基于控制仪表和控制技术的一门课程，因此工程实践性较强。课程需增加工程实践内容才能让学生更加准确、牢固地掌握仪表和技术的基本原理和选取方法。首先，我们将“化工仪表及自动化”课程与本专业的化工专业实验相结合，在专业实验中深入讲解实验仪器中所使用的各种仪表的选用原则和工作原理，并在教师和工程师的指导下带领学生对专业实验中所用到的部分实验仪器管路进行拆卸和再组装，在拆装的过程中让学生充分理解仪器仪表的安装要求和规则；其次，学生在本专业的各种实习（如生产实习）中也可以对检测仪表和控制技术进行进一步的强化学习，请企业的仪表和控制技术工程师在企业现场就地讲解先进检测、显示仪表和自动控制技术的应用范围和工作原理，并针对仪表选择、控制方案、控制技术等展开分析与讨论，让学生更加直接地接触企业的实际生产工艺，深入了解和掌握现代企业所使用的仪表和自动控制系统，同时认识到课堂和教材所学的知识与实际工作环境之间的差异。学校还可以聘请周边优秀企业的优秀工程师和技术骨干作为学校的兼职教师，邀请企业的一线专家来为学生上课和做讲座[6]，他们可以将丰富的现场经验在课堂上传递给学生，学生也可以通过和一线工程师的交流更加深入地了解企业一线的检测仪表和控制技术的使用情况。此外，高校的老师、教授在做科学研究时也会使用到一些检测仪表和控制系统，这些仪表和控制技术和企业所使用的仪表和自动技术的原理十分类似甚至相同。因此，可以让学生根据自己的兴趣有选择地去参观学习老师的科研实验室，也可以参与到老师的科学研究中去，这样既可以学习到检测仪表和控制技术的基本原理，也可以学习到科学研究的方法，并跟踪了解最新的科研动向。

3 结束语

为了使“化工仪表及自动化”课程的教学内容和方式能够适应卓越工程师的培养计划，笔者从课堂教学所出现的问题包括课程理论抽象复杂、课程内容不够与时俱进和缺少工程实践知识三方面入手，提出了一些改善课堂教学内容和方式的思考和建议。不仅通过提高教师的实践知识储备，还通过让学生直接接触到企业一线的检测仪表和自动化技术来让学生通过这门课程的学习能够更加直观和深入地理解仪表和控制技术的基本原理，掌握扎实的化工仪表和控制技术的知识，并同时增强了实践能力，为成为卓越工程师打下坚实的基础。