“新工科”视角下的基于应用型人才培养的化工仪表及自动化课程改革与研究

2022-08-11罗祖云韩淑萃吕燕根黄双福林旭聪

化工设计通讯 2022年7期

罗祖云，韩淑萃，吕燕根，黄双福，林旭聪

（福州大学至诚学院，福建福州 350002）

在“中国制造2025”“互联网+”“一带一路”等国家重要战略背景之下，我国高等教育对工科专业的改革发展提出新的要求。工科专业面临新机遇、新挑战，使得“新工科”建设成为当务之急和长远之策[1-3]。及时更新教学理念，培养具有核心能力的新人才，是适应时代发展的需要。《化工仪表及自动化》课程是化学工程与工艺专业开设的一门重要的专业主干课，使学生不仅能够掌握自动控制系统的组成、工作原理、过程仪表特性、简单控制系统、复杂控制系统及计算机控制系统的识别和设计能力，更力求培养学生成为化工技术领域高质量人才，掌握综合分析、解决化工生产过程复杂对象控制问题的能力[4-6]。因此，在“新工科”建设的背景下，深化该课程的教学模式改革和实践具有重要的意义。通过课程教学的改革来切实提高化工仪表及自动化课程的有效性，以提高化工专业学生的工程素质和就业核心竞争力。

1 课程教学过程中存在的问题

《化工仪表及自动化》课程虽然在传统的教学模式下在我校化工相关专业已经开设了多年，但依然存在很多问题。

1.1 单向性的教学过程

本课程以往的教学过程主要是采用赫尔巴特的“三中心”法进行，教学目标、教学过程都是由教师安排进行，教师在教学过程中处于绝对的权威中心，学生处于从属地位。这样的教学过程就使得学生在学习的过程中往往缺乏主动参与课程的意识，导致学习过程枯燥乏味，缺乏兴趣，达不到高效的学习效果。

1.2 缺乏实际工程性的教学内容

目前《化工仪表及自动化》课程的教学内容主要是自动化控制的基本原理和典型测量仪表的测量原理及结构等知识点，知识点相对简单以及之间联系缺乏相对连接体。而化学工程专业涉及面广，工艺纷繁复杂，自动化控制目标各不相同，因此无法直接满足工程实际的需要。另外，由于学生缺乏实际的工程实践经验，未能对化工工艺过程进行系统而全面的分析，从而无法根据物流的特性、特定工艺过程的自身特点来准确选取控制变量和操纵变量、确定适宜的检测设备，最终提出有效的控制策略。

1.3 单一性偏重理论考核的手段

目前该课程在教学内容方面中主要注重常用仪器、仪表的工作原理、特点、适用场合及使用以及控制系统的结构、工作原理等方面内容的教学。课程内容相对陈旧，脱离工程实际。在课程考核方向，也局限在原理规范和仪表选择计算题上，这就导致学生重理论，轻实践。在新形势下，智能型的测量仪表以及控制理论已经有了质的飞跃，自适应控制、预测控制、专家控制以及神经元网络控制系统等新型控制系统以及计算机控制系统的出现，对学生的实践方面的考核需要进一步加强，以提高解决日益复杂的综合性控制问题的能力。

2 课程改革的方法、特色和解决的主要问题

改革传统教学模式，采用以学生为中心的交互式教学，力图在以下方面进行探索与突破。

1）课程思政教育先行。在传递专业知识的基础上，培养学生正确的价值观和人生观，充分挖掘课程思政教育元素。

2）更新优化教学内容。教学内容应紧跟时代脉搏，及时调整教材的内容，适应新型仪表和新技术以增加学生对课程的吸引力，使学生加大课程的学习投入度。

3）改革教学与考核方式方法。通过多手段、多方式开展以学生为主体的交互式教学。通过增加案例法教学、实验教学、合理利用网络教学资源以及通过多种手段促进学生的学习热情。改变传统的以理论考试为主的考核方式，注重过程性考核和加强实践训练，提高学生的综合应用能力。

通过课程教学的改革激发来学生的学习兴趣，上课的出勤率、作业完成等方面要比传统教学法有了明显的提高。同时学生将所学知识与生产实际相结合，工程概念大为加强，培养了学生的自主学习能力及解决实际工程问题的能力。

3 课程改革的任务与内容

3.1 整合课程内容，完善知识结构

基于“新工科”理念，课程团队对课程内容进行整合优化。教学过程中，在保持课程体系完整的前提下，以问题为导向对教学内容进行优化设计，将当前使用较少的技术和方法从教学内容中删除，并及时将化工测量新技术引入到教学活动中。为了加强学生对化工仪表及自动化基本理论的掌握，在课程内容上还重点设置了以项目为导向的教学活动，如奶粉喷雾干燥恒温控制系统设计与调试、锅炉控制系统的设计与调试以及空调恒温控制系统的设计与调试实践等环节，如表1所示。

表1 以问题为导向教学模式下《化工仪表及自动化》课程内容体系

3.2 改革课程组织实施过程

为了充分发挥以学生为主体的交互式教学方法的优势，通过增加案例法教学、实验操作教学等手段促进学生的学习热情及学习效果的提高。

3.2.1 增加案例法教学手段

在课程教学中将大量工程案例引入课堂教学，如奶粉的干燥过程、锅炉的运行案例、中央空调控制系统等。案例教学法不仅可激发学生的学习热情，而且有助于培养学生的工程观念，提高学生的工程实践能力。

3.2.2 加强实验教学环节

通过实验教学可以加强学生对原本抽象而又复杂的基本理论的理解和掌握。

引导学生使用工程模拟软件如Aspen Plus、Matlab等进行实验模拟教学，使学生掌握各种仪表在化工过程控制的应用和具体实践操作，以完成课程的教学目标。如增加了过程控制实验实训内容，通过实训来模仿现代工业生产过程中常见的物理量，诸如温度、压力、流量、液位等参数，并对其进行测量、控制，分析过程参数变化特性，从而达到研究过程控制规律（如PID 控制）的教学目的。该装置通过集合多种控制方式，来现实际工业现场使用的控制手段，满足了“自动调节原理”“过程控制”“控制仪表”“自动检测技术与传感器”相关内容的实验教学需求。另外还增加了热工仪表过程测量实训，通过实训更加直观地理解多种测量仪表的组成、测量及测量误差的基本概念、测量仪表的修正设定方法、仪表和仪器误差的处理方法，以及评估测量仪表质量优劣的技术指标等内容。通过实验教学环节的加强，使同学们对化工仪表及自动化基本理论的理解和认识更加深刻。

3.2.3 通过多手段，多方式的课堂教学模式

在课堂教学方面，通过课前、课中及课后全环节的促学、督学方式来提高学生的学习效果。如：课前环节中，通过复习提问，导入新课。通过课程提问、设问引出新的教学内容，使学生学习有了方向性，减少盲目性。课中环节中，根据学生个性发展，注重“支架式”教学模式，将学生从现有水平引导带入可能发展水平。充分发挥以学生为主体，促使学生独立思考、解决问题，培养学生的自学能力、逆向思维能力，提高课堂吸收率。课堂小结环节中，由教师引导，学生总结，对本节课所讲的重点、难点知识进行总结，及时发现学生存在的问题，同时指出本节课的精髓所在。课后练习环节中，使学生充分掌握本节课所学知识，进一步提高学生的课后吸收率。

在第二课堂方面，积极鼓励学生参加各类科研活动及化工设计实践和竞赛，充分发挥学生的主观能动性，加深对所学知识的理解和掌握。如本系学生自2017年首次参加全国大学生化工设计大赛以来，成效显著：多次获得全国大学生化工设计竞赛全国二等奖，其中2017年获得华南赛区特等奖及全国一等奖，并获得华南赛区最佳图纸奖。

3.3 改革课程考核方式

本课程的考核方式从原有单一的期末考试变为平时成绩、实验成绩、期末考卷等多种形式的组合考核方式。这样既能考察学生们的理论知识、出勤率、课堂活跃程度，也能对学生们的实践动手能力进行综合考察，考核内容如图1所示。

图1 《化工仪表及自动化》课程考核体系

课程考核方式的改革能够促使学生注重基础知识的学习和实践能力的培养，促进学生做到理论联系实际，把课程内容学“活”。

通过对课程多方面的改革，学生课堂参与度、学习热情、对基础知识和基本技能掌握以及团队协作和解决问题得到较大的提高。通过横向和纵向对比结果都显示了学生学习成绩的有效提高。从横向对比情况来分析，采用改革后的教学法的班级成绩2017-化工艺呈正态分布，平均成绩为82.9分，高于传统教学法的班级2017-过控的平均成绩77.6。纵向对比2017-化工艺与2016-化工艺期末成绩可知，改革后教学法的班级不及格人数低于传统式班级不及格人数，且良好和优秀的人数大于传统教学方式班级式人数。学生成绩和综合能力得到了显著的提高，如图2所示。