民族高校化工仪表及自动化课程教学改革探索

2022-11-21张煜华洪景萍赵燕熹刘成超

化工管理 2022年31期

张煜华，洪景萍，赵燕熹，刘成超

(中南民族大学化学与材料科学学院，湖北武汉 430074)

0 引言

化学化工相关制造业是社会经济发展的重要基础产业，不仅解决人们的基础物质需求，在解决环境污染、医药健康、能源保障及高端材料制造等方面问题中也具有重要作用，为构建现代社会生活做出不可替代的贡献。随着现代化学工程、环境技术以及生物医药等化学化工相关工业技术及科技的发展，所涉及的生产过程对化工仪表及控制设备的使用要求不断提高，以满足持续化、安全化、精确化及自动化的生产要求[1]。精确、稳定及智能的化工仪表及自动化控制技术在不同需求场景的广泛应用，推动了相关产业的快速发展，是确保现场生产装置实现高效安全运行的关键之一。自动化控制技术目前是工业生产技术中发展趋势较快的前沿高科技技术，在各行各业中的应用需求呈现爆发式增长，培养满足社会需求，掌握生产自动化相关理论和实践知识的高素质高级专门人才显得尤为迫切[2]。生产过程自动化，不仅实现工人繁重劳动替代，克服外在干扰，稳定操作工艺，而且能增加生产安全度，提高生产效率，保障产品质量稳定性，降低单位成本[3]。

传统人工操作的生产方式效率及安全度较低，难以满足现代化工技术发展需求，化工类生产过程的自动化替代快速发展，这促进了人才市场对即懂化工技术又懂自动控制的高级专门人才需求的快速增加[4]。为了满足市场对化工相关人才素质的要求，国内多数高等院校的化学、环境及化工类等专业均将化工仪表及自动化作为一门专业核心基础课程课来开设教学。化工仪表及自动化课程涉及化学工程、仪器仪表、过程控制及自动化等学科理论知识，是一门与生产实践密切相关的综合技术学科，具有涵盖的专业知识广及学科交叉性强等特点[5-6]。通过该课程的深入学习，可以掌握温度、压力、流量及物位等生产实际中常用工艺参数的检测方法与相应仪器仪表的基本知识；理解不同类型自动控制系统的基本组成、控制规律、工作原理及各环节的作用特点；初步掌握自动控制系统投运与控制器参数整定；了解学科相关检测技术与复杂自控制系统最新动态发展趋势[7]。因此，无论从实践应用能力提升还是科学研究思维培养方面，提升本课程教学质量都对学生专业综合核心能力构建有至关重要贡献。

民族类高校与一般高校的办学方针上存在一定的差异，其首要重任是为民族地区服务，依据少数民族地区社会发展的实际需求，培养民族人才[8-9]。在自动化控制工程技术人才方面，面对科技和工农业日新月异的高速发展现状，急需具有专业工程理论知识、综合分析实践能力及创新意识等素质的应用型科学技术人才[10-11]。因此，根据少数民族地区化工产业发展对化工自动化方面人才的需求，从少数民族学生的理论知识基础特点出发，针对民族类高校在化工人才自动化理论和实践知识体系培养方面的缺陷，有必要从教学内容、教学理念及教学方法等方面深入探索民族类高校化学化工专业化工仪表及自动化课程的教学改革，以期夯实学生的理论知识基础，提升学生的创新思维和实践应用能力。

1 基本情况与面临的问题

1.1 民族类高校学生的基本情况

民族类高校主要面向全国各地的少数民族地区招生，依据其具体所在地域不同而招生生源有一定差异，一般情况下少数民族学生在校比例均保持在60%以上[10]。以中南民族大学为例，招生的主要生源地是广西、内蒙古、宁夏、新疆及西藏等少数民族自治区和湖北、湖南、河南、贵州、四川、甘肃、青海等省市的少数民族自治州、县等地区，学生中少数民族占比较多的是壮族、回族、维吾尔族、蒙古族和苗族等，现有56个民族的学生，少数民族在校生比例超过60%。部分生源地的经济发展水平和基础教育水平相对全国平均水平明显落后，学生在学科知识背景、学科基础和学习习惯等方面存在较大的差异性[8]。

1.2 课程教学中面临的问题

化工仪表及自动化课程是高校化学工程与工艺、应用化学、环境工程等本科专业学生高年级阶段所修的专业核心课程之一[3]。该课程核心内容包括：控制系统基本概念；化工过程特性及其数学模型建立；常用的压力、流量、物位及温度参数检测仪表；自动控制仪表与执行器；复杂控制系统与计算机控制系统；典型化工单元控制等。该课程内容涵盖面较广，学科知识交叉融合度高，如图1所示，部分理论点比较抽象，自控体系逻辑性强，概念和公式繁多，大部分学生感觉学习难度较大、学习负担较重。特别是来自偏远民族地区数学、物理、化工等基础科学知识背景偏弱的学生，在学习过渡过程特性及其数学模型构建、自动控制系统PID参数设置与整定、复杂控制系统设计应用等单元知识要点时面临着许多困难，给整体的教学计划实施和教学目标的实现带来严重的不对称性。因此，有必要针对性了解民族高校少数民族学生各学科基础背景，遵循民族高校少数民族学生的知识体系架构特点，结合基础知识教评体系、网络信息资源和发展目标进行课程教学规划与改革建设，构建合理的分层教学目标，因材施教，改进和丰富教学模式，理论结合实践，提高课程教学质量、培养调动学生自主学习的积极能动性，是课程建设中需关注的重点。

图1 化工仪表及自动化与学科知识的联系

2 教学过程改进

2.1 课程内容分层教学

分层教学主要是任课教师根据班级学生的以往学习基础，在开展教学的过程中，强调基础理论重点，突出实践应用要点，引入行业发展热点，拓展理论与实际结合难点。针对不同学科基础和发展意向的学生制定差异化培养方法，在教学的重点、要点、热点以及难点的掌握程度上设定不同的教学目标与要求。例如：对简单控制系统的基本组成、执行器的类型与特点、检测仪器仪表的基本构造与测试原理等概念性的重点内容，要求所有学生必须深入理解，并在实践应用中能根据原理分析解决一般问题；就基本原理中较难的过程特性及数学模型的推导、基本控制规律的证明、比例积分微分控制器参数设定与整定原理等难点内容，要求数理基础较好学生掌握，而对数理基础较差学生来说，就可以只理解数学模型和基础参数描述的意义，基本控制规律的实质过程等，具体的推导或证明过程可不做要求。另外，优化原来多依附于教材体系的教学内容，针对基础好的同学，引导关注化工仪表及自动化领域的最新研究的热点以及最新的复杂控制技术发展方向。同时根据实际生产中控制系统自动化、智能化以及集成化的发展与应用趋势，降低复杂理论要求，减轻部分基础欠缺学生的学习难度，强化实际操作和工程应用背景内容教学，帮助学生在理解的基础上熟悉操作使用要点。分层教学的实质目标是希望尽最大可能实现因材施教，激发具有不同学习基础学生的学习研究潜能，发展实践创新能力，促进学生综合能力的整体提升。

2.2 丰富理论教学方法

化工仪表及自动化课程教学中，涉及高等数学、化学化工、仪器仪表、自动控制等学科，理论基础知识点较多，内容抽象，逻辑性强，跨度宽，以往大部分理论部分内容的教学多是以多媒体PPT演示为主加上板书辅助讲授的方式进行，教学过程相对单调。在讲授对象的静态与动态特征、对象特性参数、控制规律特点及自动控制系统参数整定等理论课程内容时，部分基础知识有所欠缺的同学，内容要点理解的不够充分。另外，讲授不同仪表器件的原理与构造时，仪表结构相对复杂，缺乏直观实物展示和现场功能演示，学生多只能从实物平面图像与工程截图中获得初步感性认知，学习兴趣度不高。为此：

(1)针对理论知识难点内容，借助学习通线上教学平台，增加了课外网络教学微课视频，方便同学们随时随地借助网络及时预习和复习难点内容，强化理论知识理解。

(2)在传统的多媒体课件演示教学讲授过程中，引入器件实物、原理动图、构件视频以及模拟仿真等教学要素，针对性地将部分仪表内容可视化、直观化和形象化，提高学生学习兴趣的同时加深对器件的感性认知。

(3)模块化分阶翻转教学。首先将课程内容分解为基本概念与原理、简单控制系统、复杂控制系统和典型化工单元控制系统等四个基本教学模块，每个教学模块又逐级逐步递进展开，如图2所示。最终在完成课程有机系统学习的过程中，不间断强化和巩固相关知识要点，并积极探索翻转课堂建设方式，调整课堂与课后作业的形式，让所有同学参与到相互出题的课外任务过程中，然后以随机选题完成作答的方式完成知识点强化复习。

图2 自动控制系统组成模块

2.3 注意实践教学过程

化工仪表及自动化课程教学涉及到的实验与实践学习环节过少，多以理论讲授教学为主。但是，如果一味的进行枯燥的理论讲授教学，不仅让学生对课程的学习提不起强烈的兴趣，还会让学生固化课堂知识的理解，不利于培养科学基本素养和开拓创造思维。实际上测量仪表、传感器和自动控制系统在日常工作和生活中应用非常广泛，在日常生活和专业实践应用的过程中有不少待优化的问题仍然有待解决。在理论教学过程中，尽可能的引入实践案例，启发学生理论联系实际来分析和解决问题。如：讲热电偶的测温原理与适用事项时，可先介绍实验室合成反应设备和工业固定床反应器上的控温案例，然后引入热电偶分度型号，选型与安装要点等；在讲对象数学模型的建立方法时，介绍化工原理课程中一些典型经验方程式的发现和发展历史，并讨论及其基础化工原理套管换热器液-液热交换系数测定实验，如何通过实验获取了数据后计算液液热交换系数，区分参量模型与非参量模型的构建方法和适用情况；讲授控制阀的理想流量特性曲线的理论定义时，可先引入流量控制器在实际使用过程中的校正问题，关联线性范围选择与线性相关系数求法的基本原理，理解并联或串联后控制阀流量特性曲线的畸变规律。另外，以全国大学生化工设计竞赛和化工实验大赛为项目依托，积极开展项目导向型教学探索，鼓励学生在参与竞赛的过程中，强调通过工艺与实验设计模拟真实工厂的设计应用场景，应用化工仪表及自动化知识开展设备仪表计算选型、管道流程设计以及控制系统定型等工作。课堂上针对性强化学习有关知识点，鼓励学生理论联系实践，应用课程中所学知识分析问题和解决问题。与单纯的理论授课相比，通过项目教学，将学科理论知识融入到项目实践过程的方方面面，可以提高学生实践技能，培养学生团结协作能力，实现解决专业工程问题能力的有效提升。

3 课程考评体系的优化

3.1 以往课程考评体系情况

我校以往化工仪表及自动化课程成绩考核体系中，期末闭卷考试成绩的权重比例为70%，平时成绩的权重比例为30%。考核内容侧重自控系统基本概念、控制原理、仪表工作原理与性能指标等理论知识考察点，对实践操作缺乏合理的考核方案。在这种考核方式下，数理理解基础相对差的少数民族地区学生考试成绩普遍不高，严重影响课程及学科知识的学习兴趣。

3.2 课程考评体系优化后情况

鉴于本课程知识面向化工生产自动化过程，工程应用、综合实践性操作性强，对原有考评体系进行了优化，弱化了纯理论考核成绩占比比重，增加了平时实践应用成绩比重。课程考评体系优化后，课程总成绩由期末考试成绩、课程学习汇总报告成绩、实践项目成绩以及平时成绩(课堂与课后作业、日常考勤、课堂互动)四部分组成，分别占比50%、15%、15%及20%。这种考核方式，克服了可通过短期强化记忆理论知识就能突破总成绩的原考评体系缺陷，促进学生持续理解学习和实践巩固学科知识，考核成绩可较全面立体的反应学生理论知识理解、实践运用、改进创新的学科综合工程能力。