“化工儀表及自動(dòng)化”課程教學(xué)的探索與實(shí)踐

摘 要：“化工儀表及自動(dòng)化”作為化工專(zhuān)業(yè)的重要的專(zhuān)業(yè)課，具有多學(xué)科交叉性、發(fā)展快和應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，針對(duì)該課程課時(shí)不斷壓縮、自動(dòng)化技術(shù)日益發(fā)展和學(xué)生難以建立自動(dòng)控制的概念等問(wèn)題，文章對(duì)課程理論與實(shí)踐方面的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了必要的探索和實(shí)踐，并介紹了該門(mén)課程教學(xué)改革的若干做法。

關(guān)鍵詞：化工儀表及自動(dòng)化課程 化工儀表 化工自動(dòng)化 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié) 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

《化工儀表及自動(dòng)化》是化學(xué)工程和化工工藝等化工專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，該課程是一門(mén)綜合了化工原理、檢測(cè)學(xué)、電工學(xué)以及自控理論等多學(xué)科交叉課程。隨著化工生產(chǎn)過(guò)程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)展，該門(mén)課程對(duì)化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生的影響日益凸顯。但這門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容多，課時(shí)少，學(xué)生的電路和控制理論知識(shí)薄弱，因此不少學(xué)生畏難而興趣不高，難以掌握這門(mén)課程的精髓。以廣東高校為例，該課程總學(xué)時(shí)約為30，其中實(shí)驗(yàn)約8學(xué)時(shí)，并且課時(shí)還有進(jìn)一步壓縮的趨勢(shì)，如何在有限的學(xué)時(shí)獲得最好的教學(xué)效果，使學(xué)生能掌握課程內(nèi)容，并與專(zhuān)業(yè)的其他課程，例如化工合成、有機(jī)化學(xué)等融會(huì)貫通，是一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題。本文結(jié)合教研組多年的教改實(shí)踐，介紹了“化工儀表及自動(dòng)化”課程教改的若干做法。

二、精心編寫(xiě)教學(xué)課件

1 重視緒論的講解

緒論是課程教學(xué)的開(kāi)始，對(duì)學(xué)生建立學(xué)習(xí)本課程的興趣有著重要的作用。筆者針對(duì)“化工儀表及自動(dòng)化”課程的特點(diǎn)，選取了化工過(guò)程中的典型的控制系統(tǒng)——蒸汽加熱溫度控制系統(tǒng)為例，讓學(xué)生初步建立了手動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的區(qū)別、構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的四個(gè)主要環(huán)節(jié)，以及自動(dòng)化技術(shù)在化工工業(yè)生產(chǎn)中的重要意義，緒論的講解讓學(xué)生深刻體會(huì)到自動(dòng)化技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景以及各種檢測(cè)儀表在自動(dòng)化技術(shù)中的地位，使學(xué)生樹(shù)立了積極的學(xué)習(xí)態(tài)度和信心。

2 多采用動(dòng)畫(huà)教學(xué)的方式

動(dòng)畫(huà)方式具有直觀的特點(diǎn)，能加快學(xué)生對(duì)一些基本概念的理解。以控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響為例，由于大多數(shù)的學(xué)生是第一次接觸控制規(guī)律，對(duì)雙位控制、比例控制、比例積分等控制規(guī)律大都沒(méi)有概念，針對(duì)這一特點(diǎn)，筆者在講述雙位控制規(guī)律時(shí)，對(duì)控制器中的關(guān)鍵元件——繼電器采用動(dòng)畫(huà)的方式，描述了繼電器的工作原理，及繼電器的滯環(huán)的寬度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行了演示，深化了學(xué)生對(duì)這一控制規(guī)律的理解；此外，在講解其他控制規(guī)律時(shí)，筆者采用Matlab中的Simulink模塊現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同控制規(guī)律下的系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了演示，幫助學(xué)生建立了各種控制規(guī)律的特點(diǎn)以及根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合合理選擇控制規(guī)律的觀念。盡管學(xué)生對(duì)系統(tǒng)仿真的方法可能暫時(shí)是一知半解的，但現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)畫(huà)演示的直觀效果讓學(xué)生很快地掌握了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

3 多采用實(shí)物照片

這門(mén)課程大都開(kāi)設(shè)于大三階段，學(xué)生大多數(shù)還沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，對(duì)生產(chǎn)中的各種儀表還沒(méi)有具體概念，因此各種實(shí)物照片對(duì)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程不無(wú)裨益，在講解各章節(jié)內(nèi)容時(shí)，筆者選取了生產(chǎn)實(shí)踐中常用的模擬、數(shù)字式儀表，并聯(lián)系其他實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用的儀表進(jìn)行對(duì)比分析，使學(xué)生能做到舉一反三，大大增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程的興趣。

4 盡量減少對(duì)電路知識(shí)的講解

學(xué)習(xí)這門(mén)課程的學(xué)生大多數(shù)是化工專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，他們僅僅是在大二時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)“電工原理”，很難對(duì)各種儀表的工作原理及動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行電路級(jí)的分析和理解。針對(duì)這一特點(diǎn)，筆者在教學(xué)過(guò)程中，盡可能地不進(jìn)行詳細(xì)的電路分析，只給出重要的結(jié)論，而對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行課后單獨(dú)講解，這一做法使學(xué)生能集中主要精力來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的理解。

5 及時(shí)根據(jù)學(xué)生的反饋修改課件

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，有些同學(xué)對(duì)書(shū)本上的知識(shí)非常難以理解，例如智能儀表等。為加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握，筆者及時(shí)地補(bǔ)充了微處理器、A/D環(huán)節(jié)和網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生建立了相關(guān)的概念，加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。另外，及時(shí)地向同學(xué)們推薦教師和學(xué)生收集到的有關(guān)化工儀表及自動(dòng)化方面的文章和資料也是對(duì)課件內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整的重要方法。

三、以化工典型的自動(dòng)化過(guò)程貫穿全課程及自主分析自動(dòng)化過(guò)程

1 以液位、溫度控制自動(dòng)化過(guò)程貫穿全課程

液位控制和溫度控制是化工過(guò)程中兩個(gè)最典型的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，也是學(xué)生非常熟悉的兩個(gè)控制系統(tǒng)。通過(guò)液位控制系統(tǒng)的講解能方便地綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、被控對(duì)象的建模方法、液位檢查傳感器的概念、控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式以及控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，如果進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)流入、流出液體的控制的概念，則可以引申出化工過(guò)程中常用的流量檢測(cè)和控制的方法；通過(guò)溫度控制系統(tǒng)能方便引入檢查溫度的兩種方法一熱電阻和熱電偶檢測(cè)方法、電流電壓變送器、DDZ系列控制儀表的特點(diǎn)、惠氏電橋的工作原理以及顯示環(huán)節(jié)的功能?？梢钥闯觯捎眠@兩個(gè)典型的控制系統(tǒng)不僅能涵蓋“化工儀表及自動(dòng)化”這門(mén)課程的絕大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)，而且能幫助學(xué)生建立控制系統(tǒng)的整體概念。

2 以兩者結(jié)合來(lái)講解復(fù)雜控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制是學(xué)生非常難以深入理解的一個(gè)概念，為加深學(xué)生對(duì)這個(gè)概念的理解，筆者結(jié)合化工工藝原理，提出一個(gè)既需要控制溫度又需要控制液位的一個(gè)控制系統(tǒng)，通過(guò)該控制系統(tǒng)的講解，使學(xué)生明白了如何由簡(jiǎn)單控制構(gòu)成復(fù)雜控制的原則，串級(jí)控制的應(yīng)用場(chǎng)合和特點(diǎn)、理解了根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合需要改變內(nèi)外環(huán)的結(jié)構(gòu)以及其他復(fù)雜控制的特點(diǎn)。

3 提倡自主分析自動(dòng)化過(guò)程

在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多同學(xué)書(shū)本上和筆者列出的實(shí)例雖然能夠較好地歸納這門(mén)課程的主要內(nèi)容，但與實(shí)際的化工自動(dòng)化還有較大的距離。基于這一點(diǎn)，筆者要求學(xué)生以其他相關(guān)課程中有關(guān)的化工自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展或者利用實(shí)驗(yàn)室的其他設(shè)備進(jìn)行組合式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提交出初步的設(shè)計(jì)依據(jù)、具體元件選擇和控制系統(tǒng)構(gòu)成方案，并采用互動(dòng)的環(huán)節(jié)進(jìn)行探討。實(shí)踐表明，采用自主分析自動(dòng)化過(guò)程后的方法，由于其鮮明的背景及理論聯(lián)系實(shí)踐的特性，特別能激發(fā)學(xué)生的研究興趣和探索熱情。

四、重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

1 精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。并與化工工藝過(guò)程聯(lián)系

實(shí)驗(yàn)是理論聯(lián)系實(shí)踐的重要手段，要加深學(xué)生對(duì)課程的理解，首先就應(yīng)該精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容最好能覆蓋大部分教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)這一原則，本教研組選擇了由熱電偶和熱電阻構(gòu)成的自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)、光纖測(cè)位儀、電流變送器等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)大部分學(xué)生理解了化工儀表及自動(dòng)化裝置的作用原理、構(gòu)成、自動(dòng)控制控制方法、各種在生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛使用的傳感器的操作方法以及完成實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、儀表的使用等基本訓(xùn)練，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。此外，筆者在實(shí)驗(yàn)后還要求學(xué)生采用實(shí)驗(yàn)中使用的各種儀表構(gòu)成的典型化工工藝過(guò)程控制，并給出控制方法，通過(guò)這一環(huán)節(jié)，啟發(fā)了學(xué)生創(chuàng)造性思維，提高其根據(jù)具體情況，運(yùn)用不同方法，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 增加智能儀器比例。拓寬學(xué)生的知識(shí)面

根據(jù)目前化工過(guò)程的自動(dòng)化程度越來(lái)越高的特點(diǎn)，本教研組還增加了基于微處理器的智能型溫度控制儀表的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生明白了智能儀表具有能夠任意設(shè)定給定值、控制精確和數(shù)字顯示等特點(diǎn)，使學(xué)生能與教材上有關(guān)智能儀表的內(nèi)容緊密聯(lián)系起來(lái)，掌握了控制儀表發(fā)展的趨勢(shì)，又能使學(xué)生了解和掌握了智能儀表的構(gòu)成、功能、調(diào)試及使用方法。

五、結(jié)束語(yǔ)

在“化工儀表及自動(dòng)化”課程教學(xué)中。筆者采取了上述做法并積極思考和實(shí)踐，使學(xué)生能較快地掌握該課程的主要知識(shí)點(diǎn)，并在分析、解決問(wèn)題和理論聯(lián)系實(shí)踐的能力上有了較大進(jìn)步?？傊?，教師除了自身應(yīng)努力學(xué)習(xí)新知識(shí)外，還應(yīng)根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和知識(shí)體系，及時(shí)對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，探索新的教學(xué)模式和規(guī)律，盡力做到“教學(xué)相長(zhǎng)”，使學(xué)生能長(zhǎng)時(shí)間保持學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

(文字編輯、責(zé)任校對(duì)：王麗華)