案例教學(xué)模式在化工儀表及自動化教學(xué)中的應(yīng)用

周冬菊 董鐵有

摘要：化工儀表及自動化是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，案例教學(xué)法是現(xiàn)今大學(xué)教育中比較先進的教學(xué)方法之一，本文基于化工儀表及自動化課程的特點，就案例教學(xué)法在該課程教學(xué)中的應(yīng)用問題和實踐進行討論。本文論述了案例教學(xué)在化工儀表及自動化的實施步驟，包括設(shè)計精選案例、演示和分析案例及總結(jié)和評價案例。

關(guān)鍵詞：化工儀表及自動化；案例教學(xué)；應(yīng)用

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A文章編號：1002-4107（2012）11-0009-02

為促進化工生產(chǎn)的高效、連續(xù)及科學(xué)進行，以人為本的管理觀念，須將化工生產(chǎn)中各項工藝參數(shù)合理維持于某一最適當?shù)姆秶鷥?nèi)，生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化[1]。對于化工專業(yè)的學(xué)生而言，在掌握化工專業(yè)知識的同時掌握工業(yè)過程檢測、控制方面有關(guān)知識，能在今后從事工藝技術(shù)開發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)時更好地解決有關(guān)技術(shù)問題。案例教學(xué)法是大學(xué)教育中比較先進的教學(xué)方法之一，基于化工儀表及自動化課程的特點，將案例教學(xué)法應(yīng)用在該課程的教學(xué)中，能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力以及獨立解決問題的能力。

一、化工儀表及自動化教學(xué)現(xiàn)狀分析

化工儀表及自動化是化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程要求學(xué)生掌握一定的機械、計算機、電子電路和化工工藝學(xué)等基礎(chǔ)知識，是一門綜合性和實踐性非常強的課程。該課程具有一定的抽象性，且由于學(xué)生的實際生產(chǎn)知識較為缺乏，在學(xué)習(xí)該課程時存在一定的難度。目前在《化工儀表及自動化》課程教學(xué)中存在的問題主要有以下兩個方面。

（一）教學(xué)模式的問題

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師是知識的傳授者，學(xué)生是知識的接受者，教材是教的內(nèi)容。學(xué)生是被動地接受知識，在課堂上教師和學(xué)生之間的互動不夠，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生不愛問、不想問，也不知道要問的習(xí)慣，學(xué)習(xí)主動性喪失，產(chǎn)生倦怠情緒，體會不到學(xué)習(xí)課程的重要性。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生缺乏想象力和創(chuàng)新精神，難以升華所學(xué)的知識，在今后的工作中不能將所學(xué)知識和實踐相結(jié)合，難以為自控設(shè)計提供正確的工藝條件和數(shù)據(jù)。因此，在教學(xué)模式上應(yīng)該必須改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)造性人才。

（二）教學(xué)內(nèi)容的改革

隨著檢測與控制技術(shù)的發(fā)展，老式儀表逐漸被新型的檢測儀表所代替，控制理論不斷更新，但目前所使用的教材比較滯后。在教學(xué)過程中應(yīng)順應(yīng)時代發(fā)展，不斷調(diào)整充實學(xué)習(xí)材料，要學(xué)生了解檢測技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新發(fā)展動態(tài)，使教學(xué)內(nèi)容的組織體現(xiàn)應(yīng)用性和開放性，讓學(xué)生解決一些簡單的工程實踐實例，體驗學(xué)習(xí)化工儀表及自動化課程的價值，學(xué)會分析問題和解決問題的策略。

二、案例教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)法的比較

案例教學(xué)法是一種以生產(chǎn)實際案例為基礎(chǔ)的教學(xué)法（case-based teaching）[2]，案例本質(zhì)上是提出一種教育的兩難情境，沒有特定的解決之道，教師扮演著設(shè)計者和激勵者的角色，鼓勵學(xué)生積極參與討論，不像傳統(tǒng)教學(xué)法，教師是有學(xué)問的人，扮演著傳授知識的角色。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力方面，案例教學(xué)因獨有的優(yōu)勢而受到重視，近年來在工學(xué)專業(yè)課教學(xué)所占比例逐漸擴大[3]。課堂上通過設(shè)置案例，同學(xué)們沒事先查閱文獻，會天馬行空地進行分析，不僅能激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，對教師而言，在教學(xué)中還能通過共同研討，從學(xué)生那里了解大量感性材料。

課程中有部分內(nèi)容對學(xué)生而言較抽象，通過案例教學(xué)能夠調(diào)動學(xué)生對抽象知識的學(xué)習(xí)興趣。在案例教學(xué)過程中，由于教學(xué)內(nèi)容是具體的實例，加之采用的是形象、直觀、生動的形式，，易于學(xué)習(xí)和理解。在案例教學(xué)過程中，教師在課堂上不是“獨唱”，而是和大家一起討論思考，學(xué)員在課堂上也不是忙于記筆記，而是共同探討問題。

案例教學(xué)法也存在一定的缺點，案例在編寫時需要技能和經(jīng)驗，研究和編制一個好案例需要兩三個月的時間。案例教學(xué)法在實際的教學(xué)過程中會花費大量的課時，同時需要學(xué)生掌握堅實的理論基礎(chǔ)，對教師而言，案例選擇要精，案例中要盡量摒棄主觀臆想的成分，在整個教學(xué)過程中要十分注意培養(yǎng)學(xué)生的能力。

三、案例教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）被控變量的選擇

在講解簡單控制系統(tǒng)的被控變量選擇時，以糖化工段被控變量的選取案例進行教學(xué)的說明和示范。在課堂上首先講解工業(yè)糖化的基本工藝流程[4]。

組織學(xué)生對糖化工藝分析，找出工藝的影響因素，討論得到被控變量的選擇原則。在討論的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)糖化工藝的影響因素有很多，主要是溫度、pH值、時間、糖化酶用量、壓力等。教師點評要點：被控變量在選擇時，需要綜合考慮選取其關(guān)鍵因素，不需對每個因素進行控制；應(yīng)是對提高產(chǎn)量和質(zhì)量、節(jié)能等具有決定性因素的工藝變量；所選變量應(yīng)能直接測定，且測量和變送環(huán)節(jié)的滯后是比較小的因素；若不能選擇直接變量作為被控變量，則應(yīng)選擇與之有單值函數(shù)關(guān)系的間接工藝參數(shù)；被控變量必須是獨立可控的；選擇被控變量必須考慮工藝的合理性，以及目前的儀表現(xiàn)狀是否能滿足要求等。這些評論要點都是課本的重點內(nèi)容，通過案例分析，可加深學(xué)生的理解與記憶。教師還可根據(jù)實際情況，舉出其他被控變量選擇相關(guān)的案例讓學(xué)生分析，進一步強化教學(xué)效果。

（二）反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的設(shè)計

反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備之一，反應(yīng)釜內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)機理較為復(fù)雜，外界條件、原料添加量的變化、加熱及冷卻用水溫度的變化等對系統(tǒng)影響較大，使系統(tǒng)本身具有較大的時變性、非線性和時滯性，因而是過程控制領(lǐng)域備受關(guān)注的因素[5]。學(xué)生通過對反應(yīng)釜工藝的分析，發(fā)現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量有影響的關(guān)鍵因素為溫度、壓力，并確定溫度為被控變量。對控制系統(tǒng)的設(shè)計也各抒己見，在活躍課堂氣氛的同時也充分調(diào)動了學(xué)生對自動控制理論學(xué)習(xí)的積極性。

總結(jié)學(xué)生討論結(jié)果，在實際的操作過程中是如何進行控制以滿足工業(yè)生產(chǎn)對產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能等方面的要求。在實際的生產(chǎn)中，對反應(yīng)釜的溫度控制進行兩部分的控制，一是升溫控制，二是保溫控制，控制系統(tǒng)的方塊圖如下所示。在升溫階段，需控制溫度上升速率，同時由于溫度具有一定的滯后性，可采用前饋和反饋聯(lián)合控制的方式。另外，在升溫階段，冷卻水的用量會發(fā)生變化，從而影響溫度，為了確保升溫速率，需要同時調(diào)節(jié)夾套冷卻水量和蛇形管冷卻水量，可采用溫度—流量串級控制體系，已達到控制要求。在保溫階段，由于溫度的滯后性，采用簡單控制系統(tǒng)達不到系統(tǒng)對溫度變化的要求。通過對反應(yīng)體系的分析和研究可知，壓力的變化超前于溫度的變化，為達到較好的控制效果，采用溫度—壓力串級控制系統(tǒng)。另外，在溫度不變的前提條件下，物料B的百分比含量越高，系統(tǒng)的壓力越低，所以將物料B的流量加到壓力控制器的輸出作為靜態(tài)前饋控制，補償物料B的流量變化對壓力的干擾[6]。通過對其進行詳細講解，使學(xué)生知道實際生產(chǎn)采用的是較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而不是課本中的簡單控制系統(tǒng)。這樣能提高學(xué)生對復(fù)雜控制系統(tǒng)有進一步了解的興趣，同時達到案例教學(xué)的目的。

圖1控制系統(tǒng)的方塊圖

四、體會

1.選擇和纂寫優(yōu)秀的案例是案例教學(xué)法開展的前

提。案例本身要具備與教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)性，在教學(xué)過程中案例必須要能引起學(xué)生的興趣積極參與到案例討論中。教師在教學(xué)前必須對案例進行深入研究，對教學(xué)過程中可能出現(xiàn)的問題有充分準備。2.角色的定位是案例教學(xué)法的關(guān)鍵。教師要充分尊重學(xué)生的主觀能動性，對學(xué)生的不同說法要加以肯定，應(yīng)注重學(xué)生創(chuàng)造性的想法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。3.案例教學(xué)能夠在一定程度上解決化工儀表教材的滯后，能較好地反映檢測與控制學(xué)科的發(fā)展與化工技術(shù)的進步。

參考文獻：

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[6]李新衛(wèi).連續(xù)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].化工自動化及儀表，2010，（11）.