“熱工過程自動調節(jié)”課程實驗實踐教學改革和實踐

陳畢勝?郭蘭蘭

摘要：實驗實踐教學環(huán)節(jié)是“熱工過程自動調節(jié)”課程教學過程的關鍵。以該課程教學內容、課程體系和教學方法改革為核心，開展了相應的實驗實踐教學研究工作，針對目前該課程實驗實踐教學存在的問題，提出了課程實驗實踐教學改革的設計思想和方法。通過教學實踐證明，改革設計思想的實施既能滿足課程教學的要求，也能滿足后續(xù)課程對熱工過程自動調節(jié)知識的需求，還能因材施教滿足部分優(yōu)秀學生對該課程知識的需求，效果較好。

關鍵詞：熱工過程；自動調節(jié)；教學改革

作者簡介：陳畢勝（1977-），女，湖北崇陽人，山東科技大學機械電子工程學院，講師；郭蘭蘭（1979-），女，山東昌邑人，山東科技大學機械電子工程學院，講師。（山東 青島 266590）

基金項目：本文系2010年山東科技大學教育教學研究“群星計劃”項目（項目編號：qx102031）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0103-02

“熱工過程自動調節(jié)”課程是熱能與動力工程、火電廠集控運行和生產(chǎn)過程自動化等專業(yè)或專業(yè)方向的一門專業(yè)基礎課，主要內容是結合熱工過程自動化技術及其發(fā)展，應用火力發(fā)電廠中自動調節(jié)實例加以分析，有較強的工程實用性。開設本課程的目的是使學生掌握自動調節(jié)的基本理論，了解火力發(fā)電廠熱工過程中主要的自動調節(jié)系統(tǒng)，掌握發(fā)電廠自動調節(jié)系統(tǒng)的基本分析、整定方法，培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力，為學生學習后續(xù)相關專業(yè)課程、拓寬專業(yè)知識面、開拓新的技術領域以及從事專業(yè)工作打下必要的基礎。

注重工程實際的交叉與關聯(lián)，是教好該課程的關鍵，因此該課程的實驗實踐教學環(huán)節(jié)必不可少，且尤為重要。一般該課程設置為2～3學分，36～60學時，其中課內實驗教學4～6學時。以期通過實驗實踐教學環(huán)節(jié)鞏固學生所學理論知識，培養(yǎng)學生的觀察能力和實踐能力，完成對實際工程狀態(tài)的熟悉及工程操作的學習，把知識真正融入實踐。因此，在全面了解相關院校該課程實驗設置情況和社會對該專業(yè)的需求的情況下，在發(fā)揚傳統(tǒng)學科特色的基礎上，融入了高新技術知識，以本課程教學內容、課程體系和教學方法改革為核心，開展了相應的實驗實踐教學研究工作。

一、實驗實踐教學現(xiàn)況

在教學過程中進行實驗教學是教學實踐的基本手段，是對課堂知識的檢驗和鞏固，是培養(yǎng)學生技能的重要手段。實驗教學從形式上分為演示型實驗和仿真型實驗兩種，而實驗類型又分為基礎型實驗、專業(yè)技能型實驗和綜合性實驗?；A型實驗主要為應知應會等原理性實驗，一般由教師演示講解、學生觀摩驗證即可；專業(yè)技能型實驗主要訓練學生的動手能力，由教師指導學生按步驟要求操作完成即可；綜合性實驗是難度較大的實驗教學環(huán)節(jié)，需要學生獨立或在教師指導下按實驗項目和要求自行設計實驗方案并完成實驗過程，包括實際應用創(chuàng)新性實驗等。

“熱工過程自動調節(jié)”課程教學內容涵括自動控制、自動調節(jié)的基本理論，火電廠主要熱工過程的調節(jié)整定過程，電廠集散控制系統(tǒng)（DCS）等。本課程實踐教學目前主要是開設課內基礎型實驗和專業(yè)技能型實驗，課內基礎型實驗的主要內容為基本調節(jié)過程（如P、PI、PID等調節(jié)）的動態(tài)特性及基本整定方法，教師通過課堂演示講解來實現(xiàn)；專業(yè)技能型實驗具體可選實驗內容有單容水箱動態(tài)特性測取、雙容水箱動態(tài)特性測取、雙容水箱對象的控制整定與串級控制系統(tǒng)整定等。目前學生實際操作的實驗有兩個：單容水箱對象的動態(tài)特性測取以及控制參數(shù)整定、單回路控制和串級控制系統(tǒng)整定。

通過調研發(fā)現(xiàn)，盡管現(xiàn)有的實驗教學使學生對自動控制系統(tǒng)動態(tài)特性有了較深入理解，且能根據(jù)實驗結果分析系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的選取對系統(tǒng)性能的影響，還能對一般控制系統(tǒng)進行實驗整定，學生分析、解決實際問題的能力得到了鍛煉，但還存在一些不足：

第一，學生所進行的實驗仍然是傳統(tǒng)的應知應會等原理性實驗，實驗模型和過程已經(jīng)搭建、約定俗成，由實驗指導教師統(tǒng)一準備、介紹、講解、分析和指導，學生只要按照固定的實驗操作規(guī)程一步一步去完成、記錄相關數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理和計算，然后依照模板寫出實驗報告并上交，最后由實驗指導教師批改報告并給出實驗分數(shù)即可。這種實驗教學模式在很大程度上限制了學生的學習積極性，缺乏實驗的設計和準備等，不利于學生分析問題、解決問題和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。[1]

第二，現(xiàn)有實驗是由一套實驗臺結合組態(tài)軟件來完成，學生分成若干小組，部分學生對實驗數(shù)據(jù)進行記錄，實驗效果不明顯，還有許多如為什么要這么做、如何來做等問題需要解決。

第三，目前未開設實際熱力系統(tǒng)的自動調節(jié)過程和參數(shù)整定實驗，有能力、有興趣的學生得不到鍛煉，無法發(fā)揮其創(chuàng)造力和實際動手操作能力。

針對現(xiàn)有實驗教學中存在的問題，通過課程教學組的討論分析，對原有實驗教學進行了整合，提出了實驗實踐教學改革的設計思想和方案。

二、實驗實踐教學改革的設計思想

在現(xiàn)有教學條件基礎上，按照“高等教育要拓寬專業(yè)業(yè)務范圍，加強實踐環(huán)節(jié)的教學訓練”的精神，創(chuàng)建了綜合實驗實踐教學體系，即創(chuàng)建由課堂演示實驗、課外操作實驗、綜合應用設計組成的多層次的綜合實驗實踐教學體系。將課程實驗教學過程分為三部分：

1.課堂演示實驗

在教學過程中根據(jù)教學內容進行原理性驗證演示實驗，使學生深入直觀掌握課程基本理論、基本知識、基本技能，為將來能熟練地應用這些基本技能和方法奠定基礎。

2.課外操作實驗

開設開放式自主實驗，利用現(xiàn)有實驗設備和條件，一方面可繼續(xù)完成原實驗安排，另一方面可由學生通過學習現(xiàn)有實驗臺配套組態(tài)軟件，自行組態(tài)設計相關控制調節(jié)系統(tǒng)并進行實驗，以加深學生專業(yè)基礎應用能力。

3.綜合應用設計

通過應用專業(yè)基礎知識和已掌握的專業(yè)方法和技能，結合實際工程應用進行設計，檢驗所學知識與實踐能力，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力和綜合素質。該類實驗項目要求與實際工程應用相結合，這類實驗由指導教師給定設計目標和設計思路，由學生分組獨立完成。

在綜合實驗實踐教學體系的基礎上，還補充開展了學生自主性、研究性學習。在課堂教學之余，支持學生參與教師相關課題科研項目，參加課外科技實踐活動，鼓勵學生參加“挑戰(zhàn)杯”設計大賽、專利設計申請等。這樣不僅可以提高學生的基本實驗技能，還可以引導學生學習科學研究的基本方法，努力創(chuàng)造條件培養(yǎng)學生獨立進行實驗實踐的能力。[2]

三、實驗實踐教學改革的實踐與優(yōu)化

根據(jù)實驗教學過程中學生普遍出現(xiàn)的現(xiàn)象和反映的問題，為使學生在較短的時間里掌握相關的知識，在課程講授內容和方法、實驗實踐過程安排、評價體系等方面進行了不斷完善。

在“熱工過程自動調節(jié)”課程教學中，為強化實驗實踐教學環(huán)節(jié)，具體將課程實驗實踐教學體系設計為三個模塊，即：熱工過程自動調節(jié)的驗證性實驗、熱工過程自動調節(jié)的工程性實驗、熱工過程自動調節(jié)的綜合性實踐。

1.熱工過程自動調節(jié)的驗證性實驗

這個模塊主要實現(xiàn)課程基本理論的特性演示實驗，由任課教師在課堂教學過程中借助MATLAB軟件完成。學生在課堂就可觀察典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性以及環(huán)節(jié)中各參數(shù)對動態(tài)特性曲線的影響。從簡單的P調節(jié)、PI、PD調節(jié)到PID調節(jié)，從單回路控制系統(tǒng)到串級控制系統(tǒng)等，使學生對基本原理部分有感性和直觀的認識，以加深對基本知識點的理解。課下學生也可以自己上機通過MATLAB軟件自行驗證，熟悉基本控制、調節(jié)原理。

2.熱工過程自動調節(jié)的工程性實驗

這個模塊主要實現(xiàn)課程中基本自動調節(jié)過程的參數(shù)整定，由教師指導，學生利用熱能實驗室現(xiàn)有的實驗平臺和組態(tài)軟件MCGS，按原則性調節(jié)過程要求設計并完成單回路調節(jié)系統(tǒng)和串級調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性測取以及調節(jié)器的參數(shù)整定實驗。使學生對電廠基本調節(jié)過程調節(jié)器參數(shù)整定方法和參數(shù)選取對控制系統(tǒng)性能的影響有直觀認識，加深學生對課程教學內容的理解和掌握。

3.熱工過程自動調節(jié)的綜合性實踐

這個模塊完全以生產(chǎn)實際為對象，實現(xiàn)課程理論知識與實際應用的結合，不僅考察學生的動手能力，要求學生能夠綜合利用所學的知識，獨立分析、解決生產(chǎn)實際過程中遇到的問題，而且要協(xié)調同組人員共同努力才能完成實驗任務，鍛煉了團結協(xié)作的能力。在該環(huán)節(jié)中，筆者結合課程設計或畢業(yè)設計，將學生分成了若干小組，并借助北京恒河大風軟件提供的熱力發(fā)電廠教學型仿真軟件，完成了工程實際的自動調節(jié)過程（如300MW機組汽包水位控制系統(tǒng)、鍋爐再熱、過熱汽溫控制系統(tǒng)等）。在該實踐過程中，學生從分析調節(jié)過程被控對象被調量的動態(tài)特性入手，提出了控制調節(jié)方案，進行了不同方案的比較，以論證方案的可行性，總結被控對象的特點和實際可行的控制策略，并完成該控制系統(tǒng)仿真建模和系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定過程，為工程應用提供參考。圖1、圖2為學生在課程設計過程中開發(fā)的300MW機組串級過熱汽溫系統(tǒng)原則性方案和整定曲線。

“熱工過程自動調節(jié)”課程實驗實踐教學體系從結構上遵循由淺入深、由易到難的原則，使學生從被動學習過渡到主動思考。在實踐之初，首先由教師介紹原則性的基本方案，并采用提出問題、解決問題，不斷提出問題、不斷解決問題的啟發(fā)式和討論式教學方法來組織課堂教學，傳授給學生的是一個自動調節(jié)系統(tǒng)的基本原則，讓學生充分認識基本方案的設計思想，培養(yǎng)學生舉一反三的能力，為了解熟悉現(xiàn)場的調節(jié)系統(tǒng)打下良好的基礎。然后在課程的實驗實踐教學環(huán)節(jié)中由學生分組討論、設計某一熱力系統(tǒng)實驗方案，完成控制調節(jié)過程，以提高學生分析和解決實際問題的能力。

實驗教學從層次上分為基本實驗和設計型實驗兩個層次，前者對全部學生開設，后者則對部分優(yōu)秀學生開設。在教師的指導下，學生可充分利用熱能專業(yè)實驗室現(xiàn)有的儀器設備，自己查閱資料，確定實驗項目并設計實驗內容，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研能力。

在評價方法上，不再以學生實驗過程中對參數(shù)的準確度控制為標準，而是通過綜合性實驗過程，使學生能夠比較系統(tǒng)的、宏觀的掌握電廠熱力控制系統(tǒng)，能夠理論聯(lián)系實際來分析、解決所遇到的問題，同組學生之間能夠協(xié)調完成仿真實驗過程。[3]

四、總結

學生通過貫穿于“熱工過程自動調節(jié)”課程教學全過程的三個實驗實踐性教學模塊的學習，加深了對課程重點和難點的理解，充分調動了學習的主動性和自覺性。在循序漸進的分層次的實驗實踐教學環(huán)節(jié)中，使學生從掌握單一知識到掌握綜合知識；從單純的理論知識到實際的工程知識；從被動地接受知識到主動地學習知識。實驗實踐教學的設計達到了課程教學的目的。學生對能源動力系統(tǒng)（發(fā)電廠）的主要控制調節(jié)過程及控制方案等有了更深入的了解，能從系統(tǒng)的、宏觀的角度去了解本專業(yè)的相關基本知識。

通過這兩年的教學實踐證明，上述設計思想的實施，既能滿足課程教學的要求，也能滿足后續(xù)課程對熱工過程自動調節(jié)知識的需求，通過因材施教，還能滿足部分優(yōu)秀學生對熱工自動調節(jié)知識的需求，收到了良好的效果。

參考文獻：

[1]夏家群，李滬萍，羅康碧.熱能與動力工程專業(yè)綜合實驗改革的探索[A].Scientific Research，2012 Conference on Creative Education[C].

2012：1063-1065.

[2]施永紅，云峰.“熱工控制系統(tǒng)”課程改革探索與實踐[J].中國電力教育，2012，（18）：54-55.

[3]高琪瑞，李東海，等.能源動力仿真實驗教學系統(tǒng)設計與應用[J].實驗技術與管理，2006，5（23）：84-86.

（責任編輯：孫晴）