以卓越工程師為目標(biāo)的“化工儀表及自動化”課堂教學(xué)改革與實踐

廖禮俊，金杰

（安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230601）

近年來，我國越來越重視具有創(chuàng)新性和創(chuàng)造性工程技術(shù)人才的培養(yǎng)，在高等工程教育方面也取得了巨大的成就。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，社會各階層對于創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟和社會發(fā)展的卓越人才的需求度日益增長。“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”旨在培養(yǎng)高層次、高素質(zhì)的卓越工程師后備人才，進而全面提高我國工程技術(shù)人才的專業(yè)水平和培養(yǎng)質(zhì)量，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)[1]。我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)于2015年獲得安徽省“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”建設(shè)立項。

化學(xué)工程與工藝專業(yè)是我校重點建設(shè)專業(yè)，一直在以卓越化工工程師的標(biāo)準(zhǔn)進行專業(yè)建設(shè)。“化工儀表及自動化”是化學(xué)工程與工業(yè)專業(yè)重要的專業(yè)課，是從事現(xiàn)代化化工生產(chǎn)、研究開發(fā)以及設(shè)計等工作不可或缺的重要理論基礎(chǔ)。該課程是集化工儀器儀表、自動控制的基本原理和實際應(yīng)用為一體的一門綜合應(yīng)用課程。自動化技術(shù)在促進連續(xù)生產(chǎn)過程自動的發(fā)展，提高社會效益和經(jīng)濟效益方面發(fā)揮了不可替代的作用，是衡量一個國家發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的自動化能夠加速生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量；減輕勞動強度，改善勞動條件；保證生產(chǎn)安全，延長設(shè)備使用壽命；改變勞動方式并能夠提高工人文化技術(shù)水平等[2]。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握化工常見工藝參數(shù)的檢測方法及所使用儀表的基本工作原理；能夠正確地選取和使用合適的檢測和控制儀表；并且能夠緊跟現(xiàn)代檢測和控制技術(shù)的發(fā)展步伐[2]。但該課程的內(nèi)容十分抽象，基本原理又基于部分物理學(xué)定律，并且與實際的化工生產(chǎn)過程密切相關(guān)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時存在一定的難度。本文將以培養(yǎng)卓越工程師為導(dǎo)向，從課程教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)時出現(xiàn)的問題入手，對“化工儀表及自動化”這門課程的教學(xué)提出自己的一些思考。

1 教學(xué)活動中出現(xiàn)的問題和不足

1.1 教學(xué)內(nèi)容抽象復(fù)雜

“化工儀表及自動化”這門課程從作用上來看，可以認(rèn)為是化學(xué)工程與工藝專業(yè)一門重要的輔助課，其綜合了多門課程中的一些基本原理，所涉及的知識面較為廣泛，理論相對比較抽象，內(nèi)容跨度較大[3]。例如在過程特性及其數(shù)學(xué)模型這一部分內(nèi)容中，利用對象或生產(chǎn)過程的內(nèi)部機理進行機理建模時，需要熟練掌握不定積分和微分方程的求解基本原理；對于阻容電路進行機理建模時，則需要掌握物理學(xué)中的基爾霍夫定律才能列出對象的微分方程式；又如學(xué)習(xí)霍爾片式壓力傳感器時，學(xué)生需要掌握霍爾效應(yīng)的基本原理；學(xué)習(xí)電磁流量計時需要掌握感應(yīng)電勢的產(chǎn)生原理和計算方法；學(xué)習(xí)科里奧利質(zhì)量流量計時，要以科里奧利力的產(chǎn)生原理為基礎(chǔ)，并掌握質(zhì)量流量的計算方法；學(xué)習(xí)電容式物位傳感器時，則需要電容器中電容量的計算方法等等；此外，該課程中自動控制系統(tǒng)關(guān)于電學(xué)和計算機方面的知識點較多，而化工專業(yè)學(xué)生對電學(xué)和計算機方面的基礎(chǔ)知識了解較少，基礎(chǔ)較為薄弱，學(xué)習(xí)過程中會有一定難度。另一方面，“化工儀表及自動化”所涉及的檢測儀表、顯示儀表以及控制儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，如果僅僅通過教材和教學(xué)多媒體課件中的圖片來了解和學(xué)習(xí)，會造成學(xué)生對儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本原理缺乏直觀的認(rèn)識，理解起來也會感到比較吃力，進而導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下，學(xué)習(xí)熱情得不到激發(fā)，授課效果較差[4]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容缺乏更新

盡管目前所使用的“化工儀表及自動化”教材已經(jīng)更新了多個版本，但最近一次更新也已經(jīng)是五年前。由于化工儀表及自動化技術(shù)、計算機技術(shù)的高速發(fā)展，更加新型的檢測儀表、顯示儀表以及控制儀表和技術(shù)層出不窮。教材中的部分內(nèi)容顯得有些陳舊，而關(guān)于新技術(shù)和新設(shè)備的內(nèi)容又會有所欠缺[5]。比如在當(dāng)前的工業(yè)過程中數(shù)字式儀表已經(jīng)很普遍，而教材只講解關(guān)于模擬式儀表的相關(guān)知識，數(shù)字式儀表的特征和工作原理很少涉及，這種情況勢必造成課堂教學(xué)與工程實踐應(yīng)用的脫節(jié)。此外，該課程的授課老師大多都沒有在工廠工作的經(jīng)歷，缺乏工程實踐經(jīng)驗。即使是授課經(jīng)驗豐富的老教師，由于多年未深入工廠一線，對于新技術(shù)、新設(shè)備的知識儲備同樣缺乏。這些情況都會造成所培養(yǎng)的學(xué)生跟不上時代的步伐。

1.3 教學(xué)內(nèi)容不能與工程實踐相結(jié)合

目前在高校中對于包括“化工儀表及自動化”課程在內(nèi)的絕大多數(shù)課程都是采用多媒體加板書的講授方式講解概念和定義，依據(jù)教材和大綱來剖析各類儀表和控制技術(shù)的工作原理，這樣的教學(xué)方式確實可以為學(xué)生打下牢固的理論基礎(chǔ)。由于缺少工作現(xiàn)場和設(shè)備與理論知識的一一對應(yīng)，會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時不能對于所學(xué)知識點形成一個具體直觀的印象，這樣的學(xué)習(xí)既容易讓學(xué)生丟失學(xué)習(xí)興趣，也容易讓學(xué)生忘記所學(xué)的理論知識。比如在講到就地安裝儀表和集中安裝儀表的區(qū)別時，如果沒有實際深入到現(xiàn)場，學(xué)生很難想象出這兩種安裝方式的真正特點。雖然可以在教室利用多媒體播放現(xiàn)場圖片，但是與先進儀表和控制裝置直接接觸所得到的信息是不能比擬的。

2 改善教學(xué)效果的思考

2.1 提高教師工程實踐知識儲備

教師是教學(xué)的重要、關(guān)鍵環(huán)節(jié)，作為“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的學(xué)校應(yīng)當(dāng)加強師資培養(yǎng)，提高教師的工程實踐知識儲備。如前所述，當(dāng)前的師資隊伍不僅缺少生產(chǎn)和實踐經(jīng)驗，還缺乏對于相關(guān)行業(yè)最新發(fā)展的了解。為了加強師資培養(yǎng)，一方面，本課程授課教師每學(xué)期都去安慶石化、中鹽紅四方等公司學(xué)習(xí)一周，或參加企業(yè)的科技攻關(guān)，既為企業(yè)解決了難題，也提高了教師自身的工程實踐知識儲備，從而能將化工儀表及自動化相關(guān)行業(yè)的最新發(fā)展傳遞給學(xué)生，使學(xué)校所培養(yǎng)的學(xué)生能夠與時俱進；另一方面，本專業(yè)每學(xué)期都會聘請既掌握高等教育教學(xué)方法和規(guī)律，又具有化工生產(chǎn)和工程實踐經(jīng)驗的高工來為學(xué)生授課，強化學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

2.2 適當(dāng)調(diào)整和豐富教學(xué)內(nèi)容和教具

課程內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生的載體和橋梁，所以“化工儀表及自動化”的課程內(nèi)容同樣要緊跟儀表和控制技術(shù)的發(fā)展步伐。首先，教師根據(jù)自己在企業(yè)的實踐經(jīng)驗，將最新的化工儀表和控制技術(shù)加入到課堂教學(xué)中去，豐富課堂教學(xué)的內(nèi)容；其次，教師利用多媒體技術(shù)來豐富自己的課堂教學(xué)方式，而不是簡單的板書教授和幻燈片放映?？梢詫D片、聲音和動畫相結(jié)合，將傳統(tǒng)的抽象教學(xué)轉(zhuǎn)化為形象、具體、立體的過程演示，這樣的教學(xué)演示能大大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。比如可以將檢測或顯示儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理通過動畫的方式進行展現(xiàn)，同時搭配上教師的板書講解，這樣不僅能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，還能夠解決課程理論知識過于抽象的問題，同時加深了學(xué)生對于儀表基本原理的理解；再次，豐富課堂教學(xué)所要使用的教具，比如常見檢測儀表和控制系統(tǒng)的模型，利用模型并配合多媒體動畫來向?qū)W生講解儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，充分調(diào)動學(xué)生的感官，使學(xué)生對于真實的儀表和抽象的原理能夠具有具體形象的認(rèn)識；此外，“化工儀表及自動化”課程與其他課程有所重復(fù)的部分內(nèi)容可以考慮將其簡化或部分刪除，比如控制系統(tǒng)的部分內(nèi)容就與“過程控制”這門課程有所重復(fù)，可以根據(jù)大綱在教學(xué)時做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和刪減。

2.3 強化實驗和實踐教學(xué)

“化工儀表及自動化”是基于控制儀表和控制技術(shù)的一門課程，因此工程實踐性較強。課程需增加工程實踐內(nèi)容才能讓學(xué)生更加準(zhǔn)確、牢固地掌握儀表和技術(shù)的基本原理和選取方法。首先，我們將“化工儀表及自動化”課程與本專業(yè)的化工專業(yè)實驗相結(jié)合，在專業(yè)實驗中深入講解實驗儀器中所使用的各種儀表的選用原則和工作原理，并在教師和工程師的指導(dǎo)下帶領(lǐng)學(xué)生對專業(yè)實驗中所用到的部分實驗儀器管路進行拆卸和再組裝，在拆裝的過程中讓學(xué)生充分理解儀器儀表的安裝要求和規(guī)則；其次，學(xué)生在本專業(yè)的各種實習(xí)（如生產(chǎn)實習(xí)）中也可以對檢測儀表和控制技術(shù)進行進一步的強化學(xué)習(xí)，請企業(yè)的儀表和控制技術(shù)工程師在企業(yè)現(xiàn)場就地講解先進檢測、顯示儀表和自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍和工作原理，并針對儀表選擇、控制方案、控制技術(shù)等展開分析與討論，讓學(xué)生更加直接地接觸企業(yè)的實際生產(chǎn)工藝，深入了解和掌握現(xiàn)代企業(yè)所使用的儀表和自動控制系統(tǒng)，同時認(rèn)識到課堂和教材所學(xué)的知識與實際工作環(huán)境之間的差異。學(xué)校還可以聘請周邊優(yōu)秀企業(yè)的優(yōu)秀工程師和技術(shù)骨干作為學(xué)校的兼職教師，邀請企業(yè)的一線專家來為學(xué)生上課和做講座[6]，他們可以將豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗在課堂上傳遞給學(xué)生，學(xué)生也可以通過和一線工程師的交流更加深入地了解企業(yè)一線的檢測儀表和控制技術(shù)的使用情況。此外，高校的老師、教授在做科學(xué)研究時也會使用到一些檢測儀表和控制系統(tǒng)，這些儀表和控制技術(shù)和企業(yè)所使用的儀表和自動技術(shù)的原理十分類似甚至相同。因此，可以讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣有選擇地去參觀學(xué)習(xí)老師的科研實驗室，也可以參與到老師的科學(xué)研究中去，這樣既可以學(xué)習(xí)到檢測儀表和控制技術(shù)的基本原理，也可以學(xué)習(xí)到科學(xué)研究的方法，并跟蹤了解最新的科研動向。

3 結(jié)束語

為了使“化工儀表及自動化”課程的教學(xué)內(nèi)容和方式能夠適應(yīng)卓越工程師的培養(yǎng)計劃，筆者從課堂教學(xué)所出現(xiàn)的問題包括課程理論抽象復(fù)雜、課程內(nèi)容不夠與時俱進和缺少工程實踐知識三方面入手，提出了一些改善課堂教學(xué)內(nèi)容和方式的思考和建議。不僅通過提高教師的實踐知識儲備，還通過讓學(xué)生直接接觸到企業(yè)一線的檢測儀表和自動化技術(shù)來讓學(xué)生通過這門課程的學(xué)習(xí)能夠更加直觀和深入地理解儀表和控制技術(shù)的基本原理，掌握扎實的化工儀表和控制技術(shù)的知識，并同時增強了實踐能力，為成為卓越工程師打下堅實的基礎(chǔ)。