“在線分析儀器及應(yīng)用”教學(xué)模式研究與實(shí)踐

鐘秉翔 辜小花 聶玲 楊君玲

摘 要 如何提高本科生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力是應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文采用問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)模式，將在線分析儀器的理論、方法和工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合， 采用案例教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)等教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力。實(shí)踐表明問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)模式是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的有效途徑。

關(guān)鍵詞 問(wèn)題導(dǎo)向 在線分析儀器 工程技術(shù) 教學(xué)模式 工程實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G424? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.12.048

Research and Practice on Teaching Mode of Online Analytical

Instrument and Application

ZHONG Bingxiang， GU Xiaohua， NIE Ling， YANG Junling

（School of Electrical Engineering， Chongqing University of Science & Technology， Chongqing 401331）

Abstract How to improve the ability of undergraduates to use theoretical knowledge to solve practical engineering problems is the key to the cultivation of applied undergraduate talents. In this paper， the problem-based teaching mode is adopted， which combines the theory， method and engineering technology of on-line analytical instrument organically. Case teaching， online and offline mixed teaching， field simulation experiment and other teaching methods are used to cultivate students' innovative thinking and practical ability. Practice shows that the problem-based teaching mode is an effective way to cultivate students' innovation ability and engineering practice ability.

Keywords problem oriented; on line analytical instrument; engineering technology; teaching mode; engineering practice ability

1 概述

在線分析儀器廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵、水泥、電力、環(huán)保等領(lǐng)域，儀器提供的成分量信息是流程工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及其他過(guò)程分析等領(lǐng)域的重要信息源，為國(guó)家節(jié)能、減排、安全、環(huán)保以及為推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)、低碳排放等發(fā)揮了重要作用。[1-2]“在線分析儀器及應(yīng)用”作為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)課程，要求學(xué)生掌握常用在線分析儀器的基本原理和結(jié)構(gòu)組成，熟練掌握各種分析方法、使用條件及使用范圍。

氣體在線分析技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用與研究已有幾十年的歷史了，國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)能力得到較快發(fā)展。但作為一門本科專業(yè)課程在院校開(kāi)設(shè)并不多見(jiàn)，無(wú)論是教材、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，還是教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)都不夠完善，無(wú)法滿足我國(guó)在線分析技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)的需求。我校于2013年在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開(kāi)設(shè)“在線分析儀器及應(yīng)用”課程，目前教學(xué)中存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是授課內(nèi)容比較陳舊，主要講授在線分析儀器的基本原理，包括光學(xué)、電化學(xué)、色譜、質(zhì)譜、熱學(xué)、磁學(xué)、物性分析儀器的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)組成、性能特性和適用場(chǎng)合，缺乏對(duì)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力的培養(yǎng)。二是從課程教學(xué)模式來(lái)看，教學(xué)仍在很大程度上以教材為主線、以課堂和教師為中心采取講授式教學(xué)，授課往往注重現(xiàn)成理論灌輸，學(xué)生在課堂上多是被動(dòng)聽(tīng)課，難于激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。

美國(guó)精神病學(xué)教授霍華德·巴羅斯于1969年首創(chuàng)問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí)法（problem-based learning），它是以解決問(wèn)題為中心的教學(xué)方法，[3]本文將改進(jìn)目前知識(shí)本位的課程體系結(jié)構(gòu)，將問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí)模式引入課程中，以“解決工程實(shí)際問(wèn)題”作為課程內(nèi)容的切入點(diǎn)，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，查閱文獻(xiàn)資料和技術(shù)資料，提出解決問(wèn)題的思路和方案，采用開(kāi)放式的教學(xué)方式，將理論知識(shí)、工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)仿真現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)問(wèn)題的解決方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對(duì)本科課程教學(xué)質(zhì)量的提升具有積極意義。

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的整體思路是將內(nèi)容分為兩大部分，一是在線分析儀器的基本概念和基本知識(shí)，二是各類在線分析儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用，這部分也是教學(xué)改革的主要內(nèi)容。每種在線分析儀器的教學(xué)內(nèi)容按照“具體問(wèn)題—在線分析理論—技術(shù)應(yīng)用—技術(shù)推廣” 的思路進(jìn)行組織和整合。[4]教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)包括三個(gè)步驟：首先，教師以工程實(shí)際作為背景，引入實(shí)際工程問(wèn)題，快速吸引學(xué)生的注意力，引導(dǎo)學(xué)生思考并進(jìn)入相關(guān)在線分析理論知識(shí)領(lǐng)域;然后，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)，深入分析其工作原理;最后將分析技術(shù)理論和方法應(yīng)用到實(shí)際工程中，并加以推廣，從一個(gè)問(wèn)題推廣到一類問(wèn)題中，使學(xué)生明白在線分析理論和方法的應(yīng)用范圍，從而增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析工程問(wèn)題的能力，使其建立起“具體問(wèn)題—在線分析理論—在線分析儀器原理—在線分析儀器應(yīng)用—推廣應(yīng)用”的思維方法。

例如在學(xué)習(xí)激光在線分析儀器時(shí)，分為 3 個(gè)步驟教學(xué)，首先，引入實(shí)際工程案例：某中型合成氨廠，測(cè)量合成氣中的氧含量，測(cè)量范圍 0～1%O2。用戶發(fā)現(xiàn)某國(guó)產(chǎn)激光分析儀示值稍低，進(jìn)口磁氧分析儀示值較高，二者相差約 0.2%O2，認(rèn)為國(guó)產(chǎn)的激光分析儀表不準(zhǔn)，磁氧分析儀測(cè)量值可靠，2 種氧分析儀到底哪個(gè)分析更準(zhǔn)確呢。第二步，引入激光在線分析儀器理論基礎(chǔ)，分析激光分析儀器的工作原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，通零點(diǎn)氣和量程氣時(shí)，兩塊表示值相同（零點(diǎn)氣是高純氮，量程氣是以氮為底氣的氧氣），但通樣品氣時(shí)，兩表示值就出現(xiàn)了差異，說(shuō)明由于背景氣組分對(duì)磁氧分析儀表示值的影響較大，找到磁氧分析儀產(chǎn)生誤差的原因是煤氣發(fā)生爐送來(lái)的半水煤氣是一種混合氣，其中以 H2 和 CO 含量居多，這兩種組分都是順磁性氣體，用戶使用零點(diǎn)氣高純氮校準(zhǔn)零點(diǎn)時(shí)未作零點(diǎn)遷移，所以導(dǎo)致測(cè)量值偏高;激光分析儀表屬于光學(xué)儀器，不受樣氣組分順磁性或逆磁性的影響，激光分析儀表測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的。第三步，進(jìn)一步推廣應(yīng)用在合成氨廠的尿素工段， 當(dāng)用激光和磁氧分析儀同時(shí)測(cè)量 CO2原料氣中的含氧量時(shí)，如果用高純氮校準(zhǔn)磁氧表的零點(diǎn)后未作零點(diǎn)遷移，也會(huì)出現(xiàn)磁氧表示值偏低，而激光表示值較高的現(xiàn)象。因?yàn)?CO2為逆磁性氣體，會(huì)將磁氧表的測(cè)氧示值下拉，用高純氮校零后，應(yīng)將零點(diǎn)向上遷移。這樣，通過(guò)實(shí)際工程案例引入，分析理論基礎(chǔ)和工作原理，分析案例產(chǎn)生原因，并可以進(jìn)一步推廣到冶金、環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。

3 教學(xué)模式研究

學(xué)生缺乏運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力的主要原因是：（1）缺乏實(shí)際的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，難于將實(shí)際工程問(wèn)題與理論知識(shí)結(jié)合起來(lái);（2）課程內(nèi)容涉及到儀器儀表、分析化學(xué)、計(jì)算機(jī)、通訊等技術(shù)領(lǐng)域，知識(shí)交叉，具有綜合性、實(shí)踐性的特點(diǎn)，目前教學(xué)資源不多， 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備幾乎沒(méi)有，僅僅憑借傳統(tǒng)課堂講授等教學(xué)方法只能讓學(xué)生覺(jué)得學(xué)起來(lái)枯燥乏味，知識(shí)點(diǎn)繁多，上課聽(tīng)懂下課就忘的局面，教學(xué)方法需要針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究和實(shí)踐。

3.1 資源建設(shè)

為了通過(guò)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式， 需要建設(shè)培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的教學(xué)資源，包括工程案例庫(kù)、在線視頻及相關(guān)資源和仿真工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。案例庫(kù)建設(shè)有助于提高學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解，幫助其理解工程問(wèn)題的理論基礎(chǔ)和解決辦法，逐漸培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。任課教師深入石油、天然氣、環(huán)保企業(yè)調(diào)研，收集在線分析儀器及系統(tǒng)的應(yīng)用案例，經(jīng)過(guò)分析整理，提煉其中典型的在線分析理論、分析儀表相關(guān)的內(nèi)容，形成課程案例庫(kù)。

由于課程現(xiàn)有的教學(xué)資源有限，根據(jù)課程教學(xué)大綱，確定建設(shè)在線課程教學(xué)資源，主要包括課件、視頻、習(xí)題庫(kù)等資源建設(shè)。視頻的制作是關(guān)鍵，需要認(rèn)真分析大綱教學(xué)要求，問(wèn)題導(dǎo)入合理，分解章節(jié)知識(shí)點(diǎn)，編寫教案，完成 PPT 制作，制作視頻，本課程選取石油天然氣行業(yè)應(yīng)用較多的紅外氣體分析儀、紫外氣體分析儀、激光氣體分析儀、氧分析儀、氣相色譜分析儀、熱導(dǎo)式氣體分析儀、微量水氣體分析儀等十余種在線分析儀器，制作了視頻，由案例導(dǎo)入，分析在線分析理論和方法。

為了密切結(jié)合工程實(shí)際，課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)直接仿真實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)，將天然氣凈化工藝過(guò)程中采用的在線色譜分析儀、微量水分析儀、H2S 分析儀等以及鍋爐煙氣檢測(cè)系統(tǒng)中采用的紅外分析儀及樣品處理系統(tǒng)作為課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中身臨其境，充分理解和掌握油氣在線分析理論和方法。

3.2 教學(xué)實(shí)施

首先由任課教師根據(jù)教學(xué)大綱要求，結(jié)合實(shí)際工程案例或科研課題提出問(wèn)題，能夠體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的探究性和創(chuàng)新性，尤其是提出并討論一些工程應(yīng)用的問(wèn)題，潛移默化地在課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。學(xué)生根據(jù)教師提出的工程技術(shù)問(wèn)題，查找資料，觀看在線資源，收集整理資料，參與在線討論，獲得理論知識(shí)和解決問(wèn)題的各種辦法。在仿真現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件下，將課堂中學(xué)習(xí)、討論的理論和方法在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，在實(shí)踐中將理論知識(shí)、工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合。

例如在學(xué)習(xí)在線微量水分析器時(shí)，首先引入某天然氣凈化廠采用美國(guó) AMETEK 3050 水露點(diǎn)分析儀分析凈化處理后的天然氣水分，但是測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的案例。學(xué)生課前在網(wǎng)上查找類似案例，在課程網(wǎng)站上學(xué)習(xí)在線微量水分析器的分析原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、樣品處理過(guò)程等。在課堂中任課教師積極開(kāi)展各種形式的專題討論，學(xué)生以組別形式進(jìn)行專題討論，針對(duì)專題中出現(xiàn)的問(wèn)題展開(kāi)討論。在研究討論過(guò)程中，對(duì)比氣質(zhì)條件和其它生產(chǎn)廠同類微量水分析器的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)樣氣在送入水露點(diǎn)分析儀前未處理干凈，天然氣中含有的微量醇類、重?zé)N蒸氣污染石英晶體傳感器吸濕涂層，造成水露點(diǎn)示值偏高，屬于樣品處理系統(tǒng)未將雜質(zhì)過(guò)濾干凈。測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確還有未采取伴熱保溫措施，樣氣中水分隨環(huán)境溫度的升降，在管壁上吸附、解吸，造成測(cè)量值忽高忽低等問(wèn)題。課堂討論后又在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)仿真的天然氣微量水檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不僅學(xué)習(xí)微量水分儀的操作，同時(shí)學(xué)習(xí)樣氣的實(shí)際預(yù)處理過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的分析和解決能力。

4 結(jié)論

“在線分析儀器及應(yīng)用”課程通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向的教學(xué)模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握在線分析儀器的理論及分析方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。教學(xué)內(nèi)容的組織方 面，根據(jù)教學(xué)大綱要求，任課教師積極參與行業(yè)企業(yè)調(diào)研，獲取現(xiàn)場(chǎng)第一手資料，在教學(xué)中通過(guò)各種典型案例實(shí)施問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)模式。教學(xué)方式的改革是通過(guò)案例教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)等教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生積極思考，發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，著力提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，實(shí)踐表明在課程教學(xué)中引入問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)模式是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的有效途徑。

基金項(xiàng)目：重慶科技學(xué)院本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目： 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)《在線分析儀器及應(yīng)用》在線課程建設(shè)與實(shí)踐，項(xiàng)目編號(hào)201824

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