爐溫儀表與熱控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

張克勤　王鵬　于鵬飛　于金庫　李偉　曹宏強(qiáng)

【收稿日期】?2019-01-18???【基金項(xiàng)目】?國家自然科學(xué)基金青年基金（51601166）;河北省教改項(xiàng)目（JG2017PY10）

【作者簡介】?張克勤（1962-），女，遼寧朝陽人。碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)椴牧衔锢硇阅芊治觥?/p>

【摘?要】隨著工程教育體系的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)不能很好地滿足培養(yǎng)目標(biāo)的需求，提高工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢在必行?！稜t溫儀表與熱控制》是材料科學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)必修課，具有理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題，通過對(duì)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革，探索出一套全方位培養(yǎng)、考核學(xué)生綜合能力的實(shí)驗(yàn)方法。合理的教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)質(zhì)的教學(xué)條件、完善的考核機(jī)制是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。

【關(guān)鍵詞】?爐溫儀表;熱控制;綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革

【中圖分類號(hào)】?G642.0??【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】?A??【文章編號(hào)】?1005-4634（2019）06-0115-04

0?引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)的重要組成部分，它是以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，將理論與實(shí)踐密切配合的過程【1】。提高工程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量是高等工程教育體系中培養(yǎng)高素質(zhì)工程科技人才的關(guān)鍵【2】。在實(shí)施素質(zhì)教育的現(xiàn)代高等教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在鞏固學(xué)生理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)方面發(fā)揮著非常重要的作用。然而，當(dāng)人們審視和反思傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)“過分強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證理論”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到其應(yīng)有的培養(yǎng)目標(biāo)【3】，要想從根本上提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量就必須借助于綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。為了適應(yīng)新時(shí)期材料專業(yè)培養(yǎng)新型高科技人才的需求，提高學(xué)生運(yùn)用所掌握的知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院不斷地對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革，先后進(jìn)行了材料物理、高分子、金屬材料、無機(jī)材料等專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的重新修訂，圍繞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的撰寫等完成了一系列改革措施，改革后的實(shí)驗(yàn)課程取得了很好的教學(xué)效果。通過實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)生既能加深對(duì)所學(xué)專業(yè)理論的理解，掌握本專業(yè)的基本實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，又能培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)、提出、解決問題的綜合能力與素質(zhì)。

然而，依據(jù)細(xì)化專業(yè)方向設(shè)置的單一課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)，還存在體系不夠完善、內(nèi)容較零散、團(tuán)隊(duì)合作少等問題，不能滿足工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。本文以《爐溫儀表與熱控制》綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，在剖析教學(xué)改革前課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段等環(huán)節(jié)闡述改革方法【4】。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）和運(yùn)作（operate）緊密結(jié)合的形式，使學(xué)生利用實(shí)踐與課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，最終達(dá)到落實(shí)工程對(duì)能力培養(yǎng)要求的預(yù)定目標(biāo)【5-7】。

1?傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式反思

1.1?實(shí)驗(yàn)方法僵化

傳統(tǒng)的《爐溫儀表與熱控制》實(shí)驗(yàn)，根據(jù)理論課的內(nèi)容大致分為以下6個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：熱電偶的原理及使用;熱電偶的鑒別與校驗(yàn);控溫儀表的使用及誤差標(biāo)定;爐溫控制系統(tǒng)整體誤差的分析與標(biāo)定;位式控溫實(shí)驗(yàn);PID控溫實(shí)驗(yàn)【8】。每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，學(xué)生不能對(duì)所學(xué)課程有一個(gè)系統(tǒng)的全面的消化吸收過程，并且對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、所需儀器設(shè)備材料到實(shí)驗(yàn)過程都是由教師規(guī)定的。實(shí)驗(yàn)教材將實(shí)驗(yàn)原理、步驟甚至某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等寫得很清楚。學(xué)生只能被動(dòng)地實(shí)驗(yàn)，按要求機(jī)械操作、按部就班地完成任務(wù)。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的大部分細(xì)節(jié)都由教師事先設(shè)計(jì)確定，大部分可能發(fā)生的問題都由教師安排了解決方案，因而限制了學(xué)生獨(dú)立思考與獨(dú)立設(shè)計(jì)、進(jìn)一步探索的空間。這種教學(xué)方式無疑束縛了學(xué)生的想象和思維，窒息了學(xué)生的創(chuàng)造力。實(shí)驗(yàn)中沒有失敗的體驗(yàn)和成功的喜悅，學(xué)生很難從實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)會(huì)知識(shí)的真諦。

1.2?實(shí)驗(yàn)形式單一

傳統(tǒng)的《爐溫儀表與熱控制》實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)上全班齊步走，不僅規(guī)定學(xué)生同時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，而且要求所有學(xué)生在同一時(shí)間段完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這樣基礎(chǔ)差的學(xué)生消化不了，能力強(qiáng)的學(xué)生不能深入研究。這種無視學(xué)生能力差異和個(gè)性發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不能充分體現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主體地位，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性，使教學(xué)效果大打折扣。

1.3?實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)

高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室，一般是除基建外投資最大的部分，在人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的儀器設(shè)備是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源主體。然而，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備學(xué)生只能在固定的實(shí)驗(yàn)課中使用，其他時(shí)間基本閑置，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率不高，造成實(shí)驗(yàn)資源的隱性浪費(fèi)。

2?《爐溫儀表與熱控制》綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改革探索

2.1?合理編排實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑑?yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院積極發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教師的主導(dǎo)地位，成立課程改革小組，對(duì)《爐溫儀表與熱控制》實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行了包括優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改善實(shí)驗(yàn)條件、綜合考核評(píng)定等全方位的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。改革后的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將以往6個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過合理編排實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、?yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將有關(guān)溫度測量與控制的元器件、測溫儀表、熱控制電路等方面的基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來，以控制目標(biāo)（電爐溫度）的要求為參考點(diǎn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生從熱電偶及控溫儀表的認(rèn)識(shí)鑒別入手，首先了解各種元器件性能，熟悉各種儀表的原理、使用及其誤差校驗(yàn)方法，然后在教師指導(dǎo)下由學(xué)生根據(jù)自己選定的實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，獨(dú)立完成確定實(shí)驗(yàn)方案、擬定實(shí)驗(yàn)程序、選擇實(shí)驗(yàn)儀器，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)完整的控溫電路并進(jìn)行元件安裝、系統(tǒng)調(diào)試、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可行性，之后完成誤差標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科學(xué)短文等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)安排從簡單到復(fù)雜，從局部到整體，從孤立到綜合，從理論到實(shí)踐，與原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相比，新改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生主動(dòng)參與、互動(dòng)、合作交流的積極性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。調(diào)整前后教學(xué)模式與內(nèi)容的變化如表1所示。

該系統(tǒng)由組合電路板、連接導(dǎo)線和溫度調(diào)節(jié)儀、中間繼電器、可控硅、固態(tài)繼電器、各種類型熱電偶、電爐等多個(gè)控溫元器件組成。將以往復(fù)雜笨重的溫度測量與控制系統(tǒng)濃縮在一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)箱中，用清晰明了的組合電路板完成控溫過程的線路安裝。學(xué)生通過使用該系統(tǒng)，將有關(guān)溫度測量與控制的元器件、測溫儀表、熱控制電路等方面的基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。該系統(tǒng)用先進(jìn)的自動(dòng)化儀表與設(shè)備組成自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)溫度實(shí)行精確的、自動(dòng)的測量與控制，體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)與科學(xué)方法的統(tǒng)一，有利于學(xué)生系統(tǒng)的掌握相關(guān)知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)操作技能，有利于推廣素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。該系統(tǒng)自重5kg左右，體積400*400*150（單位mm）。設(shè)計(jì)簡潔，易于攜帶，操作規(guī)范，安全可靠，價(jià)格合理，便于推廣。

2.2?自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改善實(shí)驗(yàn)條件

為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程的系統(tǒng)性，考慮非電類專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)及要求，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院設(shè)計(jì)制作了10套溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.3?合理利用資源，實(shí)行開放式教學(xué)管理

為了充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，實(shí)驗(yàn)室在課程運(yùn)行時(shí)間段，面向相關(guān)學(xué)生全天開放，并為學(xué)生提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和輔助設(shè)備。為了幫助學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院把整個(gè)實(shí)驗(yàn)分成3個(gè)階段，如圖1所示。

1）?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，即構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）階段。在此階段學(xué)生首先根據(jù)自己的實(shí)際情況到實(shí)驗(yàn)室選擇實(shí)驗(yàn)題目，并結(jié)合題目認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)、查閱一定的科技資料，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)完整的控溫電路，寫出包括具體方案、實(shí)施手段、測試方法、工作計(jì)劃與日程安排等的設(shè)計(jì)報(bào)告;然后將設(shè)計(jì)報(bào)告交指導(dǎo)教師審閱，指導(dǎo)教師輔助學(xué)生進(jìn)行可行性分析和設(shè)備應(yīng)用的指導(dǎo)，準(zhǔn)備充分后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1?爐溫儀表與熱控制實(shí)驗(yàn)過程

2）?實(shí)驗(yàn)實(shí)施，即實(shí)現(xiàn)（implement）和運(yùn)作（operate）階段。在此階段，學(xué)生在教師的協(xié)助指導(dǎo)下準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的原材料、設(shè)備、儀器及工具，并進(jìn)一步結(jié)合理論知識(shí)了解掌握儀器設(shè)備的原理、性能、使用方法，同時(shí)對(duì)所選的元件、儀器進(jìn)行必要的鑒別、校驗(yàn)，然后分組討論確定實(shí)驗(yàn)方案，把選好并標(biāo)定好誤差的元件和儀表按自己設(shè)計(jì)的電路組裝控溫回路并運(yùn)行，以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性與科學(xué)性，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況不斷修改方案、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)、完善所需的資料或數(shù)據(jù)。在條件允許的情況下，對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)，可以增加實(shí)驗(yàn)難度，設(shè)計(jì)若干控溫電路并根據(jù)情況安裝調(diào)試，充分調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3）?實(shí)驗(yàn)總結(jié)。在此階段學(xué)生要根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析討論出現(xiàn)的問題，整理歸納實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，提出改進(jìn)措施，形成完整的總結(jié)報(bào)告，在寫總結(jié)報(bào)告的過程中培養(yǎng)概括科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。

2.4?全方位考核學(xué)生的綜合能力

由于開放性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)更加注重學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，所以考核方法也應(yīng)該與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方法有所不同。為了更好地對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能等多方面的綜合評(píng)定，《爐溫儀表與熱控制》實(shí)驗(yàn)中教師安排3人一組，每人一套設(shè)計(jì)方案，該部分主要考查學(xué)生理論知識(shí)準(zhǔn)備情況和科技資料查詢情況（占總成績的30%）。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，學(xué)生分組討論個(gè)人設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，并進(jìn)行安裝調(diào)試。在整個(gè)安裝調(diào)試過程中，小組同學(xué)之間互相督促進(jìn)度、檢查錯(cuò)誤，保障設(shè)計(jì)方案的順利完成，該部分主要考查學(xué)生操作是否規(guī)范認(rèn)真，?是否充分體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神（占總成績的40%）。完成安裝調(diào)試后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，逐步形成一個(gè)比較完整的總結(jié)報(bào)告。該部分主要考查學(xué)生獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和概括科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力（占總成績的30%）。

3?改革效果梳理

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革效果，學(xué)院選擇2016～2018年連續(xù)3年開設(shè)《爐溫儀表與熱控制》綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的12個(gè)班級(jí)，共365份實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行了重新梳理（見圖2）。結(jié)果顯示，57%的同學(xué)認(rèn)為強(qiáng)化了理論知識(shí);86%的同學(xué)認(rèn)為提高了動(dòng)手能力;93%的同學(xué)提到對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。很多同學(xué)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中都談了自己的感想，并對(duì)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提出了很好的建議。大部分同學(xué)都認(rèn)為改革后的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)無論是對(duì)理論知識(shí)的掌握，還是對(duì)動(dòng)手能力的培養(yǎng)都有很大作用，特別是培養(yǎng)了自身的團(tuán)隊(duì)合作精神和學(xué)習(xí)興趣。

圖2?改革效果柱形圖

4?結(jié)束語

改革后的《爐溫儀表與熱控制》綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到安裝調(diào)試，從能力考核到總結(jié)報(bào)告，都充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的教學(xué)理念。實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，不僅使學(xué)生的自主性、能動(dòng)性得到充分發(fā)揮，而且動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力都得到明顯的提升，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)體合作精神和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

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【責(zé)任編輯?孫菊】

Exploration?on?experimental?teaching?innovation?of?furnace

temperature?instrument?and?heat?controlling

ZHANG?Ke-qin1，2，3，WANG?Peng1，2，3，YU?Peng-fei1，2，3，YU?Jin-ku1，2，3，LI?Wei1，2，3，CAO?Hong-qiang4

（1.?Metastable?Materials?Science?&?Techhology?SKL，Qinhuangdao，Hebei?066004，China;

2.?Material?Comprehensive?Experimental?Teaching?Demonstration?Center，Yanshan?University，Qinhuangdao，Hebei?066004，China;

3.?College?of?Materials?Science?and?Engineering，Yanshan?University，Qinhuangdao，Hebei?066004，China;

4.?School?of?Mechaincal?Engineering，Yanshan?University，Qinhuangdao，Hebei?066004，China）

Abstract

With?the?rapid?development?of?engineering?education?system，?the?traditional?experimental?teaching?mode?cannot?meet?the?needs?of?training?objectives.?It?is?imperative?to?promote?the?reform?of?engineering?experimental?teaching?in?order?to?improve?the?experimental?teaching?quality.?"Furnace?Temperature?Instrument?and?Thermal?Control"?is?a?compulsory?course?for?related?majors?in?the?field?of?material?science，?with?the?characteristics?of?laying?equal?emphasis?on?theory?and?practice.?In?view?of?the?problems?existing?in?the?traditional?experimental?teaching?mode，?this?paper?explores?a?set?of?experimental?methods?for?cultivating?and?assessing?students′?comprehensive?ability?in?an?all-round?way?through?the?teaching?reform?of?comprehensive?design?experiment.?The?results?show?that?reasonable?teaching?content，?high?quality?teaching?conditions?and?perfect?assessment?mechanism?are?effective?ways?to?improve?the?quality?of?experimental?teaching.

Keywords

furnace?temperature?instrument;?thermal?control;?comprehensive?design?experiments;?teaching?reform