問題導(dǎo)向的“油氣在線分析理論與方法”教學(xué)模式研究

鐘秉翔 聶玲 柏俊杰 孫先武 翁騰飛

[摘 要] 提高研究生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際工程問題的能力，是工科研究生培養(yǎng)的關(guān)鍵問題。該文采用問題導(dǎo)向的教學(xué)模式，以案例教學(xué)、現(xiàn)場仿真實(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，并提出教學(xué)效果評價(jià)方法，探索了一條培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效途徑。

[關(guān)鍵詞] 問題導(dǎo)向;在線分析理論與方法;現(xiàn)場仿真;教學(xué)方法;工程實(shí)踐能力

[基金項(xiàng)目] 2018年度重慶科技學(xué)院研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“問題導(dǎo)向的‘油氣在線分析理論與方法課程改革與實(shí)踐”（YJG2018y010）

[作者簡介] 鐘秉翔（1967—），女，碩士，重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院教授，主要從事智能儀器、在線分析儀器研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0274-02? ? [收稿日期] 2020-03-16

一、概述

油氣在線分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油及天然氣領(lǐng)域，主要提供油氣生產(chǎn)過程中成分量信息，為國家節(jié)能、減排、安全、環(huán)保等發(fā)揮了重要作用[1，2]?！坝蜌庠诰€分析理論與方法”是石油與天然氣工程領(lǐng)域的一門研究生專業(yè)課，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的特點(diǎn)、使用條件及使用范圍。

目前“油氣在線分析理論與方法”課程教學(xué)中存在兩個(gè)主要問題，一是授課內(nèi)容陳舊，主要講授油氣在線分析儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)組成、性能特性和適用場合，缺乏對研究生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際工程問題的能力的培養(yǎng)。二是課程教學(xué)方法來看，教學(xué)主要以教材為主線、以課堂和教師為中心采取講授式教學(xué)，而忽視利用生產(chǎn)現(xiàn)場“問題”為線索引發(fā)的理論提煉和應(yīng)用過程的探討[3]。

本文將改革目前知識本位的課程內(nèi)容，以“解決工程實(shí)際問題”作為課程內(nèi)容的切入點(diǎn)，分析問題產(chǎn)生的原因，查閱文獻(xiàn)資料和技術(shù)資料，提出解決問題的思路和方案，采用開放式的教學(xué)方式，將理論知識、工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合[4]，通過仿真現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)環(huán)境對問題的解決方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加強(qiáng)學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，對工程型研究生教育質(zhì)量的提升具有積極意義。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的整體思路是對實(shí)際油氣現(xiàn)場的工程問題進(jìn)行梳理、提煉，精心組織和編排教學(xué)內(nèi)容。首先，教師以工程實(shí)際作為背景，引入實(shí)際工程問題，引導(dǎo)學(xué)生思考并進(jìn)入相關(guān)在線分析理論知識領(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，并推廣到類似問題中，擴(kuò)大學(xué)生在線分析理論和方法的應(yīng)用范圍，建立發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題到推廣應(yīng)用的思維方法，從而增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用理論知識分析工程問題的能力。

以激光在線分析儀器教學(xué)為例。首先，引入實(shí)際工程案例，某合成氨廠測量合成氣中的氧含量，發(fā)現(xiàn)某國產(chǎn)激光分析儀示值略高于進(jìn)口磁氧分析儀示值，2種氧分析儀到底哪個(gè)分析更準(zhǔn)確呢;然后，組織學(xué)生學(xué)習(xí)激光在線分析儀器理論基礎(chǔ)，分析工藝現(xiàn)場和儀器實(shí)際應(yīng)用場合。經(jīng)過對實(shí)際現(xiàn)場情況的分析，發(fā)現(xiàn)磁氧分析儀產(chǎn)生誤差的原因是樣氣中以H2和CO含量居多，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，所以推斷出激光分析儀表測量結(jié)果是準(zhǔn)確的。最后，推廣應(yīng)用到合成氨廠的尿素工段，測量CO2原料氣中的含氧量。這樣，通過實(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，學(xué)生對工藝過程深入理解，對在線分析儀器的應(yīng)用及適用場所能知其然，并知其所以然。

三、教學(xué)方法

由于學(xué)生缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容對于他們來講顯得枯燥乏味，一味采用傳統(tǒng)的講授法進(jìn)行填鴨式的灌輸，學(xué)生很容易走神。針對學(xué)生缺乏實(shí)際的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，難于將實(shí)際工程問題與理論知識結(jié)合起來，且教學(xué)資源不多，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備幾乎沒有，所以在教學(xué)模式和方法上亟待改進(jìn)和突破。根據(jù)本課程的工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了案例法、現(xiàn)場仿真實(shí)驗(yàn)法。

（一）課程資源建設(shè)。為了培養(yǎng)工程碩士的工程實(shí)踐能力，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、在線視頻及相關(guān)資源和仿真工程現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。案例庫建設(shè)有助于提高學(xué)生對工程問題的認(rèn)識和理解，幫助其理解工程問題的理論基礎(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;根據(jù)課程教學(xué)大綱，建設(shè)在線課程教學(xué)資源，主要包括課件、視頻、習(xí)題庫等資源建設(shè)。制作了石油天然氣行業(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、氣相色譜分析儀、微量水氣體分析儀等在線分析儀器案例視頻。

（二）課程實(shí)踐。根據(jù)教學(xué)大綱要求，任課教師結(jié)合實(shí)際工程案例提出問題，學(xué)生根據(jù)教師提出的工程技術(shù)問題，查找資料，觀看在線視頻，參與在線討論，獲得理論知識和解決工程問題的方案。在仿真現(xiàn)場進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，注重工程問題的分析和解決，在實(shí)踐中將理論知識、工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合。

例如在學(xué)習(xí)天然氣微量水的測量方法時(shí)，引入某天然氣凈化廠采用美國AMETEK 3050水露點(diǎn)分析儀分析凈化處理后的天然氣水分案例。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)，重點(diǎn)分析樣品處理過程中容易引起測量誤差的原因。任課教師在課堂中組織學(xué)生開展專題討論。對比現(xiàn)場氣質(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)樣氣含有的微量醇類、重?zé)N蒸氣，在送入AMETEK 3050前未未將雜質(zhì)過濾干凈，進(jìn)入儀器后污染石英晶體傳感器，造成水露點(diǎn)示值偏高。測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的原因還有未采取伴熱保溫措施，樣氣中水分隨環(huán)境溫度的變化，在管壁上吸附、解吸，甚至冷凝的現(xiàn)象出現(xiàn)，造成水分含量變化等問題。課堂討論后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行工程現(xiàn)場仿真的天然氣微量水檢測實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中觀察樣氣預(yù)處理過程，分析樣氣處理不當(dāng)可能帶來的測量誤差，并提出合理的解決辦法，提高測量精度。

四、教學(xué)評價(jià)

學(xué)生經(jīng)過課程學(xué)習(xí)，如何評價(jià)其學(xué)習(xí)效果？課程評價(jià)方式包括兩個(gè)方面，一方面通過采用測驗(yàn)、作業(yè)、討論、報(bào)告等多方式對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行形成性評估，其中討論過程包括教師評價(jià)、學(xué)生自評和學(xué)生互評，讓學(xué)生參與到評價(jià)環(huán)節(jié)中，提高學(xué)生對課程評價(jià)的參與積極性;通過研究報(bào)告或考試對學(xué)生進(jìn)行終結(jié)性評估。學(xué)生過程性評價(jià)主要以作業(yè)、討論、實(shí)驗(yàn)等成績?yōu)橐罁?jù)，占總成績的40%，形成性評估一般采用開卷形式（報(bào)告或試卷），卷面成績占60%，學(xué)生必須充分關(guān)注平時(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)，養(yǎng)成創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐的習(xí)慣，才有可能在期末開卷的開放性考題中尋找出科學(xué)答案。另一方面，邀請企業(yè)專家、畢業(yè)生參與教學(xué)的評價(jià)，包括課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方式等進(jìn)行評價(jià)。

教學(xué)評價(jià)結(jié)果表明，合理啟發(fā)學(xué)生，共同探究實(shí)踐，能有效地提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，養(yǎng)成創(chuàng)新思維習(xí)慣。根據(jù)師生評價(jià)和企業(yè)專家的評價(jià)結(jié)果，及時(shí)分析教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法是否有利于培養(yǎng)研究生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法，保障研究生課程教學(xué)質(zhì)量，提高研究生工程素養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

五、結(jié)論

針對面向工程應(yīng)用的碩士研究生，通過問題導(dǎo)向的“油氣在線分析理論與方法”課程的教學(xué)改革和實(shí)踐，逐步培養(yǎng)解決工程實(shí)際問題的能力。根據(jù)教學(xué)大綱要求，通過獲取現(xiàn)場實(shí)際工程問題，經(jīng)過梳理和提煉形成基于問題導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法上通過案例教學(xué)、現(xiàn)場仿真實(shí)驗(yàn)等教學(xué)模式，提高學(xué)生的工程意識，促進(jìn)學(xué)生積極思考，發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，并能推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域。因此，在課程教學(xué)中引入問題導(dǎo)向教學(xué)模式是提高學(xué)生工程素養(yǎng)，培養(yǎng)探究精神和工程實(shí)踐能力的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

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[2]王森.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3]曲燕.論問題導(dǎo)向的研究生思維能力培養(yǎng)——以傳熱強(qiáng)化課程體系構(gòu)建為例[J].化工高等教育，2018，35（05）：17-20.

[4]柳玉英，王平，等.研究生現(xiàn)代儀器分析創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019（10）：198-201.

Research on Problem-oriented Teaching Model of Oil and Gas Online Analysis Theory and Methods

Zhong Bing-xiang，NIE Ling，BAI Jun-jie，SUN Xian-wu，WENG Teng-fei

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

Abstract：Improving the ability of graduate students to use theoretical knowledge to solve practical engineering problems is the key to the training of engineering graduate students.In this paper，the problem-based learning mode is adopted.The learning methods including case learning，field simulation experiments are adopted to cultivate students' innovative thinking and practical ability，and the teaching effect evaluation method is proposed.Practice shows that problem-based learning model is an effective way to cultivate students' innovation ability and engineering practice ability.

Key words：problem based learning;online analysis theory and method;field simulation;teaching method;engineering practice ability