新工科背景下《化工儀表及自動(dòng)化》教學(xué)改革探索

李彥君，韓曉莉，杜玉朋

(煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái))

一 引言

《化工儀表及自動(dòng)化》是一門基于自動(dòng)控制學(xué)科、儀器儀表學(xué)科及計(jì)算機(jī)學(xué)科的理論實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)中過程控制管理的應(yīng)用實(shí)踐類課程。學(xué)習(xí)和掌握必要的儀表檢測(cè)及自動(dòng)化方面的知識(shí)可使學(xué)生理解現(xiàn)代復(fù)雜的化學(xué)工業(yè)過程中單元設(shè)備和控制系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理，并與相關(guān)專業(yè)人員共同協(xié)商完成新工藝的控制方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)有工藝的改進(jìn)工作。

隨著工程教育認(rèn)證工作的持續(xù)推進(jìn)，基于成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education, 簡(jiǎn)稱OBE）[1]的教學(xué)改革理念已成為現(xiàn)階段我國(guó)高等教育發(fā)展的重要指導(dǎo)思想。為適應(yīng)新興技術(shù)在科技及產(chǎn)業(yè)升級(jí)方面的變革，2017 年教育部提出了發(fā)展新工科專業(yè)的倡導(dǎo)[2]，對(duì)工程教育工作提出了新的要求，旨在促進(jìn)工程教育變革新理念、創(chuàng)生新形態(tài)、構(gòu)建新模式和生產(chǎn)新質(zhì)量，改變現(xiàn)有的后發(fā)“跟跑”方式，實(shí)現(xiàn)自主“領(lǐng)跑”的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，賦能高質(zhì)量人才強(qiáng)國(guó)建設(shè)[3]，這使工程教育認(rèn)證工作進(jìn)入了新工科時(shí)期。在新工科的背景下，為順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，如何轉(zhuǎn)變《化工儀表及自動(dòng)化》傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和工程意識(shí)以滿足化工專業(yè)發(fā)展和企業(yè)對(duì)于人才的需求是當(dāng)前該門課程教學(xué)改革的重點(diǎn)[4-6]。

本文在總結(jié)我?！痘x表及自動(dòng)化》課程現(xiàn)階段教學(xué)過程中存在的問題和筆者近年來(lái)教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，闡述了新工科建設(shè)背景下，課程融合實(shí)踐與新技術(shù)改革的思路和方法，以促進(jìn)該門課程教學(xué)效果的提升，構(gòu)建能夠適應(yīng)新工科發(fā)展要求的有質(zhì)量有內(nèi)涵的課程體系，實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)效益的最大化。

二 目前的教學(xué)現(xiàn)狀及問題

《化工儀表及自動(dòng)化》是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門基礎(chǔ)理論課程，包含了高等數(shù)學(xué)、化工原理、電子電工學(xué)和自控理論等交叉領(lǐng)域的內(nèi)容[7]，課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)，可為學(xué)生今后從事相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)工作提供一定的基本技能。然而，由于課程中涉及一些物理模型和數(shù)學(xué)公式，加之偏多的教學(xué)內(nèi)容和較少的課時(shí)安排，使得學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的難度有所加大，難以在短時(shí)間內(nèi)消化和理解所學(xué)內(nèi)容。在新工科建設(shè)的背景驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)的教學(xué)模型已無(wú)法滿足化工專業(yè)對(duì)未來(lái)關(guān)鍵性、前沿性和創(chuàng)新性工程科技人才的培養(yǎng)需要。該課程目前在教學(xué)過程中存在的主要問題有以下幾個(gè)方面：

（一） 培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱中未突出工程教育

工程教育是大學(xué)與社會(huì)深度交融的產(chǎn)物，是將科學(xué)技術(shù)知識(shí)應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中時(shí)所衍生出的專業(yè)特色教育，其需求與經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)同向同行，培養(yǎng)具有工程意識(shí)的人才是各專業(yè)工程教育的核心任務(wù)[8]。傳統(tǒng)的授課方式多注重理論教學(xué)，側(cè)重于數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)和介紹，忽視了工廠的實(shí)際應(yīng)用，從而使整個(gè)授課過程枯燥無(wú)趣。同時(shí)，學(xué)生缺少對(duì)化工系統(tǒng)過程及單元設(shè)備的了解，無(wú)法真實(shí)感受到該課程的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，導(dǎo)致對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，產(chǎn)生迷茫感。

（二） “教”“學(xué)”分離情況嚴(yán)重

傳統(tǒng)教學(xué)范式重知識(shí)輕能力、重課堂輕實(shí)踐、重成績(jī)輕育人的情況較為普遍，教師往往拘泥于填鴨式教育，認(rèn)為學(xué)生對(duì)化工儀表及自動(dòng)化的學(xué)習(xí)過程就是將課本知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工和應(yīng)用，無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的積極性和主體性，導(dǎo)致其課堂參與度較低，造成“教”與“學(xué)”相隔離的現(xiàn)象發(fā)生。此外，在這種教學(xué)范式下，由于學(xué)生全程缺少對(duì)化工設(shè)備的實(shí)際體驗(yàn)感，不能培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，這也違背了工程教育的初衷。

（三） 課程內(nèi)容更新程度低

新工科是工程教育發(fā)展的新態(tài)勢(shì)，囊括了新型工科（傳統(tǒng)工程學(xué)科專業(yè)的轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)）、新生工科（不同科學(xué)交叉催生的新學(xué)科專業(yè)）和新興工科（新出現(xiàn)的學(xué)科專業(yè)）[8]。《化工儀表及自動(dòng)化》作為一門傳統(tǒng)的化工類專業(yè)課程，在新工科建設(shè)的要求下就是要盤活其“存量改革”，將當(dāng)今一些新興技術(shù)包含在授課內(nèi)容中，使其進(jìn)行必要的改造和升級(jí)，使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容產(chǎn)生新鮮感和濃厚的興趣，這會(huì)增強(qiáng)課程的新穎性和時(shí)代性，引發(fā)學(xué)生的關(guān)注度，拓寬視野，使其擺脫傳統(tǒng)化工生產(chǎn)的落后印象，塑造未來(lái)化學(xué)工業(yè)綠色化、智能化和集約化的生產(chǎn)模式，增強(qiáng)職業(yè)榮譽(yù)感和認(rèn)同感。

（四） 課程實(shí)踐內(nèi)容少

相比于其他學(xué)校，我?！痘x表及自動(dòng)化》的課時(shí)數(shù)共32 學(xué)時(shí)，這些課時(shí)數(shù)通常只用于理論教學(xué)，無(wú)法安排專門的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺少接觸和參與基礎(chǔ)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，不利于實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（五） 課程考核形式單一

課程基本以試卷和平時(shí)作業(yè)等反映知識(shí)掌握程度的簡(jiǎn)單考核為主，關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)的積累和簡(jiǎn)單應(yīng)用，這種考核方式具有一定的片面性，會(huì)造成學(xué)生在考前進(jìn)行突擊學(xué)習(xí)，應(yīng)付考試過程。平時(shí)作業(yè)方面，由于作業(yè)所需知識(shí)點(diǎn)相同，區(qū)分度不大，無(wú)法反映學(xué)生實(shí)際應(yīng)用知識(shí)的水平。

針對(duì)目前課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，需以新工科建設(shè)要求為導(dǎo)向，通過對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等方面進(jìn)行改革，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

三 課程教學(xué)改革措施

（一） 做好頂層設(shè)計(jì)，創(chuàng)新教學(xué)方法

頂層設(shè)計(jì)是教學(xué)過程有法可依的重要制度保障，可體現(xiàn)出工程教育在《化工儀表及自動(dòng)化》課程中的關(guān)鍵作用。在新工科背景下，為了能突出學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力，就需要不斷的創(chuàng)新和完善教學(xué)方法以滿足新形勢(shì)下課程不斷發(fā)展的要求，具體可從以下幾個(gè)方面展開：

（1）通過調(diào)整培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，將工程教育落實(shí)到課程教學(xué)過程中。在工程教育認(rèn)證的要求下，我們對(duì)培養(yǎng)方案進(jìn)行了及時(shí)的調(diào)整。在原培養(yǎng)方案中，理論課程的課時(shí)數(shù)偏多，造成實(shí)踐類課程課時(shí)數(shù)不足，無(wú)法充分地培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。在新的培養(yǎng)方案中，增加了一些具有實(shí)踐類性質(zhì)的課程，如《化工課程設(shè)計(jì)》《仿真工廠實(shí)習(xí)》等，這些課程的加入可提高學(xué)生對(duì)于化工過程的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，增加主體能動(dòng)性。此外，培養(yǎng)方案中也對(duì)設(shè)課時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整，將《化工儀表及自動(dòng)化》由原來(lái)的第七學(xué)期調(diào)整到第六學(xué)期開課，在該學(xué)期中還增加了《化工課程設(shè)計(jì)》課程，這樣安排可使學(xué)生將《化工儀表及自動(dòng)化》中關(guān)于儀表檢測(cè)和系統(tǒng)控制等方面的內(nèi)容應(yīng)用到《化工課程設(shè)計(jì)》課程中，而《化工課程設(shè)計(jì)》課程也可作為《化工儀表及自動(dòng)化》的理想載體讓學(xué)生對(duì)該課程的實(shí)用性有較為明確的認(rèn)知，這種及時(shí)的相互反饋可積極的促進(jìn)兩種課程的教學(xué)效果，達(dá)到1+1 ＞2 的目的。另一方面，在教學(xué)大綱中適當(dāng)?shù)卦黾訉?shí)踐類的內(nèi)容也可促進(jìn)本課程的教學(xué)，實(shí)現(xiàn)工程教育的課程化目標(biāo)。教學(xué)大綱的改變?yōu)榻處煹慕虒W(xué)過程提供了明確的指導(dǎo)和具體的要求，教師可準(zhǔn)確地把握課程內(nèi)容中的重難點(diǎn)，充分發(fā)揮自身的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。

（2）靈活教學(xué)手段，提高授課效率。目前，我?！痘x表及自動(dòng)化》課程基本上仍以課堂理論教學(xué)為主，繁多的知識(shí)點(diǎn)、公式以及較為抽象的理論概念，增加了學(xué)習(xí)中的難度?！痘x表及自動(dòng)化》作為一門極具實(shí)踐性的應(yīng)用型課程，將這些抽象的理論實(shí)物化、應(yīng)用化、立體化是學(xué)生易于接受的方式。因此，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，如何把枯燥的問題講得生動(dòng)，把難以理解的晦澀問題講得通透，把每節(jié)課程中的重難點(diǎn)講得突出，做到主題明確，邏輯順暢，理論聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生的發(fā)散思維，鍛煉其創(chuàng)新能力是每位教師努力的方向。為更好地配合教學(xué)，充分調(diào)到學(xué)生的積極性，在課程教學(xué)中，通過多媒體的圖片、動(dòng)畫、聲音等信息加工模式將知識(shí)點(diǎn)描述的更加直觀、形象、具體，有利于學(xué)生對(duì)于課程內(nèi)容的掌握。同時(shí)將常用的儀表類實(shí)物（如熱電偶、壓力表、壓力傳感器等）可帶到課堂中進(jìn)行輔助教學(xué)，并通過電路的鏈接實(shí)現(xiàn)基本功能展示，進(jìn)而使學(xué)生切實(shí)感受基本檢測(cè)儀表等知識(shí)點(diǎn)的實(shí)用性，了解其結(jié)構(gòu)原理。此外，由于課程時(shí)間的限制，在課程上我們將更加突出該門課程的實(shí)踐性，其理論性部分借助慕課、雨課堂、課程派、微課等手機(jī)APP 軟件讓學(xué)生進(jìn)行自主的線上學(xué)習(xí)和隨機(jī)測(cè)試，利用視頻時(shí)間的靈活性滿足各主要知識(shí)點(diǎn)的獨(dú)立完整性，以改善板書加課件的授課模式，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)探索欲望。

（3）賽教融合，拓展知識(shí)延展性。學(xué)科競(jìng)賽為學(xué)生將理論知識(shí)用于實(shí)際生產(chǎn)過程提供了良好的融會(huì)貫通的機(jī)會(huì)，通過參加學(xué)科競(jìng)賽，可以培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新精神，調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力，塑造其科學(xué)和工程思維，有助于提高對(duì)工程教育的理解[9]。近年來(lái)，我?；I(yè)十分重視學(xué)生對(duì)于各項(xiàng)賽事的參與情況，積極鼓勵(lì)本專業(yè)學(xué)生報(bào)名參加各類專業(yè)競(jìng)賽，例如全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽，全國(guó)化工實(shí)驗(yàn)大賽，三創(chuàng)（創(chuàng)新、創(chuàng)意和創(chuàng)業(yè)）大賽等。其中，全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽與本門課程密切相關(guān)，學(xué)生在參與設(shè)計(jì)競(jìng)賽的過程中，需要綜合應(yīng)用所學(xué)的儀器儀表及控制系統(tǒng)等相關(guān)知識(shí)，并由專業(yè)教師對(duì)參賽作品進(jìn)行指導(dǎo)和完善，然后通過校內(nèi)答辯擇優(yōu)推薦參加華北賽區(qū)及全國(guó)比賽。在此機(jī)制的保障下，我校學(xué)生屢獲佳績(jī)，拿到過全國(guó)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)（2018 年）的好成績(jī)。競(jìng)賽結(jié)束后，部分專業(yè)教師會(huì)對(duì)這些參賽作品的內(nèi)容進(jìn)行挑選，如本課程較為關(guān)注作品中工藝儀表控制部分的內(nèi)容，并將其作為教學(xué)案列在課程上進(jìn)行講解。參加競(jìng)賽不僅能夠加深參賽的部分同學(xué)對(duì)化工儀表與自動(dòng)控制原理的理解和認(rèn)識(shí)，而且通過對(duì)本專業(yè)學(xué)生參賽作品在課堂上的再分析，可以拉近不同年級(jí)學(xué)生間的距離，讓學(xué)習(xí)本課程的學(xué)生感受往屆學(xué)生的創(chuàng)新精神和知識(shí)的實(shí)用性，不抗拒對(duì)化工儀表知識(shí)的學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)賽教融合的和諧發(fā)展。

（二） 改善教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)興趣

隨著自動(dòng)化控制水平的不斷提高，一些新技術(shù)逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)過程中，因此為滿足現(xiàn)代化工生產(chǎn)的需求，需要對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和編排。去掉課程中一些陳舊的內(nèi)容，減少對(duì)理論方法的分析，將內(nèi)容做精；同時(shí)也要增加一些新興技術(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的研究成果和實(shí)例，將當(dāng)今熱門的一些技術(shù)如智能制造、人工智能、大數(shù)據(jù)及智能工廠等與自動(dòng)化相關(guān)的內(nèi)容逐步加入到課堂教學(xué)中，增加課程內(nèi)容的廣度，拓寬學(xué)生的視野，提高其學(xué)習(xí)本門課程的興趣，增強(qiáng)今后從事化工相關(guān)類行業(yè)的信心。然后將新興技術(shù)遇到的一些問題和課程的知識(shí)聯(lián)系在一起分析和講解，給課堂教學(xué)注入新鮮感，吸引學(xué)生的注意力，提高教學(xué)質(zhì)量。重新整合和編排的課程知識(shí)模塊如圖1 所示，在各個(gè)主要的知識(shí)模塊中，通過分析其內(nèi)容特性，將智能制造等熱點(diǎn)技術(shù)及最新的研究成果融入到傳統(tǒng)儀表課程的內(nèi)容中，建立兩者間的聯(lián)系，使學(xué)生既能體會(huì)到新技術(shù)所帶來(lái)的變革紅利又能感受到傳統(tǒng)學(xué)科未來(lái)發(fā)展的勃勃生機(jī)，實(shí)現(xiàn)在新工科背景下新舊交融、求實(shí)創(chuàng)新、與時(shí)俱進(jìn)的課程改革新目標(biāo)。

圖1 課程教學(xué)內(nèi)容知識(shí)模塊

另一方面，《化工儀表及自動(dòng)化》是一門理論與實(shí)踐兼?zhèn)涞恼n程，其實(shí)踐部分是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和動(dòng)手能力的重要載體。由于我校課時(shí)數(shù)的限制，該門課程并未安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這在一定程度上減少了學(xué)生及時(shí)參與課程實(shí)踐的機(jī)會(huì)。為了能夠提高學(xué)生對(duì)本課程實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，我們?cè)谟邢薜恼n時(shí)數(shù)下，依托與東方仿真控制技術(shù)有限公司合作建立的煤制甲醇半實(shí)物仿真教學(xué)工廠（2019 年建成）這一新的教學(xué)平臺(tái)，從課堂教學(xué)中拿出4 個(gè)課時(shí)的時(shí)間安排學(xué)生分批分組進(jìn)入仿真工廠進(jìn)行初步的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)（圖2），了解檢測(cè)儀表和執(zhí)行器的類型和結(jié)構(gòu)，以及各檢測(cè)點(diǎn)的排布等實(shí)際情況，結(jié)合仿真工廠的工藝流程，通過課前預(yù)習(xí)- 實(shí)習(xí)參觀- 現(xiàn)場(chǎng)問答- 課后談?wù)摰纫幌盗信e措，借助這種看得見、摸得著的教學(xué)過程讓學(xué)生能夠?qū)x表及自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用背景和實(shí)現(xiàn)方式有更加深刻的認(rèn)識(shí)，有助于對(duì)所學(xué)知識(shí)的消化和吸收。此外，通過培養(yǎng)方案的調(diào)整，在同一學(xué)期還開設(shè)了《化工課程設(shè)計(jì)》課程。在此課程中，學(xué)生自由組隊(duì)分成幾個(gè)設(shè)計(jì)小組，在給定設(shè)計(jì)題目后，通過討論交流，根據(jù)化工儀表和自動(dòng)控制的要求和標(biāo)準(zhǔn)，繪制管道及儀表流程圖（Piping and Instrumention Diagram,簡(jiǎn)稱PID 圖）。此課程的開設(shè)將本課程中的基礎(chǔ)知識(shí)及時(shí)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，通過多課程間的協(xié)作，拓展了教學(xué)空間，鍛煉了學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

圖2 煤制甲醇半實(shí)物仿真教學(xué)工廠

（三） 強(qiáng)化過程考核，豐富考核方式

為提高學(xué)生綜合應(yīng)用課程知識(shí)的能力，根據(jù)《化工儀表及自動(dòng)化》課程性質(zhì)及工程教育認(rèn)證的要求，在本課程的考核中增加了過程考核的比重，加大了學(xué)生平時(shí)對(duì)課程內(nèi)容掌握程度的關(guān)注，建立了多元化考核的長(zhǎng)效機(jī)制（表1）。在此考核中，不但強(qiáng)調(diào)課程基礎(chǔ)知識(shí)的積累，還要注意培養(yǎng)學(xué)生的工程化思路及實(shí)踐創(chuàng)新能力，考核內(nèi)容將期末考試（考察基礎(chǔ)知識(shí)）、平時(shí)表現(xiàn)（考察基礎(chǔ)知識(shí)）、課后討論（考察工程化思維及實(shí)踐創(chuàng)新能力）、仿真工廠實(shí)習(xí)（考察實(shí)踐創(chuàng)新能力）緊密結(jié)合在一起，以達(dá)到全面衡量學(xué)生綜合能力的目的。通過考核方式的改革，學(xué)生對(duì)本門課程的熱情明顯提升，肯定了課程的實(shí)用性，更愿意參與到課程教學(xué)的互動(dòng)過程中，對(duì)于工藝和控制等相關(guān)概念的興趣也得到了增強(qiáng)，使學(xué)生不僅能更好的掌握所需的基礎(chǔ)理論知識(shí)，還增加了實(shí)踐的機(jī)會(huì)，有效地促進(jìn)了本課程的教學(xué)效果。

表1 多元化考核構(gòu)成及占比

四 結(jié)語(yǔ)

在新工科建設(shè)背景下，工程教育進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期，為順應(yīng)高等教育新形勢(shì)下的發(fā)展需求，《化工儀表及自動(dòng)化》的課程改革已在不斷地進(jìn)行和探索中。本文針對(duì)目前課程教學(xué)的問題，從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等三個(gè)方面進(jìn)行了課程改革的分析和討論，以期為傳統(tǒng)化工課程改革提供思路。通過上述改革，明顯提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，鍛煉了當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)具有現(xiàn)代工程思維和全局觀的高層次應(yīng)用型人才貢獻(xiàn)力量。