化工過程安全儀表系統(tǒng)的教學(xué)探索

鄭爭志，錢家盛

（安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，安徽省 合肥市 230601）

為深入落實全國教育大會和《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022年）》精神，貫徹落實新時代全國高校本科教育工作會議和《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，2019年教育部啟動一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬計劃”[1]，安徽大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)以“夯實基礎(chǔ)、強化實踐、突出創(chuàng)新”的培養(yǎng)方式，為國家培養(yǎng)經(jīng)濟建設(shè)需要的化工專業(yè)人才為專業(yè)特色，成為首批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點之一。2017年，安徽大學(xué)已成功進入“雙一流”世界級一流學(xué)科（材料科學(xué)與工程）建設(shè)高校行列。要成為真正的一流專業(yè)，支持世界一流學(xué)科建設(shè)，必須全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務(wù)[2]，以人才培養(yǎng)為中心，理順學(xué)科建設(shè)和專業(yè)建設(shè)之間的關(guān)系，夯實本科教育的“四梁八柱”[3]。

隨著現(xiàn)代化工生產(chǎn)向著大型化、連續(xù)化、復(fù)雜化和自動化方向發(fā)展，這就要求未來從業(yè)者必須掌握足夠多的儀表檢測知識與自動控制技術(shù)[4]?！痘x表及自動化》是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的專業(yè)必修課程，是一門集應(yīng)用自動控制學(xué)科、儀器儀表學(xué)科及計算機等學(xué)科的理論與技術(shù)，服務(wù)于化工生產(chǎn)過程的綜合性技術(shù)課程[5]。通過學(xué)習(xí)該課程，可了解化工自動化的基礎(chǔ)知識，理解自動控制系統(tǒng)的組成、基本原理，在生產(chǎn)和管理中能夠正確地選用和使用儀器儀表，能根據(jù)工藝的要求與自控人員共同討論和提出合理的自動控制方案，為學(xué)生從事工程實踐及進一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識奠定基礎(chǔ)。

安全儀表系統(tǒng)是化工安全概論、化工環(huán)保與安全技術(shù)等生產(chǎn)安全相關(guān)課程中安全素養(yǎng)和工程意識在工作實踐中得以體現(xiàn)的基石。為了切實推動一流學(xué)科建設(shè)，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，緊跟社會和企業(yè)對生產(chǎn)安全的需求，適應(yīng)化工、能源和環(huán)鏡等領(lǐng)域快速發(fā)展對專業(yè)隊伍的新要求，培養(yǎng)立足于實際工業(yè)應(yīng)用的復(fù)合型工程人才，結(jié)合化工儀表及自動化課程和化工過程特點，根據(jù)安徽大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)的實際教學(xué)安排，對化工儀表及自動化課程中加強安全儀表相關(guān)內(nèi)容教學(xué)改革進行探討。

1 以社會和實際安全生產(chǎn)需求為導(dǎo)向，增強教師業(yè)務(wù)水平，不斷完善教學(xué)大綱

適應(yīng)需求是一流專業(yè)建設(shè)目標之一。近幾年來，全國各地的安全事故屢現(xiàn)不止，作為高危行業(yè)，化工企業(yè)乃至化工化學(xué)相關(guān)實驗室中出現(xiàn)安全事故的幾率相對于其他行業(yè)而言較高。這就要求化工行業(yè)技術(shù)人員在具備較強的安全意識的前提下，不僅在工藝設(shè)計和技術(shù)改造過程中能和自控設(shè)計人員提出合理的自控方案，還要具備選擇安全儀表和設(shè)計安全自控系統(tǒng)的能力。針對這一社會和行業(yè)需求，在自控系統(tǒng)教學(xué)過程中加入并強化安全連鎖控制相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)與課程教學(xué)目標、專業(yè)培養(yǎng)目標和一流專業(yè)建設(shè)目標。這不僅需要加強該課程基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，同時通過安全生產(chǎn)實際案例和化工過程安全自控設(shè)計等素材的引入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性，增強學(xué)生實踐和靈活運用知識解決實際問題的能力。

這要求任課教師不僅要具備扎實的相關(guān)專業(yè)知識和工程背景，還要求教師具有嚴謹?shù)倪壿嬎季S能力、提出問題和解決問題的能力。我?；x表及自動化教研組教師本碩博均畢業(yè)于化工相關(guān)專業(yè)，主持或參與多項企業(yè)委托項目，積累了豐富的相關(guān)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。教研組每年組織任課教師進行化工企業(yè)調(diào)研，參加化工專業(yè)教學(xué)研討會和化工安全培訓(xùn)會，與國內(nèi)外同行進行交流學(xué)習(xí)，了解化工企業(yè)的新技術(shù)、新設(shè)備和新需求，提高自身教學(xué)綜合素質(zhì)和化工行業(yè)發(fā)展視野。

在化工儀表及自動化課程學(xué)期的前期，我校化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生已完成了化工企業(yè)見習(xí)、化工環(huán)保與安全技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，具備一定的安全生產(chǎn)意識和化工行業(yè)安全常識。因此，安全儀表系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，是將這些意識具體化、現(xiàn)實化。這就要求不斷積累相關(guān)工程案例、動畫和視頻等教學(xué)素材，同時教學(xué)大綱要根據(jù)實際需求和專業(yè)培養(yǎng)目標及時更新，結(jié)合工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)要求和課程目標，將此部分內(nèi)容在課程目標3中進行具體實施，并在實施過程中根據(jù)教學(xué)評價體系的反饋，不斷改進和完善。

2 改進教學(xué)模式和教學(xué)方法，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的安全意識

本科的專業(yè)教學(xué)，尤其是工科專業(yè)教學(xué)，是基于工業(yè)企業(yè)實際生產(chǎn)應(yīng)用和技術(shù)更新需求，為社會輸送合格的專業(yè)技術(shù)人才。因此要改變傳統(tǒng)的“滿堂灌”多媒體教學(xué)方法，從教學(xué)多方面入手，以實際需求為導(dǎo)向進行多方式教學(xué)。

第一，基本原理、知識點的教學(xué)可采用多媒體動畫與板書相結(jié)合的方式，多媒體動畫可以生動、直觀的演示各種儀表、閥門和聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和操作模式，有助于學(xué)生對知識的理解和掌握。通過合理的板書推導(dǎo)，可以集中學(xué)生上課思路，加深學(xué)生對公式的理解與記憶，與多媒體教學(xué)互補，起到事半功倍的教學(xué)效果。

第二，啟發(fā)學(xué)生思考單個基礎(chǔ)儀表可以用在安全生產(chǎn)的哪些方面，如何和其他儀表組成一個合理的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，比如壓力表、流量計可安裝相應(yīng)的電觸點，在壓力或物料流量大于允許值時，可進行聲音和光的報警，同時啟動泄壓、冷卻劑、相關(guān)物料、電源或氣源閥門，從而在工作人員作出及時反映之前控制危險事故發(fā)生。對于簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過工程案例的講解，鞏固知識要點，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，增強學(xué)生的安全意識。

第三，安全儀表系統(tǒng)內(nèi)容重點講解，讓學(xué)生了解控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，熟知安全儀表系統(tǒng)的安全度等級、評價指標、結(jié)構(gòu)和集成設(shè)計原則，通過2012年蚌埠八一化工廠爆炸等案例，強調(diào)安全儀表系統(tǒng)冗余原則的重要性及其實施方法，使學(xué)生認識到，在實際化工生產(chǎn)過程對安全儀表系統(tǒng)進行設(shè)計的時候，會出現(xiàn)很多失效的情況。所以在進行工藝設(shè)計過程中需結(jié)合冗余設(shè)計原則，根據(jù)其安全度等級考慮裝置和系統(tǒng)的失效率，對可能發(fā)生的各種情況進行分析，通過安全儀表系統(tǒng)應(yīng)對相應(yīng)可能發(fā)生的事故，從而對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計并對各個系統(tǒng)的等級進行研究和認識，進而降低甚至消除事故的發(fā)生。

第四，學(xué)以致用，積極協(xié)調(diào)基礎(chǔ)實驗室和專業(yè)實驗室，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識后，分組對相應(yīng)實驗室安全隱患進行排查，針對可能的危險源，讓學(xué)生提出應(yīng)對或改進方案，并結(jié)合實際情況暢想一下安全儀表系統(tǒng)今后的發(fā)展方向，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”或大作業(yè)的形式進行闡述，對合理的改進方案和建議反饋給相關(guān)實驗室負責人，減小實驗室安全事故的發(fā)生，具有創(chuàng)新性的改進方案鼓勵學(xué)生發(fā)表論文或申請發(fā)明專利。

第五，課程學(xué)習(xí)、考試結(jié)束后，相關(guān)理論知識和安全意識在后續(xù)整個學(xué)習(xí)階段和職業(yè)生涯的學(xué)習(xí)和實踐中得到鞏固和提高。PID圖作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和參加全國化工設(shè)計大賽的參賽重要成果之一，以往的儀表自控方案可能只注重生產(chǎn)過程的自動化控制，而忽略了安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的重要性，還有畢業(yè)實習(xí)過程中大家往往只注意到工藝流程和設(shè)備，而忽視了自控過程和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。通過該課程中檢測儀表（理論基礎(chǔ)）、安全儀表系統(tǒng)和簡單控制系統(tǒng)（設(shè)計應(yīng)用）等內(nèi)容教學(xué)過程對安全意識的不斷強化，使學(xué)生在后期的學(xué)習(xí)和實踐過程中提高安全意識，增強專業(yè)綜合素質(zhì)，并且不斷學(xué)習(xí)提高，使職業(yè)終身收益。

3 完善考核方式和教學(xué)評價體系，教學(xué)持續(xù)化改進

考核是檢驗教師教與學(xué)生學(xué)的效果的重要手段，新的教學(xué)改革要有與之相適應(yīng)的考核方式給予有效支撐。本課程除常規(guī)的課堂練習(xí)（占比5%）、作業(yè)（占比10%）和期末考試（占比70%）外，學(xué)習(xí)過程中還加入了大作業(yè)（占比15%），見表2。對于參加全國化工設(shè)計大賽的同學(xué)，大作業(yè)的內(nèi)容為與大賽相關(guān)的工藝流程中自動控制過程的設(shè)計，包含簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)；對于沒有參加全國化工設(shè)計大賽的同學(xué)，大作業(yè)內(nèi)容為簡單安全自控系統(tǒng)設(shè)計和實驗室安全整改建議。這些大作業(yè)通過學(xué)生以組為單位，在原有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過擴展儀表和自動化知識，查閱相關(guān)文獻、標準規(guī)范，根據(jù)實際情況討論商榷，最終通過設(shè)計成果或“翻轉(zhuǎn)課堂”形式進行書面或語言表達出來，在這個過程中學(xué)生不僅更加系統(tǒng)、深入地掌握理論知識并進行靈活運用，同時還鍛煉了學(xué)生資料調(diào)研、解決實際問題和語言表達能力。通過該環(huán)節(jié)的考核，我校2020-2021學(xué)年第二學(xué)期化工儀表及自動化課程目標3的達成情況良好，除2人外（共78人），均達到0.65的課程目標期望值，如圖1所示。

圖1 課程目標3達成情況分布圖

考核各環(huán)節(jié)結(jié)束后及時對各環(huán)節(jié)和相關(guān)知識點進行分析，形成分析報告，對教學(xué)改革和教學(xué)過程進行全方位評價，效果較好的方式方法繼續(xù)發(fā)揚并加強，薄弱環(huán)節(jié)及時調(diào)整教學(xué)方式方法，進行不斷改進。同時，對全國化工設(shè)計大賽參賽成果、畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)實習(xí)報告中PID圖有關(guān)儀表自動化和安全聯(lián)鎖部分中評委專家、畢業(yè)設(shè)計外審專家和答辯專家提出的寶貴意見要及時整理，并在后續(xù)的教學(xué)過程中給予改進和加強，實現(xiàn)教學(xué)過程的可持續(xù)化改進。

4 結(jié)束語

以建設(shè)面向未來、適應(yīng)需求、引領(lǐng)發(fā)展、理念先進、保障有力的國家級一流專業(yè)為契機，以“雙一流”世界級一流學(xué)科建設(shè)任務(wù)為導(dǎo)向，針對目前化工過程設(shè)計和生產(chǎn)對安全聯(lián)鎖系統(tǒng)要求較高，我?；x表及自動化課程對安全儀表系統(tǒng)的教學(xué)進行了加強和改革，通過梳理安全儀表系統(tǒng)與其它儀表知識網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)新應(yīng)用實踐，完善考核和評價體系并進行持續(xù)化改進，培養(yǎng)了學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)，增強了學(xué)生安全意識，有助于促進企業(yè)安全生產(chǎn)和社會穩(wěn)定，使學(xué)生個人終身受益。