改革教学与实践,培养合格化工过程控制人才

2022-09-10

前言

化工生产的连续化、大型化、复杂化, 使化工工艺类技术人员必须学习和掌握必要的自动化仪表及控制方面的知识, 《化工过程控制及仪表》课程综合了化工原理、电工电子学及控制技术等学科的理论, 是现代化工工艺控制和化工设计的基础, 其应用范围广、实践性强, 为了适应现代高等教育改革面向未来工艺类人员和未来化工设计类工程师的要求, 为此我校化学工程与工艺 (含卓越实点班) 、油气储运工程、高分子材料与工程和石油化工生产技术等化工工艺类专业均开设了《化工过程控制及仪表》课程。在教学过程中如何体现课程的重要性, 如何提高学生的学习积极性, 如何做到学以致用, 如何把握工艺类学生学习自动化知识的度, 是教学过程中我们不断思考的问题, 也就此展开了一系列的教学改革实践, 取得了一定的成效, 但也还存在一些问题, 亟待深入进行探索。

一、理性分析工艺与仪表的关系, 激发学生的学习积极性

第一堂课务必给学生讲清楚工艺、仪表和控制的关系, 及早给学生植入工艺与自动化仪表不分家的理念至关重要。化工、石油化工企业的生产装置一般都处于高温、高压、有毒的工况之中, 为使生产保持最佳工况, 节约原材料和能源, 保证生产稳定安全运行, 装置中使用了大量仪表和设置了大量的过程控制系统, 因此在装置运行过程中工艺技术人员与仪表技术人员必须相互配合, 才能保证生产装置处于最优的工作状态, 从而产生更好的经济效益;对于将来有可能从事化工工艺设计的学生而言, 更要清楚工艺与仪表的关系, 化工装置的设计是先工艺的设计, 然后才是电气仪表的设计, 电气仪表的设计是在工艺设计基础上进行的, 所以工艺设计时就得考虑应向电气仪表设计人员提供哪些数据、管道设计是否有利于仪表的安装调试和提供的工艺条件能否通过控制来实现等等, 如果不学好这门课自然没有办法做好上述工作, 当然也就不能成为一个合格工艺设计工程师。经过这样一分析, 学生明白不管是以后从事工艺运行还是工艺设计, 学好这门课是必须的, 学习的必要性明确了, 学习的兴趣就自然而然产生了。

二、构建教学内容二条线, 突出学习重点和难点

一个简单的控制系统是由控制对象、测量变送器、控制器和执行器四个环节组成的, 后三个环节其实就是三类仪表, 因此仪表是课程的一条主线, 仪表类型繁多, 不可能面面俱到, 所以教学时只重点选讲目前工程实际中应用较多的二三类仪表, 其他的留给学生自学, 教学中特别强调“师傅领进门, 修行在本人”的教育理念, 如果以后在工作中遇到了不熟悉的仪表, 就应该知道通过向仪表生产厂家索取产品说明书或通过网络查询等方式找资料, 加以学习和研究来达到熟悉设备的目的;工艺技术人员学习仪表只是为使仪表能更好地为工艺服务, 至于仪表是如何生产出来的、制造工艺是什么等并不重要, 所以学生学习仪表应以仪表的结构、工作原理、特点和安装调试等内容为主, 搞清了仪表的这些知识, 以后从事工艺工作就已经足够用了, 因此仪表主线的教学以仪表的结构、工作原理、特点和安装调试等内容作为重点;单独的一个仪表是起不到自动控制作用的, 只有将检测仪表、控制仪表、执行仪表和对象结合起来组成一个系统才能达自动控制的目的, 因此系统是课程的另一条主线, 生产实际中既有简单的控制系统, 也有复杂的控制系统, 复杂系统是以简单系统为基础的, 所以有关系统内容的教学重点是讲透简单控制系统, 从系统的被控变量选择、控制变量的选取、控制方法的确定和调节阀正反作用的选择一直深入控制器参数的整定, 既要让学生知其然, 同时还要让知其所以然, 至于复杂系统重点介绍这类系统能实现何种功能、是如何实现的、有哪些控制方案供选择等内容即可。

三、结合工程实例组织教学

我校过程控制实验装置本身就是一个供水系统的工程实例, 可以进行水位、流量和压力控制实验, 也可以构建前馈、串级和均匀等复杂控制系统, 为了培养学生工程意识, 本课程在第四周就开出第一个实验, 教学内容为熟悉控制系统的组成结构、实验系统中用到了哪些检测仪表和测试水槽对象的特性, 实验过程中要求学生仔细观察实验教学系统, 记录检测仪表和调节阀的型号, 课后要求学生查找资料了解这些仪表的结构、工作原理、特点和安装调试方法等内容, 教学过程中讲解到相关内容时, 让学生回忆实验时看到的、课后查到的和老师讲到的是否相符, 举一反三, 巩固所学的仪表知识;讲授简单控制系统时, 学生已经有了前面实验供水系统的亲身体验, 对系统结构、工作原理和各个部分的作用已了然于身, 不用费多大力气就学会了相关知识;以学生在工艺课程已学过的精馏塔对象质量控制作为工程实例, 讲解被控变量、控制变量的选择原则, 学生有了工艺基础, 学起来就简单易懂;学完PID参数整定后, 再回到实验室做供水压力控制系统实验, 通过实验使学生清楚控制器参数变化时会对系统的过渡过程产生何种影响, 整定出较为合适的PID参数;学习了复杂控制系统后, 让学生在实验室构建一个串级或前馈控制系统, 对比复杂控制系统与简单控制系统的控制效果, 巩固学生所学的复杂控制系统的相关知识。以工程实例组织教学, 增强了学生的学习积极性, 培养了学生的工程意识, 提高了学生分析问题和解决问题的能力。

四、改进实验教学方法, 提高学生的实践动手能力

工艺类专业该课程的实验学时很少, 只有6~8学时, 只能安排三次实验, 第一次是认识实验装置, 熟悉实验设备, 测试对象的特性, 教学中教师采用了启发式的教学方法, 让学生结合所学的知识去了解水位控制系统的结构和系统中所用仪表的型号, 课后查找所用仪表的资料, 提高学生的自主学习能力;第二次是控制器PID参数对系统性能影响及控制器参数整定实验, 要求学生完成水槽水位控制和管道压力控制二个系统的对比实验, 这是一个综合性实验, 要求学生对所学知识了解充分, 实验过程中强调要边实验、边分析、边讨论和边总结, 采用的是讨论式教学方法, 教师在实验过程中设置了一些问题, 引发学生思考和讨论, 寻找问题的解决方案, 并通过实验验证其可行性, 在实验过程中提高学生的分析和解决问题的能力;第三次实验是一个设计性实验, 要求学生根据所学的复杂控制系统知识在实验装置上构建一个串级、前馈或均匀控制系统, 对比简单控制系统分析系统性能在哪些方面得到改善, 采用任务驱动式教学方法, 在实验前二周只给学生布置该次实验的任务, 实验分组进行, 要求学生实验前认真准备, 共同探讨如何完成本组的实验任务, 在实验过程中培养学生从事工程实践的基本能力和团队协作意识。三次实验采用的教学方法各有不同, 但最终考虑的是如何培养学生的实践动手能力, 经近二届学生的教学改革实践, 取得了较好的效果。

五、发挥省级资源共享建设课程优势, 构建一个全新教与学互动平台

我校《化工仪表及自动化》课程2012年获得了广东省资源共享建设课程立项, 二年建设已完成了电子教案、教学课件、授课视频、学习测试系统和教学互动系统等内容的建设, 学生可以上网学习该课程的知识, 也可以上网测试学习效果, 同时可以给教师留言提出学习中的问题, 教师将充分利用这个平台给学生释疑解惑, 为师生的教与学提供了一个全新的平台, 为学生自主学习提供了机会。

总结

经过二年教学改革实践, 发现学生越来越喜欢学习这一课程了, 对教学中的工程案例产生了浓厚的兴趣, 对动手实验的积极性提高了, 工程意识和团队协作精神慢慢增强了, 越来越多学生在网络上与教师互动, 网络平台的桥梁作用逐步发挥作用, 总之, 该课程的教学改革实践取得了较好的效果, 有待于进一步深入进行下去。

摘要：针对化工过程控制及仪表课程的特点, 在调动学生的学习积极性、突出教学重点和难点、以工程案例组织教学、改进实验教学方法和利用资源共享网络教学平台等方面对该课程进行了教学改革与实践, 取得了较好的教学效果, 学生学习兴趣得到了提高, 培养了学生的工程意识和团队协作精神, 提高了学生的分析与解决问题的能力, 达到了教学改革的目标和要求。

关键词：化工过程控制及仪表,教学方法,工程案例,资源共享建设课程,实践动手能力