陳畢勝?郭蘭蘭

摘要：實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是“熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)”課程教學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵。以該課程教學(xué)內(nèi)容、課程體系和教學(xué)方法改革為核心，開(kāi)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)研究工作，針對(duì)目前該課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題，提出了課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革的設(shè)計(jì)思想和方法。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，改革設(shè)計(jì)思想的實(shí)施既能滿足課程教學(xué)的要求，也能滿足后續(xù)課程對(duì)熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)知識(shí)的需求，還能因材施教滿足部分優(yōu)秀學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)的需求，效果較好。

關(guān)鍵詞：熱工過(guò)程；自動(dòng)調(diào)節(jié)；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：陳畢勝（1977-），女，湖北崇陽(yáng)人，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，講師；郭蘭蘭（1979-），女，山東昌邑人，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，講師。（山東 青島 266590）

基金項(xiàng)目：本文系2010年山東科技大學(xué)教育教學(xué)研究“群星計(jì)劃”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：qx102031）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）05-0103-02

“熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)”課程是熱能與動(dòng)力工程、火電廠集控運(yùn)行和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化等專業(yè)或?qū)I(yè)方向的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要內(nèi)容是結(jié)合熱工過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)及其發(fā)展，應(yīng)用火力發(fā)電廠中自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)例加以分析，有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。開(kāi)設(shè)本課程的目的是使學(xué)生掌握自動(dòng)調(diào)節(jié)的基本理論，了解火力發(fā)電廠熱工過(guò)程中主要的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，掌握發(fā)電廠自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本分析、整定方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程、拓寬專業(yè)知識(shí)面、開(kāi)拓新的技術(shù)領(lǐng)域以及從事專業(yè)工作打下必要的基礎(chǔ)。

注重工程實(shí)際的交叉與關(guān)聯(lián)，是教好該課程的關(guān)鍵，因此該課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少，且尤為重要。一般該課程設(shè)置為2～3學(xué)分，36～60學(xué)時(shí)，其中課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)4～6學(xué)時(shí)。以期通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)鞏固學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和實(shí)踐能力，完成對(duì)實(shí)際工程狀態(tài)的熟悉及工程操作的學(xué)習(xí)，把知識(shí)真正融入實(shí)踐。因此，在全面了解相關(guān)院校該課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置情況和社會(huì)對(duì)該專業(yè)的需求的情況下，在發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)學(xué)科特色的基礎(chǔ)上，融入了高新技術(shù)知識(shí)，以本課程教學(xué)內(nèi)容、課程體系和教學(xué)方法改革為核心，開(kāi)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)研究工作。

一、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)況

在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)實(shí)踐的基本手段，是對(duì)課堂知識(shí)的檢驗(yàn)和鞏固，是培養(yǎng)學(xué)生技能的重要手段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)從形式上分為演示型實(shí)驗(yàn)和仿真型實(shí)驗(yàn)兩種，而實(shí)驗(yàn)類型又分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、專業(yè)技能型實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要為應(yīng)知應(yīng)會(huì)等原理性實(shí)驗(yàn)，一般由教師演示講解、學(xué)生觀摩驗(yàn)證即可；專業(yè)技能型實(shí)驗(yàn)主要訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，由教師指導(dǎo)學(xué)生按步驟要求操作完成即可；綜合性實(shí)驗(yàn)是難度較大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，需要學(xué)生獨(dú)立或在教師指導(dǎo)下按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和要求自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等。

“熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)”課程教學(xué)內(nèi)容涵括自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的基本理論，火電廠主要熱工過(guò)程的調(diào)節(jié)整定過(guò)程，電廠集散控制系統(tǒng)（DCS）等。本課程實(shí)踐教學(xué)目前主要是開(kāi)設(shè)課內(nèi)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)和專業(yè)技能型實(shí)驗(yàn)，課內(nèi)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容為基本調(diào)節(jié)過(guò)程（如P、PI、PID等調(diào)節(jié)）的動(dòng)態(tài)特性及基本整定方法，教師通過(guò)課堂演示講解來(lái)實(shí)現(xiàn)；專業(yè)技能型實(shí)驗(yàn)具體可選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有單容水箱動(dòng)態(tài)特性測(cè)取、雙容水箱動(dòng)態(tài)特性測(cè)取、雙容水箱對(duì)象的控制整定與串級(jí)控制系統(tǒng)整定等。目前學(xué)生實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)：?jiǎn)稳菟鋵?duì)象的動(dòng)態(tài)特性測(cè)取以及控制參數(shù)整定、單回路控制和串級(jí)控制系統(tǒng)整定。

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有了較深入理解，且能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的選取對(duì)系統(tǒng)性能的影響，還能對(duì)一般控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)整定，學(xué)生分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力得到了鍛煉，但還存在一些不足：

第一，學(xué)生所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)仍然是傳統(tǒng)的應(yīng)知應(yīng)會(huì)等原理性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦^(guò)程已經(jīng)搭建、約定俗成，由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師統(tǒng)一準(zhǔn)備、介紹、講解、分析和指導(dǎo)，學(xué)生只要按照固定的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程一步一步去完成、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，然后依照模板寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上交，最后由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師批改報(bào)告并給出實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)即可。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在很大程度上限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，缺乏實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備等，不利于學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。[1]

第二，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)是由一套實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)合組態(tài)軟件來(lái)完成，學(xué)生分成若干小組，部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)效果不明顯，還有許多如為什么要這么做、如何來(lái)做等問(wèn)題需要解決。

第三，目前未開(kāi)設(shè)實(shí)際熱力系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程和參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)，有能力、有興趣的學(xué)生得不到鍛煉，無(wú)法發(fā)揮其創(chuàng)造力和實(shí)際動(dòng)手操作能力。

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，通過(guò)課程教學(xué)組的討論分析，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了整合，提出了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革的設(shè)計(jì)思想和方案。

二、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革的設(shè)計(jì)思想

在現(xiàn)有教學(xué)條件基礎(chǔ)上，按照“高等教育要拓寬專業(yè)業(yè)務(wù)范圍，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)訓(xùn)練”的精神，創(chuàng)建了綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，即創(chuàng)建由課堂演示實(shí)驗(yàn)、課外操作實(shí)驗(yàn)、綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)組成的多層次的綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。將課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程分為三部分：

1.課堂演示實(shí)驗(yàn)

在教學(xué)過(guò)程中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行原理性驗(yàn)證演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深入直觀掌握課程基本理論、基本知識(shí)、基本技能，為將來(lái)能熟練地應(yīng)用這些基本技能和方法奠定基礎(chǔ)。

2.課外操作實(shí)驗(yàn)

開(kāi)設(shè)開(kāi)放式自主實(shí)驗(yàn)，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件，一方面可繼續(xù)完成原實(shí)驗(yàn)安排，另一方面可由學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)配套組態(tài)軟件，自行組態(tài)設(shè)計(jì)相關(guān)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以加深學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)應(yīng)用能力。

3.綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)

通過(guò)應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和已掌握的專業(yè)方法和技能，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和綜合素質(zhì)。該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，這類實(shí)驗(yàn)由指導(dǎo)教師給定設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)思路，由學(xué)生分組獨(dú)立完成。

在綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，還補(bǔ)充開(kāi)展了學(xué)生自主性、研究性學(xué)習(xí)。在課堂教學(xué)之余，支持學(xué)生參與教師相關(guān)課題科研項(xiàng)目，參加課外科技實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”設(shè)計(jì)大賽、專利設(shè)計(jì)申請(qǐng)等。這樣不僅可以提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，還可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)研究的基本方法，努力創(chuàng)造條件培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的能力。[2]

三、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革的實(shí)踐與優(yōu)化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生普遍出現(xiàn)的現(xiàn)象和反映的問(wèn)題，為使學(xué)生在較短的時(shí)間里掌握相關(guān)的知識(shí)，在課程講授內(nèi)容和方法、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程安排、評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行了不斷完善。

在“熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)”課程教學(xué)中，為強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，具體將課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計(jì)為三個(gè)模塊，即：熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的工程性實(shí)驗(yàn)、熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的綜合性實(shí)踐。

1.熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

這個(gè)模塊主要實(shí)現(xiàn)課程基本理論的特性演示實(shí)驗(yàn)，由任課教師在課堂教學(xué)過(guò)程中借助MATLAB軟件完成。學(xué)生在課堂就可觀察典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性以及環(huán)節(jié)中各參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性曲線的影響。從簡(jiǎn)單的P調(diào)節(jié)、PI、PD調(diào)節(jié)到PID調(diào)節(jié)，從單回路控制系統(tǒng)到串級(jí)控制系統(tǒng)等，使學(xué)生對(duì)基本原理部分有感性和直觀的認(rèn)識(shí)，以加深對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的理解。課下學(xué)生也可以自己上機(jī)通過(guò)MATLAB軟件自行驗(yàn)證，熟悉基本控制、調(diào)節(jié)原理。

2.熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的工程性實(shí)驗(yàn)

這個(gè)模塊主要實(shí)現(xiàn)課程中基本自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程的參數(shù)整定，由教師指導(dǎo)，學(xué)生利用熱能實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和組態(tài)軟件MCGS，按原則性調(diào)節(jié)過(guò)程要求設(shè)計(jì)并完成單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)和串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)取以及調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)。使學(xué)生對(duì)電廠基本調(diào)節(jié)過(guò)程調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法和參數(shù)選取對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響有直觀認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。

3.熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)的綜合性實(shí)踐

這個(gè)模塊完全以生產(chǎn)實(shí)際為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)課程理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，不僅考察學(xué)生的動(dòng)手能力，要求學(xué)生能夠綜合利用所學(xué)的知識(shí)，獨(dú)立分析、解決生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中遇到的問(wèn)題，而且要協(xié)調(diào)同組人員共同努力才能完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，鍛煉了團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。在該環(huán)節(jié)中，筆者結(jié)合課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)，將學(xué)生分成了若干小組，并借助北京恒河大風(fēng)軟件提供的熱力發(fā)電廠教學(xué)型仿真軟件，完成了工程實(shí)際的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程（如300MW機(jī)組汽包水位控制系統(tǒng)、鍋爐再熱、過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)等）。在該實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生從分析調(diào)節(jié)過(guò)程被控對(duì)象被調(diào)量的動(dòng)態(tài)特性入手，提出了控制調(diào)節(jié)方案，進(jìn)行了不同方案的比較，以論證方案的可行性，總結(jié)被控對(duì)象的特點(diǎn)和實(shí)際可行的控制策略，并完成該控制系統(tǒng)仿真建模和系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定過(guò)程，為工程應(yīng)用提供參考。圖1、圖2為學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的300MW機(jī)組串級(jí)過(guò)熱汽溫系統(tǒng)原則性方案和整定曲線。

“熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)”課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系從結(jié)構(gòu)上遵循由淺入深、由易到難的原則，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)渡到主動(dòng)思考。在實(shí)踐之初，首先由教師介紹原則性的基本方案，并采用提出問(wèn)題、解決問(wèn)題，不斷提出問(wèn)題、不斷解決問(wèn)題的啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法來(lái)組織課堂教學(xué)，傳授給學(xué)生的是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原則，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)基本方案的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力，為了解熟悉現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。然后在課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中由學(xué)生分組討論、設(shè)計(jì)某一熱力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案，完成控制調(diào)節(jié)過(guò)程，以提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)從層次上分為基本實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層次，前者對(duì)全部學(xué)生開(kāi)設(shè)，后者則對(duì)部分優(yōu)秀學(xué)生開(kāi)設(shè)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可充分利用熱能專業(yè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，自己查閱資料，確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力。

在評(píng)價(jià)方法上，不再以學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)參數(shù)的準(zhǔn)確度控制為標(biāo)準(zhǔn)，而是通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生能夠比較系統(tǒng)的、宏觀的掌握電廠熱力控制系統(tǒng)，能夠理論聯(lián)系實(shí)際來(lái)分析、解決所遇到的問(wèn)題，同組學(xué)生之間能夠協(xié)調(diào)完成仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程。[3]

四、總結(jié)

學(xué)生通過(guò)貫穿于“熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)”課程教學(xué)全過(guò)程的三個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐性教學(xué)模塊的學(xué)習(xí)，加深了對(duì)課程重點(diǎn)和難點(diǎn)的理解，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自覺(jué)性。在循序漸進(jìn)的分層次的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生從掌握單一知識(shí)到掌握綜合知識(shí)；從單純的理論知識(shí)到實(shí)際的工程知識(shí)；從被動(dòng)地接受知識(shí)到主動(dòng)地學(xué)習(xí)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)達(dá)到了課程教學(xué)的目的。學(xué)生對(duì)能源動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)電廠）的主要控制調(diào)節(jié)過(guò)程及控制方案等有了更深入的了解，能從系統(tǒng)的、宏觀的角度去了解本專業(yè)的相關(guān)基本知識(shí)。

通過(guò)這兩年的教學(xué)實(shí)踐證明，上述設(shè)計(jì)思想的實(shí)施，既能滿足課程教學(xué)的要求，也能滿足后續(xù)課程對(duì)熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)知識(shí)的需求，通過(guò)因材施教，還能滿足部分優(yōu)秀學(xué)生對(duì)熱工自動(dòng)調(diào)節(jié)知識(shí)的需求，收到了良好的效果。

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（責(zé)任編輯：孫晴）