王后能，卓旭升

(武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 湖北 武漢 430205)

化工生產(chǎn)過程中需要控制的主要物理量如壓力、流量、物位和溫度等操作參數(shù)，必須通過儀表的轉(zhuǎn)化才能進行顯示與控制[1]，所以，對于化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生，開設(shè)化工儀表及其自動化課程是非常有必要的。對各種儀表和自動化知識的掌握，以及對新式的控制理論的了解可以為他們可能進行的化工自動化的設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)[2]。

在我校的本科培養(yǎng)方案中，化工儀表及自動化課程屬于化工與制藥學(xué)院相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，先修課程一般只有電工電子技術(shù)，這就對授課提出了更高的要求：即能用通俗易懂的語言通過工業(yè)控制系統(tǒng)中的真實案例將生硬的控制原理娓娓道來。

本人從2010年開始一直主講這門課程，下面針對這幾屆教學(xué)過程中的積累和發(fā)現(xiàn)來進行歸納總結(jié)。

1 課程特點分析

我校開設(shè)化工儀表及自動化課程的主要專業(yè)有化學(xué)工程與工藝、侯氏實驗班、精細(xì)化工、化工過程管理、能源化學(xué)工程、化學(xué)工程與工藝卓越工程師班和化學(xué)工程與工藝中外交流班等。由于面向的授課對象有的開設(shè)有電工學(xué)或者電工電子課程，有的專業(yè)卻沒有開設(shè)電工相關(guān)課程。所以，相對來說，數(shù)學(xué)性更強的內(nèi)容不宜在教學(xué)內(nèi)容中體現(xiàn)更多，即應(yīng)該更多的采用工程實例來直觀易懂的介紹自動控制原理及儀表應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容[3]。

化工儀表及自動化課程涉及電路、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電機、微機原理、單片機、自動控制原理、可編程控制器、計算機以及儀器儀表等學(xué)科內(nèi)容，是一門多學(xué)科交叉的綜合性課程。課程特點是內(nèi)容比較多、知識面比較廣[4]。該課程從自動控制系統(tǒng)的基本概念入手，系統(tǒng)地講述構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的各個基本環(huán)節(jié)，包括被控對象、測量元件及變送器[5]、顯示儀表、自動控制儀表、執(zhí)行器等；以及簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、新型控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)；最后結(jié)合化工生產(chǎn)過程講述幾種典型化工單元操作的控制方案。

通過對本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握基本的自動控制方面的知識[6]；通過對常見熱工參數(shù)的測量原理、常規(guī)儀表的基本功能、自動控制系統(tǒng)基于微分方程的基本分析方法等有一個基本性的及系統(tǒng)性的了解，從而便于在生產(chǎn)實踐中能根據(jù)生產(chǎn)工藝及自動控制兩個方面的要求，為自動控制系統(tǒng)的設(shè)計提供合理的、準(zhǔn)確的工藝條件及數(shù)據(jù)。

從教學(xué)課時來看，我校從2007級和2008級是36課時，2009級至2012級是32課時，2013級至今是24課時。所以就要求任課老師要根據(jù)教學(xué)課時的變化情況，及時進行教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整。并實時更新教學(xué)內(nèi)容，將最新的化工自動化技術(shù)在課堂教學(xué)中有所體現(xiàn)，故而，控制理論的反饋、控制、系統(tǒng)的思想在整個化工儀表及自動化課程的教學(xué)過程中都有所體現(xiàn)。

2 教學(xué)過程模型分析

從控制理論的角度來看，任何一個控制系統(tǒng)包含被控對象、傳感器、控制器和執(zhí)行器四大部分。構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 閉環(huán)負(fù)反饋的控制系統(tǒng)方框圖

其中的測量變送裝置獲取被控變量的值并反饋到輸入端與給定值進行比較得到偏差信號，干擾是指被控對象在運行過程中所受到的各種各樣的影響被控變量的信號。在任何一門課程的教學(xué)活動中，聽課的學(xué)生是教學(xué)的主體。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中會受到各種各樣的干擾。被控變量是教學(xué)效果，教學(xué)效果要通過各種考試和考查方式檢測出來，給定值就是教學(xué)目的或者教學(xué)期望?？刂破骶褪墙處熢趯W(xué)生的了解基礎(chǔ)上擬采用的教學(xué)措施，而執(zhí)行器就是具體的教學(xué)手段和方法。其中的偏差就是指學(xué)生的掌握情況與教學(xué)期間之間的差值。因而，整個課程的教學(xué)考核過程可以用下面的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)方框圖來表示。

圖2 教學(xué)過程閉環(huán)負(fù)反饋控制方框圖

其中，對于教學(xué)期望，如果通過試卷考核，教務(wù)處一般要求教學(xué)期望在75分，試卷對教學(xué)內(nèi)容的80%以上在考試或者考查過程中要有所體現(xiàn)。教案的制定是根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)知識情況和教學(xué)目標(biāo)之間的差距來綜合制定的。教學(xué)環(huán)節(jié)就是具體的教案的具體實施。

3 具體教學(xué)策略分析

總的來說，同學(xué)們對工業(yè)控制系統(tǒng)的儀器儀表比較感興趣，結(jié)合具體的實例的講解，效果較好，較容易讓學(xué)生留下深刻印象。教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和成績評定是教學(xué)系統(tǒng)的幾個主要方面。下面分別從教材、教師、學(xué)生三個方面，給出具體的教學(xué)方法建議。

3.1 選用教材

教材方面，根據(jù)本?；じ鲗I(yè)的培養(yǎng)方案特點，我們選用了厲玉鳴教授主編的第五版化工儀表及自動化作為教材。該教材對控制理論的介紹通俗易懂，數(shù)學(xué)內(nèi)容不是很高深，選取的例子也都比較簡單，而且與化工過程聯(lián)系非常緊密。同時，該教材也是“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材。

3.2 教師的主導(dǎo)地位要凸顯

作為教師，在開始教學(xué)前，先進行摸底調(diào)查，主要從不同專業(yè)教學(xué)大綱的課程安排，涉及機電課程的教學(xué)內(nèi)容，同學(xué)們的掌握情況三方面進行了摸底調(diào)查。了解所帶班級學(xué)生對于關(guān)鍵基礎(chǔ)知識點的掌握情況，進而在教學(xué)過程中有側(cè)重點。特別是在教學(xué)學(xué)時從36減少到32，甚至24學(xué)時，相應(yīng)的教案的調(diào)整幅度更要加大，側(cè)重點要更加明確，突出應(yīng)用內(nèi)容，理論分析理解為第一要務(wù)。

在整個教學(xué)過程中，教師的主導(dǎo)作用要凸顯，首先，授課前要明確指出教學(xué)目的和教學(xué)要求，相當(dāng)于讓學(xué)生作為被控對象知道整個教學(xué)過程的期望值。

理論教學(xué)必須和實物展示結(jié)合起來，在介紹儀表的選型方面，做了重點介紹，把儀表選型和儀表的標(biāo)定綜合對比講解，讓學(xué)生直觀理解。帶一些簡單的儀表到課程，讓同學(xué)們對儀表的各種銘牌有直接感官上的印象。在介紹執(zhí)行器閥門的相關(guān)知識的時候，帶一些拆分的常開和常閉閥門進課堂，讓同學(xué)們直接觀察。

在介紹控制器方面，對于控制算法的實施，通過Matlab軟件結(jié)合組態(tài)王搭建過程控制虛擬仿真實驗平臺，通過視頻展示的方式，讓學(xué)生直接觀察控制器參數(shù)變化對被控對象輸入的影響。

3.3 加強教學(xué)過程管理

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會受到各種干擾作用，教師個人的充分備課，對教學(xué)內(nèi)容的滾瓜爛熟的同時，也要加強整個教學(xué)過程的管理。綜合考慮學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中可能受到的干擾，然后采取相應(yīng)的措施消除干擾的影響，這種方法在控制理論中稱之為前饋控制。圖3是教學(xué)過程前饋-反饋綜合控制的方框圖。

圖3 教學(xué)過程閉環(huán)前饋-反饋控制方框圖

開始講課前，對學(xué)生明確考核的方式為平時+期末的方式，其中課堂到課率作為平時成績的一部分，學(xué)生在正常學(xué)習(xí)中無故缺課累計超過授課總學(xué)時三分之一及以上或缺交作業(yè)累計達(dá)全部作業(yè)次數(shù)的三分之一及以上的，取消正?？己速Y格。這是教務(wù)處制定的最基本的要求，具體的比例每個老師可以根據(jù)各自的情況調(diào)整。但是，作為考核的基本條件，一定要再次明確的告訴學(xué)生，從而讓學(xué)生有緊迫感。

對平時成績進行量化管理，考勤幾次，作業(yè)幾次，每次的考勤和作業(yè)分別占多少比例，量化管理后，學(xué)生在參加期末考試之前都可以自己算出自己的平時成績，然后知道自己想最終總評達(dá)到多少，期末考試必須要拿到多少分才行。

教學(xué)前的基礎(chǔ)摸底，教學(xué)過程中通過點學(xué)生回答問題，布置作業(yè)檢測學(xué)生的掌握情況，期中教學(xué)小測驗等都是對教學(xué)過程的負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)的反復(fù)運用。經(jīng)過這幾屆的試驗運行情況，效果很好。

4 實例分析

以化工儀表及自動化教學(xué)為例，具體來說明教師的主導(dǎo)作用的對教學(xué)過程加強管理的效果。為了更好的和學(xué)生溝通，第一次上課結(jié)束后，我讓同學(xué)們給我發(fā)封電子郵件，主題是學(xué)號和姓名，內(nèi)容是班級和電話號碼，具體統(tǒng)計給出兩個評價指標(biāo)：當(dāng)天完成率、第一周完成率和最終完成率，分別統(tǒng)計如下：

表1 學(xué)生發(fā)送電子郵件情況統(tǒng)計表

其中對2009級和2010級我只是讓學(xué)生課后給我發(fā)郵件，并沒說該郵件作為一次考勤記錄，所以總體的完成率明顯偏低，而且兩年的比例變化不大。而針對2011級、2012級和2013級的學(xué)生，我明確說課后發(fā)郵件作為平時考勤之一，明顯完成率有很大提升，特別是2011級我?guī)У氖前嗉壥侵扑幒椭苿I(yè)，這是我們學(xué)校最強勢的兩個專業(yè)，明顯學(xué)生的自覺性和主動性很高。而2012級和2013級的學(xué)生完成率差別不大，但是要求了作為平時成績，所以雖然最終還是有幾位同學(xué)沒有給我發(fā)郵件，但是總體完成率還是不錯的。從這個例子也告訴我們期望或考核辦法在我們整個教學(xué)控制系統(tǒng)中起到了指揮棒的作用。教學(xué)過程中的各種措施都是圍繞這個指揮棒來開展的。

從考試成績來看，以2008級催化、精化、有機和制劑為例，催化精化兩個專業(yè)我在授課過程中前饋和反饋的教學(xué)法綜合運用，最終平均成績分別為81.92分和82.63分；而有機和制劑只采用反饋教學(xué)法，平均成績分別為71.57分和71.56分，總體來說前饋教學(xué)法的教學(xué)效果更加明顯。當(dāng)然，綜合采用前饋-反饋教學(xué)法，作為教師的我們付出肯定要更多一些。

另外，作為教學(xué)過程中的主體，學(xué)生總是有一定的拖延癥，而作為教師要不斷的激勵，鼓動學(xué)生的積極主動性，盡管大學(xué)生的學(xué)習(xí)是以主動性學(xué)習(xí)為主，但是，面對不同的授課對象，了解授課對象的特征的基礎(chǔ)上，作為授課老師的我們要充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，這樣才能讓整個教學(xué)過程輕松而又活躍，最終達(dá)到良好的教學(xué)效果。

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[3] 董相軍，張彩霞.素質(zhì)教育視角下《化工儀表及自動控制技術(shù)》課程改革研究[J]. 山東化工，2014，43(1)：121-122，124.

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