張煜華，洪景萍，趙燕熹，劉成超

(中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

化學(xué)化工相關(guān)制造業(yè)是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，不僅解決人們的基礎(chǔ)物質(zhì)需求，在解決環(huán)境污染、醫(yī)藥健康、能源保障及高端材料制造等方面問題中也具有重要作用，為構(gòu)建現(xiàn)代社會生活做出不可替代的貢獻(xiàn)。隨著現(xiàn)代化學(xué)工程、環(huán)境技術(shù)以及生物醫(yī)藥等化學(xué)化工相關(guān)工業(yè)技術(shù)及科技的發(fā)展，所涉及的生產(chǎn)過程對化工儀表及控制設(shè)備的使用要求不斷提高，以滿足持續(xù)化、安全化、精確化及自動化的生產(chǎn)要求[1]。精確、穩(wěn)定及智能的化工儀表及自動化控制技術(shù)在不同需求場景的廣泛應(yīng)用，推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，是確?，F(xiàn)場生產(chǎn)裝置實現(xiàn)高效安全運行的關(guān)鍵之一。自動化控制技術(shù)目前是工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中發(fā)展趨勢較快的前沿高科技技術(shù)，在各行各業(yè)中的應(yīng)用需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，培養(yǎng)滿足社會需求，掌握生產(chǎn)自動化相關(guān)理論和實踐知識的高素質(zhì)高級專門人才顯得尤為迫切[2]。生產(chǎn)過程自動化，不僅實現(xiàn)工人繁重勞動替代，克服外在干擾，穩(wěn)定操作工藝，而且能增加生產(chǎn)安全度，提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，降低單位成本[3]。

傳統(tǒng)人工操作的生產(chǎn)方式效率及安全度較低，難以滿足現(xiàn)代化工技術(shù)發(fā)展需求，化工類生產(chǎn)過程的自動化替代快速發(fā)展，這促進(jìn)了人才市場對即懂化工技術(shù)又懂自動控制的高級專門人才需求的快速增加[4]。為了滿足市場對化工相關(guān)人才素質(zhì)的要求，國內(nèi)多數(shù)高等院校的化學(xué)、環(huán)境及化工類等專業(yè)均將化工儀表及自動化作為一門專業(yè)核心基礎(chǔ)課程課來開設(shè)教學(xué)?；x表及自動化課程涉及化學(xué)工程、儀器儀表、過程控制及自動化等學(xué)科理論知識，是一門與生產(chǎn)實踐密切相關(guān)的綜合技術(shù)學(xué)科，具有涵蓋的專業(yè)知識廣及學(xué)科交叉性強等特點[5-6]。通過該課程的深入學(xué)習(xí)，可以掌握溫度、壓力、流量及物位等生產(chǎn)實際中常用工藝參數(shù)的檢測方法與相應(yīng)儀器儀表的基本知識；理解不同類型自動控制系統(tǒng)的基本組成、控制規(guī)律、工作原理及各環(huán)節(jié)的作用特點；初步掌握自動控制系統(tǒng)投運與控制器參數(shù)整定；了解學(xué)科相關(guān)檢測技術(shù)與復(fù)雜自控制系統(tǒng)最新動態(tài)發(fā)展趨勢[7]。因此，無論從實踐應(yīng)用能力提升還是科學(xué)研究思維培養(yǎng)方面，提升本課程教學(xué)質(zhì)量都對學(xué)生專業(yè)綜合核心能力構(gòu)建有至關(guān)重要貢獻(xiàn)。

民族類高校與一般高校的辦學(xué)方針上存在一定的差異，其首要重任是為民族地區(qū)服務(wù)，依據(jù)少數(shù)民族地區(qū)社會發(fā)展的實際需求，培養(yǎng)民族人才[8-9]。在自動化控制工程技術(shù)人才方面，面對科技和工農(nóng)業(yè)日新月異的高速發(fā)展現(xiàn)狀，急需具有專業(yè)工程理論知識、綜合分析實踐能力及創(chuàng)新意識等素質(zhì)的應(yīng)用型科學(xué)技術(shù)人才[10-11]。因此，根據(jù)少數(shù)民族地區(qū)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展對化工自動化方面人才的需求，從少數(shù)民族學(xué)生的理論知識基礎(chǔ)特點出發(fā)，針對民族類高校在化工人才自動化理論和實踐知識體系培養(yǎng)方面的缺陷，有必要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念及教學(xué)方法等方面深入探索民族類高校化學(xué)化工專業(yè)化工儀表及自動化課程的教學(xué)改革，以期夯實學(xué)生的理論知識基礎(chǔ)，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐應(yīng)用能力。

1 基本情況與面臨的問題

1.1 民族類高校學(xué)生的基本情況

民族類高校主要面向全國各地的少數(shù)民族地區(qū)招生，依據(jù)其具體所在地域不同而招生生源有一定差異，一般情況下少數(shù)民族學(xué)生在校比例均保持在60%以上[10]。以中南民族大學(xué)為例，招生的主要生源地是廣西、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆及西藏等少數(shù)民族自治區(qū)和湖北、湖南、河南、貴州、四川、甘肅、青海等省市的少數(shù)民族自治州、縣等地區(qū)，學(xué)生中少數(shù)民族占比較多的是壯族、回族、維吾爾族、蒙古族和苗族等，現(xiàn)有56個民族的學(xué)生，少數(shù)民族在校生比例超過60%。部分生源地的經(jīng)濟發(fā)展水平和基礎(chǔ)教育水平相對全國平均水平明顯落后，學(xué)生在學(xué)科知識背景、學(xué)科基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)習(xí)慣等方面存在較大的差異性[8]。

1.2 課程教學(xué)中面臨的問題

化工儀表及自動化課程是高校化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程等本科專業(yè)學(xué)生高年級階段所修的專業(yè)核心課程之一[3]。該課程核心內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)基本概念；化工過程特性及其數(shù)學(xué)模型建立；常用的壓力、流量、物位及溫度參數(shù)檢測儀表；自動控制儀表與執(zhí)行器；復(fù)雜控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)；典型化工單元控制等。該課程內(nèi)容涵蓋面較廣，學(xué)科知識交叉融合度高，如圖1所示，部分理論點比較抽象，自控體系邏輯性強，概念和公式繁多，大部分學(xué)生感覺學(xué)習(xí)難度較大、學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)較重。特別是來自偏遠(yuǎn)民族地區(qū)數(shù)學(xué)、物理、化工等基礎(chǔ)科學(xué)知識背景偏弱的學(xué)生，在學(xué)習(xí)過渡過程特性及其數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、自動控制系統(tǒng)PID參數(shù)設(shè)置與整定、復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用等單元知識要點時面臨著許多困難，給整體的教學(xué)計劃實施和教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)帶來嚴(yán)重的不對稱性。因此，有必要針對性了解民族高校少數(shù)民族學(xué)生各學(xué)科基礎(chǔ)背景，遵循民族高校少數(shù)民族學(xué)生的知識體系架構(gòu)特點，結(jié)合基礎(chǔ)知識教評體系、網(wǎng)絡(luò)信息資源和發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行課程教學(xué)規(guī)劃與改革建設(shè)，構(gòu)建合理的分層教學(xué)目標(biāo)，因材施教，改進(jìn)和豐富教學(xué)模式，理論結(jié)合實踐，提高課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極能動性，是課程建設(shè)中需關(guān)注的重點。

圖1 化工儀表及自動化與學(xué)科知識的聯(lián)系

2 教學(xué)過程改進(jìn)

2.1 課程內(nèi)容分層教學(xué)

分層教學(xué)主要是任課教師根據(jù)班級學(xué)生的以往學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在開展教學(xué)的過程中，強調(diào)基礎(chǔ)理論重點，突出實踐應(yīng)用要點，引入行業(yè)發(fā)展熱點，拓展理論與實際結(jié)合難點。針對不同學(xué)科基礎(chǔ)和發(fā)展意向的學(xué)生制定差異化培養(yǎng)方法，在教學(xué)的重點、要點、熱點以及難點的掌握程度上設(shè)定不同的教學(xué)目標(biāo)與要求。例如：對簡單控制系統(tǒng)的基本組成、執(zhí)行器的類型與特點、檢測儀器儀表的基本構(gòu)造與測試原理等概念性的重點內(nèi)容，要求所有學(xué)生必須深入理解，并在實踐應(yīng)用中能根據(jù)原理分析解決一般問題；就基本原理中較難的過程特性及數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)、基本控制規(guī)律的證明、比例積分微分控制器參數(shù)設(shè)定與整定原理等難點內(nèi)容，要求數(shù)理基礎(chǔ)較好學(xué)生掌握，而對數(shù)理基礎(chǔ)較差學(xué)生來說，就可以只理解數(shù)學(xué)模型和基礎(chǔ)參數(shù)描述的意義，基本控制規(guī)律的實質(zhì)過程等，具體的推導(dǎo)或證明過程可不做要求。另外，優(yōu)化原來多依附于教材體系的教學(xué)內(nèi)容，針對基礎(chǔ)好的同學(xué)，引導(dǎo)關(guān)注化工儀表及自動化領(lǐng)域的最新研究的熱點以及最新的復(fù)雜控制技術(shù)發(fā)展方向。同時根據(jù)實際生產(chǎn)中控制系統(tǒng)自動化、智能化以及集成化的發(fā)展與應(yīng)用趨勢，降低復(fù)雜理論要求，減輕部分基礎(chǔ)欠缺學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，強化實際操作和工程應(yīng)用背景內(nèi)容教學(xué)，幫助學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上熟悉操作使用要點。分層教學(xué)的實質(zhì)目標(biāo)是希望盡最大可能實現(xiàn)因材施教，激發(fā)具有不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)學(xué)生的學(xué)習(xí)研究潛能，發(fā)展實踐創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的整體提升。

2.2 豐富理論教學(xué)方法

化工儀表及自動化課程教學(xué)中，涉及高等數(shù)學(xué)、化學(xué)化工、儀器儀表、自動控制等學(xué)科，理論基礎(chǔ)知識點較多，內(nèi)容抽象，邏輯性強，跨度寬，以往大部分理論部分內(nèi)容的教學(xué)多是以多媒體PPT演示為主加上板書輔助講授的方式進(jìn)行，教學(xué)過程相對單調(diào)。在講授對象的靜態(tài)與動態(tài)特征、對象特性參數(shù)、控制規(guī)律特點及自動控制系統(tǒng)參數(shù)整定等理論課程內(nèi)容時，部分基礎(chǔ)知識有所欠缺的同學(xué)，內(nèi)容要點理解的不夠充分。另外，講授不同儀表器件的原理與構(gòu)造時，儀表結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，缺乏直觀實物展示和現(xiàn)場功能演示，學(xué)生多只能從實物平面圖像與工程截圖中獲得初步感性認(rèn)知，學(xué)習(xí)興趣度不高。為此：

(1)針對理論知識難點內(nèi)容，借助學(xué)習(xí)通線上教學(xué)平臺，增加了課外網(wǎng)絡(luò)教學(xué)微課視頻，方便同學(xué)們隨時隨地借助網(wǎng)絡(luò)及時預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)難點內(nèi)容，強化理論知識理解。

(2)在傳統(tǒng)的多媒體課件演示教學(xué)講授過程中，引入器件實物、原理動圖、構(gòu)件視頻以及模擬仿真等教學(xué)要素，針對性地將部分儀表內(nèi)容可視化、直觀化和形象化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時加深對器件的感性認(rèn)知。

(3)模塊化分階翻轉(zhuǎn)教學(xué)。首先將課程內(nèi)容分解為基本概念與原理、簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)和典型化工單元控制系統(tǒng)等四個基本教學(xué)模塊，每個教學(xué)模塊又逐級逐步遞進(jìn)展開，如圖2所示。最終在完成課程有機系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程中，不間斷強化和鞏固相關(guān)知識要點，并積極探索翻轉(zhuǎn)課堂建設(shè)方式，調(diào)整課堂與課后作業(yè)的形式，讓所有同學(xué)參與到相互出題的課外任務(wù)過程中，然后以隨機選題完成作答的方式完成知識點強化復(fù)習(xí)。

圖2 自動控制系統(tǒng)組成模塊

2.3 注意實踐教學(xué)過程

化工儀表及自動化課程教學(xué)涉及到的實驗與實踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)過少，多以理論講授教學(xué)為主。但是，如果一味的進(jìn)行枯燥的理論講授教學(xué)，不僅讓學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)提不起強烈的興趣，還會讓學(xué)生固化課堂知識的理解，不利于培養(yǎng)科學(xué)基本素養(yǎng)和開拓創(chuàng)造思維。實際上測量儀表、傳感器和自動控制系統(tǒng)在日常工作和生活中應(yīng)用非常廣泛，在日常生活和專業(yè)實踐應(yīng)用的過程中有不少待優(yōu)化的問題仍然有待解決。在理論教學(xué)過程中，盡可能的引入實踐案例，啟發(fā)學(xué)生理論聯(lián)系實際來分析和解決問題。如：講熱電偶的測溫原理與適用事項時，可先介紹實驗室合成反應(yīng)設(shè)備和工業(yè)固定床反應(yīng)器上的控溫案例，然后引入熱電偶分度型號，選型與安裝要點等；在講對象數(shù)學(xué)模型的建立方法時，介紹化工原理課程中一些典型經(jīng)驗方程式的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展歷史，并討論及其基礎(chǔ)化工原理套管換熱器液-液熱交換系數(shù)測定實驗，如何通過實驗獲取了數(shù)據(jù)后計算液液熱交換系數(shù)，區(qū)分參量模型與非參量模型的構(gòu)建方法和適用情況；講授控制閥的理想流量特性曲線的理論定義時，可先引入流量控制器在實際使用過程中的校正問題，關(guān)聯(lián)線性范圍選擇與線性相關(guān)系數(shù)求法的基本原理，理解并聯(lián)或串聯(lián)后控制閥流量特性曲線的畸變規(guī)律。另外，以全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽和化工實驗大賽為項目依托，積極開展項目導(dǎo)向型教學(xué)探索，鼓勵學(xué)生在參與競賽的過程中，強調(diào)通過工藝與實驗設(shè)計模擬真實工廠的設(shè)計應(yīng)用場景，應(yīng)用化工儀表及自動化知識開展設(shè)備儀表計算選型、管道流程設(shè)計以及控制系統(tǒng)定型等工作。課堂上針對性強化學(xué)習(xí)有關(guān)知識點，鼓勵學(xué)生理論聯(lián)系實踐，應(yīng)用課程中所學(xué)知識分析問題和解決問題。與單純的理論授課相比，通過項目教學(xué)，將學(xué)科理論知識融入到項目實踐過程的方方面面，可以提高學(xué)生實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)協(xié)作能力，實現(xiàn)解決專業(yè)工程問題能力的有效提升。

3 課程考評體系的優(yōu)化

3.1 以往課程考評體系情況

我校以往化工儀表及自動化課程成績考核體系中，期末閉卷考試成績的權(quán)重比例為70%，平時成績的權(quán)重比例為30%。考核內(nèi)容側(cè)重自控系統(tǒng)基本概念、控制原理、儀表工作原理與性能指標(biāo)等理論知識考察點，對實踐操作缺乏合理的考核方案。在這種考核方式下，數(shù)理理解基礎(chǔ)相對差的少數(shù)民族地區(qū)學(xué)生考試成績普遍不高，嚴(yán)重影響課程及學(xué)科知識的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 課程考評體系優(yōu)化后情況

鑒于本課程知識面向化工生產(chǎn)自動化過程，工程應(yīng)用、綜合實踐性操作性強，對原有考評體系進(jìn)行了優(yōu)化，弱化了純理論考核成績占比比重，增加了平時實踐應(yīng)用成績比重。課程考評體系優(yōu)化后，課程總成績由期末考試成績、課程學(xué)習(xí)匯總報告成績、實踐項目成績以及平時成績(課堂與課后作業(yè)、日常考勤、課堂互動)四部分組成，分別占比50%、15%、15%及20%。這種考核方式，克服了可通過短期強化記憶理論知識就能突破總成績的原考評體系缺陷，促進(jìn)學(xué)生持續(xù)理解學(xué)習(xí)和實踐鞏固學(xué)科知識，考核成績可較全面立體的反應(yīng)學(xué)生理論知識理解、實踐運用、改進(jìn)創(chuàng)新的學(xué)科綜合工程能力。

4 結(jié)語

在民族高?；I(yè)學(xué)生存在顯著差異化學(xué)科基礎(chǔ)的背景下，對化工儀表及自動化課程的教學(xué)過程的主要矛盾進(jìn)行了分析，對課程內(nèi)容、教學(xué)策略、理論與實踐融合以及考評體系等方面的教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索，期望通過強化基礎(chǔ)理論訓(xùn)練與工程實踐應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方案，努力建設(shè)培養(yǎng)面向民族地區(qū)的科技應(yīng)用型人才的高質(zhì)量課程。