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        基于CDIO理念的過程控制儀表及系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實踐*

        2024-04-09 06:33:02杜青青侯志偉李海霞
        云南化工 2024年3期
        關(guān)鍵詞:液位評價能力

        杜青青,丁 煒,侯志偉,李海霞

        (蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué),電子電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730060)

        隨著生產(chǎn)過程自動化技術(shù)的發(fā)展,儀表及系統(tǒng)的智能化、集約化不斷提高,對學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新及應(yīng)用能力提出了更高的要求[1-2]。工業(yè)自動化儀表專業(yè)的發(fā)展,需要緊緊圍繞“中國制造2025”部署,緊密結(jié)合區(qū)域和行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的內(nèi)在需求,以主動服務(wù)于地方經(jīng)濟和社會發(fā)展需求為導(dǎo)向,培養(yǎng)學(xué)生具備扎實的工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制方面的基礎(chǔ)知識,具有在工業(yè)企業(yè)多種崗位從事自動化儀表及過程綜合控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運行、維護能力。

        CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate,即構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行)理念作為工程教育發(fā)展的新方向[3-5],以“項目”教學(xué)為驅(qū)動,建立職業(yè)能力培養(yǎng)的課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),改革教學(xué)方法和手段,融“教、學(xué)、訓(xùn)、賽”為一體,提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與主動性,提高學(xué)生對知識與技能的掌握程度。工業(yè)儀表是化工行業(yè)賴以生存的眼睛,控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)裝備的靈魂和核心。過程控制儀表及系統(tǒng)是學(xué)校工業(yè)自動化儀表技術(shù)專業(yè)的核心課程,共72學(xué)時,3.5學(xué)分,開設(shè)在第四學(xué)期。課程主要介紹過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識、檢測變送儀表、控制儀表、簡單及復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析。將教學(xué)內(nèi)容與崗位任務(wù)緊密結(jié)合,強化學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)。將企業(yè)真實項目分解并融入課程教學(xué)的不同環(huán)節(jié),學(xué)生在大量的實崗實操訓(xùn)練中,培養(yǎng)學(xué)生工程實踐綜合能力,提升崗位適應(yīng)能力[6]。

        1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

        過程控制儀表及系統(tǒng)是基于化工自動化控制儀表作業(yè)技能要求開設(shè)的一門針對崗位能力培養(yǎng)的技能型理實一體化課程,包括控制系統(tǒng)的組成和分類、控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、檢測儀表、控制儀表、控制系統(tǒng)方案分析、系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。經(jīng)過總結(jié)及調(diào)查,該課程的實際教學(xué)中主要有以下三方面的問題:

        1)知識點瑣碎,未形成系統(tǒng)化。課程內(nèi)容多、知識點瑣碎且抽象難理解,教學(xué)內(nèi)容沒有形成邏輯關(guān)系,與崗位工作任務(wù)沒有緊密結(jié)合,教師以理論講解及原理性驗證為主,學(xué)生聽、 教師講為主要教學(xué)手段,學(xué)生在短時間內(nèi)難以理解并掌握[7]。

        2)教授知識與崗位任務(wù)分離脫節(jié)。傳統(tǒng)教學(xué)重點不突出,知識掌握局限于理論層面,控制領(lǐng)域的自動化發(fā)展。隨著大量新理念、新技術(shù)的涌現(xiàn),對新裝備、新實踐要求越來越高,而傳統(tǒng)教學(xué)與生產(chǎn)實際相互脫節(jié),學(xué)生走向工作崗位后工作任務(wù)不明確,教學(xué)改革迫在眉睫。

        3)難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。大多數(shù)教師主要采用講授法,學(xué)生被動吸收,課堂參與度不夠,重視理論考核,評價體系不夠完善,考核方式過于單一,理論知識枯燥難理解,學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動性和積極性。

        2 過程控制儀表及系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實踐

        我校工業(yè)自動化儀表技術(shù)專業(yè)的生源主要來自于普高、三校生及擴招生。其中,普高及三校生理論基礎(chǔ)相對擴招生較扎實。教學(xué)實驗和實踐類項目在任務(wù)深度和知識廣度上進行拔高,對于知識基礎(chǔ)參差不齊的擴招生源,進一步合理設(shè)置分層目標(biāo),擴充企業(yè)案例,調(diào)整基礎(chǔ)內(nèi)容課時,加大實訓(xùn)練習(xí)的力度。結(jié)合學(xué)生學(xué)情分析,引入CDIO理念,以勝任崗位能力為基本目標(biāo),反向進行教學(xué)目標(biāo)的優(yōu)化[8-10]。

        2.1 教學(xué)構(gòu)思

        通過對機械制造、石油化工行業(yè)需求進行調(diào)研,根據(jù)工作流程,梳理出對應(yīng)的職業(yè)類別以及職業(yè)崗位群。針對崗位群的調(diào)查分析,與化工行業(yè)專家、企業(yè)技術(shù)骨干、一線人員及資深教師共同進行工作任務(wù)與職業(yè)能力分析,確定工業(yè)自動化儀表專業(yè)技術(shù)人員主要在機械制造、化工生產(chǎn)等企業(yè),從事自動化控制儀表校驗與維護、過程控制系統(tǒng)運行及維護等工作。

        針對崗位群的調(diào)查分析,確定了崗位能力之一是能熟練使用電工儀表與工具對現(xiàn)場自動化設(shè)備進行安裝、調(diào)試與投運。其工作任務(wù)之一是從事化工儀表維護、檢修、校驗、安裝、調(diào)試和投入運行。根據(jù)以上崗位能力、工作任務(wù),結(jié)合教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和職業(yè)標(biāo)準(zhǔn),確定課程基本教學(xué)任務(wù)單元[11-12]。以任務(wù)2液位控制儀表的調(diào)校(4課時)為例,崗位-課程-標(biāo)準(zhǔn)三者之間的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

        圖1 崗位-課程-標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系圖

        2.2 教學(xué)設(shè)計

        依據(jù)化工自動化控制儀表作業(yè)工、過程控制系統(tǒng)維護工職業(yè)能力要求,圍繞實際崗位工作任務(wù),對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化重組,將傳統(tǒng)內(nèi)容多、知識難、重點不突出的授課方式,按照控制系統(tǒng)的基本邏輯“檢測-控制-系統(tǒng)”,結(jié)合從簡單到復(fù)雜、從單一到綜合的認(rèn)知規(guī)律,先常規(guī)儀表后控制系統(tǒng)來組織教學(xué)過程。

        過程控制儀表及系統(tǒng)課程的知識目標(biāo)主要是了解常用測量儀表和控制儀表的基本工作原理、主要特點及使用方法;掌握化工生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)組成、分類及基本工作原理;了解被控對象的特性,定性理解控制規(guī)律,基本掌握控制器參數(shù)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響;掌握控制系統(tǒng)手自動無擾動切換工作原理。能力目標(biāo)主要是熟悉掌握化工現(xiàn)場安全操作技術(shù),作業(yè)現(xiàn)場安全隱患排除,作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)急處置;使學(xué)生掌握常用控制儀表的安裝、接線、調(diào)校和維護技能。了解常用測量儀表選用原則和安裝要求,掌握檢測儀表使用和調(diào)校方法;具有測量主要工藝參數(shù)(溫度,壓力,流量及液位)和使用儀表的能力;具有根據(jù)工藝要求,正確選用和使用常見測量儀表和校驗儀表的能力;具有根據(jù)工藝的需要討論和提出合理的自動化方案的能力;具有為自控設(shè)計正確提供有關(guān)的工藝條件和數(shù)據(jù)的能力;能進行自動控制系統(tǒng)的開車投運及停車,能夠?qū)刂葡到y(tǒng)運行中常見的問題進行診斷及故障排查。素質(zhì)目標(biāo)主要是具有良好的職業(yè)道德、科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識;具有良好的協(xié)調(diào)能力、表達(dá)能力和團隊合作精神;具有獲取一定信息的能力;了解生產(chǎn)相關(guān)的法律、法規(guī)及規(guī)章制度;具有敬業(yè)愛崗、富有責(zé)任心的優(yōu)良思想品質(zhì);能按照生產(chǎn)安全操作規(guī)程規(guī)范操作;養(yǎng)成良好的職業(yè)安全習(xí)慣。

        根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)后的教學(xué)組織如圖2所示。

        (1)構(gòu)建完善的維修保養(yǎng)制度。在施工中應(yīng)對現(xiàn)有機械設(shè)備進行合理調(diào)度,挖掘機械設(shè)備潛力,盡可能提高利用率,增大維修與保養(yǎng)管理力度,保證隨壞隨修,杜絕帶病和帶傷作業(yè),同時根據(jù)施工的實際情況,充分利用間隙的時間保養(yǎng)機械設(shè)備,及時發(fā)現(xiàn)與解決潛在的問題,使機械設(shè)備處于正常運行狀態(tài)。

        圖2 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)圖

        以項目四雙容水箱的液位檢測及控制為例進行介紹。

        首先依托某石油化工企業(yè)大檢修期間儀表的故障維護及后期開車投運項目,以典型化工單元雙容水箱控制案例為載體組織教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成一條教學(xué)主線(液位的檢測及控制),四個階段任務(wù)(液位檢測儀表安裝校驗、液位控制儀表安裝校驗、液位控制系統(tǒng)開車投運、液位控制系統(tǒng)故障維護),通過教學(xué)訓(xùn)一體的模式組織教學(xué)實施過程。

        在理解工作原理基礎(chǔ)上,以教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)圖項目四中任務(wù)2為例,按照“結(jié)構(gòu)認(rèn)知-儀表安裝-聯(lián)合調(diào)校-總結(jié)評價”四個階段,逐步掌握氣動薄膜控制閥與電氣閥門定位器的安裝和調(diào)校方法、技能,解決教學(xué)重難點。教學(xué)設(shè)計構(gòu)思如圖3所示。

        圖3 教學(xué)設(shè)計框圖

        2.3 教學(xué)實施

        在課程的教學(xué)實施過程中,以企業(yè)項目任務(wù)為主線,以真實企業(yè)情境開展教學(xué)。教學(xué)實施過程中模擬實際崗位,采用角色分工,引導(dǎo)學(xué)生在做中學(xué),在學(xué)中做[13],引導(dǎo)學(xué)生發(fā)自內(nèi)心的熱愛這個職業(yè),堅守用心、上心、盡心的精神,提高學(xué)生的崗位勝任能力。

        本文以項目四中任務(wù)2過程控制儀表的調(diào)校為例進行教學(xué)實施和運行的詳細(xì)闡述。教學(xué)實施過程如圖4所示。

        圖4 教學(xué)實施過程

        1)課前準(zhǔn)備

        課前教師以控制儀表的故障維護項目為案例,創(chuàng)設(shè)情境。通過云平臺發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù),學(xué)生觀看微課視頻,了解要“做什么”,同時完成課前測試,教師采集學(xué)情數(shù)據(jù),優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。

        講結(jié)構(gòu):控制閥是由很多細(xì)小的零部件組成的儀表,教學(xué)團隊借助Solidworks三維建模,構(gòu)建“虛擬儀表”,能真實再現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。優(yōu)化了枯燥的教學(xué)過程,突破了控制閥結(jié)構(gòu)組成這一教學(xué)重點。

        仿真訓(xùn):引入控制閥在化工現(xiàn)場安裝不當(dāng),投入生產(chǎn)時發(fā)生泄露的安全事故案例。引導(dǎo)學(xué)生明確安裝質(zhì)量關(guān)系到控制系統(tǒng)的操作性能、控制品質(zhì)、安全性,激發(fā)學(xué)生敬畏之心。通過虛擬平臺反復(fù)練習(xí)閥的安裝,克服了初學(xué)者不敢裝、不會裝的膽怯心理,減少了閥芯、閥桿等的磨損,節(jié)省了實訓(xùn)成本,攻克了控制閥與閥門定位器的規(guī)范組裝這一教學(xué)難點。

        競技訓(xùn):采用小組PK,企業(yè)專家根據(jù)PK過程進行點評,成績優(yōu)異者樹立為“榜樣之星”,通過教師示范,引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范操作,使學(xué)生學(xué)會“怎么做”,深化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。 培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍,精益求精的工匠精神。

        綜合評:課前,線上控制閥原理測試及微課學(xué)習(xí)情況通過云平臺進行評價;課中,控制閥虛擬安裝及競技PK環(huán)節(jié),開展學(xué)生自評、生生互評,結(jié)合企業(yè)導(dǎo)師點評得出教師總評;課后,拓展模塊由培訓(xùn)導(dǎo)師評價。構(gòu)建了全過程有評測的考核模式。

        2.4 教學(xué)運行

        全方位全過程評價體系如圖5所示。實行課前自主學(xué)習(xí)、課中技能考評與課后技能競賽及社會服務(wù)全過程評價。以任務(wù)4-液位控制系統(tǒng)投運為例,重點考核學(xué)生雙容水箱液位控制系統(tǒng)規(guī)范開車投運操作的能力:課前依托云班課平臺采集學(xué)習(xí)進度、學(xué)習(xí)時長、課前測試等模塊數(shù)據(jù)自動生成平臺評價分?jǐn)?shù);課中利用半實物仿真裝置進行虛擬冷態(tài)開車,平臺根據(jù)操作步驟、工藝指標(biāo)及安全指標(biāo)三維度自動評分,依托CS2000裝置進行實際系統(tǒng)開車投運操作,嚴(yán)格按照企業(yè)規(guī)范、實操安規(guī)等對學(xué)生進行量化評價。

        圖5 全方位全過程評價體系

        3 實踐教學(xué)改革效果

        以蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)2021級工業(yè)自動化儀表技術(shù)專業(yè)班作為試點,基于CDIO理念的教學(xué)改革探索取得顯著的教學(xué)效果。

        1)以崗位能力為目標(biāo),以企業(yè)任務(wù)為驅(qū)動,以CDIO理念為引領(lǐng),學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率明顯提升。

        以任務(wù)4-液位控制系統(tǒng)投運為例,分析控制系統(tǒng)的開車投運操作中的常見問題考核數(shù)據(jù),統(tǒng)計其均分由任務(wù)初的72.4到任務(wù)終的89.3提升了16.9%。半實物控制仿真實訓(xùn)平臺所有任務(wù)的機評成績,顯示規(guī)范操作正確率大于97%的學(xué)生人數(shù)占有82%。部分考核成績?nèi)鐖D6所示。

        圖6 任務(wù)4考核成績評價截圖

        2) 教學(xué)內(nèi)容與崗位任務(wù)緊密結(jié)合,技能教學(xué)目標(biāo)全面提高。

        將企業(yè)真實項目分解并融入課程教學(xué)的不同環(huán)節(jié),學(xué)生在大量的實崗實操訓(xùn)練中,控制系統(tǒng)調(diào)試維護技能提升效果顯著。分析每次的實踐操作規(guī)范評分表,得出6個小組違規(guī)次數(shù)逐漸減少,直至完全規(guī)范。

        依托本項目選拔的學(xué)生在2021年8月份參加全國西門子杯流程行業(yè)自動化賽項獲國家級特等獎 1項,二等獎1項,省級一等獎 3 項,二等獎6項。基于CDIO理念的指導(dǎo)下,教師團隊深度挖掘教學(xué)目標(biāo),整合教學(xué)內(nèi)容,設(shè)計教學(xué)過程,獲得全國職業(yè)院校教學(xué)能力比賽二等獎。

        3) 全方位、全過程參與課程評價,推動教學(xué)目標(biāo)高效達(dá)成。

        基于CDIO理念對課程內(nèi)容進行重新整合,以企業(yè)項目任務(wù)為主線,以真實企業(yè)情境開展教學(xué),采用分組實操練習(xí),開展組內(nèi)、組間互評;仿真實訓(xùn)報告、實操報告由實訓(xùn)教師評價、課后拓展模塊由競賽培訓(xùn)導(dǎo)師評價;全過程的考核評價方式營造出你追我趕,奮勇爭先的競賽氛圍,促使學(xué)生自發(fā)、自覺、自主的進行專業(yè)的研究和探索,教師分析學(xué)生的評價數(shù)據(jù)后及時調(diào)整教學(xué)策略、改進教學(xué)方法。助力教學(xué)進入一個良性循環(huán)。

        4 結(jié)語

        為了培養(yǎng)能夠勝任化工自動化控制儀表作業(yè)工、過程控制系統(tǒng)維護工崗位能力的技術(shù)人才,基于CIBO理念對過程控制儀表及系統(tǒng)課程內(nèi)容反向進行設(shè)計,以項目化教學(xué)為指導(dǎo),以企業(yè)實際任務(wù)為主線,以多元化教學(xué)資源為支撐,優(yōu)化教學(xué)目標(biāo),重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容,通過理實結(jié)合、角色扮演、分組練習(xí)等方式突破教學(xué)重難點,通過技能比拼展示,引導(dǎo)學(xué)生重視規(guī)范操作、從而使學(xué)生實現(xiàn)了實操練習(xí)中夯實理論基礎(chǔ),再對原理融會貫通的基礎(chǔ)上指導(dǎo)如何規(guī)范操作。全方位全過程的考核評價體系,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,營造了競爭的學(xué)習(xí)氛圍,借鑒CDIO理念形成構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行,評價的閉環(huán)教學(xué)新范式,供其他專業(yè)課程老師借鑒使用。

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