“化工儀表及自動化”課程教學的探索與實踐

摘 要：“化工儀表及自動化”作為化工專業的重要的專業課，具有多學科交叉性、發展快和應用性強等特點，針對該課程課時不斷壓縮、自動化技術日益發展和學生難以建立自動控制的概念等問題，文章對課程理論與實踐方面的教學內容、教學方法、教學手段和實踐環節進行了必要的探索和實踐，并介紹了該門課程教學改革的若干做法。

關鍵詞：化工儀表及自動化課程 化工儀表 化工自動化 實驗環節 教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

一、引言

《化工儀表及自動化》是化學工程和化工工藝等化工專業的一門專業基礎課，該課程是一門綜合了化工原理、檢測學、電工學以及自控理論等多學科交叉課程。隨著化工生產過程朝著大規模、高效率、連續生產、綜合利用方向迅速發展，該門課程對化工專業學生的影響日益凸顯。但這門課程教學內容多，課時少，學生的電路和控制理論知識薄弱，因此不少學生畏難而興趣不高，難以掌握這門課程的精髓。以廣東高校為例，該課程總學時約為30，其中實驗約8學時，并且課時還有進一步壓縮的趨勢，如何在有限的學時獲得最好的教學效果，使學生能掌握課程內容，并與專業的其他課程，例如化工合成、有機化學等融會貫通，是一項急需解決的問題。本文結合教研組多年的教改實踐，介紹了“化工儀表及自動化”課程教改的若干做法。

二、精心編寫教學課件

1 重視緒論的講解

緒論是課程教學的開始，對學生建立學習本課程的興趣有著重要的作用。筆者針對“化工儀表及自動化”課程的特點，選取了化工過程中的典型的控制系統——蒸汽加熱溫度控制系統為例，讓學生初步建立了手動控制系統和自動控制系統的區別、構成自動控制系統的四個主要環節，以及自動化技術在化工工業生產中的重要意義，緒論的講解讓學生深刻體會到自動化技術廣闊的應用前景以及各種檢測儀表在自動化技術中的地位，使學生樹立了積極的學習態度和信心。

2 多采用動畫教學的方式

動畫方式具有直觀的特點，能加快學生對一些基本概念的理解。以控制規律對系統過渡過程的影響為例，由于大多數的學生是第一次接觸控制規律，對雙位控制、比例控制、比例積分等控制規律大都沒有概念，針對這一特點，筆者在講述雙位控制規律時，對控制器中的關鍵元件——繼電器采用動畫的方式，描述了繼電器的工作原理，及繼電器的滯環的寬度對系統動態性能的影響進行了演示，深化了學生對這一控制規律的理解；此外，在講解其他控制規律時，筆者采用Matlab中的Simulink模塊現場對不同控制規律下的系統過渡過程進行了演示，幫助學生建立了各種控制規律的特點以及根據應用場合合理選擇控制規律的觀念。盡管學生對系統仿真的方法可能暫時是一知半解的，但現場動畫演示的直觀效果讓學生很快地掌握了相關知識點。

3 多采用實物照片

這門課程大都開設于大三階段，學生大多數還沒有經歷過生產實習，對生產中的各種儀表還沒有具體概念，因此各種實物照片對學生聯系實際生產過程不無裨益，在講解各章節內容時，筆者選取了生產實踐中常用的模擬、數字式儀表，并聯系其他實驗過程中應用的儀表進行對比分析，使學生能做到舉一反三，大大增強了學生學習該門課程的興趣。

4 盡量減少對電路知識的講解

學習這門課程的學生大多數是化工專業的學生，他們僅僅是在大二時學習過“電工原理”，很難對各種儀表的工作原理及動態過程進行電路級的分析和理解。針對這一特點，筆者在教學過程中，盡可能地不進行詳細的電路分析，只給出重要的結論，而對學有余力的同學進行課后單獨講解，這一做法使學生能集中主要精力來對系統進行詳細的理解。

5 及時根據學生的反饋修改課件

在學習過程中，有些同學對書本上的知識非常難以理解，例如智能儀表等。為加深學生對該知識點的掌握，筆者及時地補充了微處理器、A/D環節和網絡的相關知識，使學生建立了相關的概念，加深了對知識點的理解。另外，及時地向同學們推薦教師和學生收集到的有關化工儀表及自動化方面的文章和資料也是對課件內容進行調整的重要方法。

三、以化工典型的自動化過程貫穿全課程及自主分析自動化過程

1 以液位、溫度控制自動化過程貫穿全課程

液位控制和溫度控制是化工過程中兩個最典型的簡單控制系統，也是學生非常熟悉的兩個控制系統。通過液位控制系統的講解能方便地綜合自動控制系統的特點、被控對象的建模方法、液位檢查傳感器的概念、控制閥的氣開、氣關形式以及控制系統的過渡過程，如果進一步強調流入、流出液體的控制的概念，則可以引申出化工過程中常用的流量檢測和控制的方法；通過溫度控制系統能方便引入檢查溫度的兩種方法一熱電阻和熱電偶檢測方法、電流電壓變送器、DDZ系列控制儀表的特點、惠氏電橋的工作原理以及顯示環節的功能。可以看出，采用這兩個典型的控制系統不僅能涵蓋“化工儀表及自動化”這門課程的絕大多數知識點，而且能幫助學生建立控制系統的整體概念。

2 以兩者結合來講解復雜控制系統

復雜控制是學生非常難以深入理解的一個概念，為加深學生對這個概念的理解，筆者結合化工工藝原理，提出一個既需要控制溫度又需要控制液位的一個控制系統，通過該控制系統的講解，使學生明白了如何由簡單控制構成復雜控制的原則，串級控制的應用場合和特點、理解了根據不同的應用場合需要改變內外環的結構以及其他復雜控制的特點。

3 提倡自主分析自動化過程

在教學過程中發現，很多同學書本上和筆者列出的實例雖然能夠較好地歸納這門課程的主要內容，但與實際的化工自動化還有較大的距離。基于這一點，筆者要求學生以其他相關課程中有關的化工自動化實驗為基礎進行適當擴展或者利用實驗室的其他設備進行組合式實驗設計，提交出初步的設計依據、具體元件選擇和控制系統構成方案，并采用互動的環節進行探討。實踐表明，采用自主分析自動化過程后的方法，由于其鮮明的背景及理論聯系實踐的特性，特別能激發學生的研究興趣和探索熱情。

四、重視實驗環節

1 精選實驗內容。并與化工工藝過程聯系

實驗是理論聯系實踐的重要手段，要加深學生對課程的理解，首先就應該精選實驗內容，實驗的內容最好能覆蓋大部分教學內容，根據這一原則，本教研組選擇了由熱電偶和熱電阻構成的自動溫度控制系統、光纖測位儀、電流變送器等實驗環節，通過實驗大部分學生理解了化工儀表及自動化裝置的作用原理、構成、自動控制控制方法、各種在生產實踐中廣泛使用的傳感器的操作方法以及完成實驗操作、數據處理、儀表的使用等基本訓練，加深了對理論知識的理解。此外，筆者在實驗后還要求學生采用實驗中使用的各種儀表構成的典型化工工藝過程控制，并給出控制方法，通過這一環節，啟發了學生創造性思維，提高其根據具體情況，運用不同方法，解決實際問題的能力。

2 增加智能儀器比例。拓寬學生的知識面

根據目前化工過程的自動化程度越來越高的特點，本教研組還增加了基于微處理器的智能型溫度控制儀表的實驗，通過該實驗，學生明白了智能儀表具有能夠任意設定給定值、控制精確和數字顯示等特點，使學生能與教材上有關智能儀表的內容緊密聯系起來，掌握了控制儀表發展的趨勢，又能使學生了解和掌握了智能儀表的構成、功能、調試及使用方法。

五、結束語

在“化工儀表及自動化”課程教學中。筆者采取了上述做法并積極思考和實踐，使學生能較快地掌握該課程的主要知識點，并在分析、解決問題和理論聯系實踐的能力上有了較大進步。總之，教師除了自身應努力學習新知識外，還應根據學生的特點和知識體系，及時對教學方法進行適當的調整，探索新的教學模式和規律，盡力做到“教學相長”，使學生能長時間保持學習主動性。

(文字編輯、責任校對：王麗華)