水箱液位控制系統理實一體化教學設計*

李小玉，陳平清，谷雪賢，劉 敬，范 紅

(1 中山火炬職業技術學院，廣東 中山 528436；2 茂名職業技術學院，廣東 茂名 525000；3 中山愛護日用化工有限公司，廣東 中山 528436)

為提升制造業的國際競爭力，我國提出了“更新技術，升級設備，實現生產、管理現代化”的發展的目標。此外，人力資源成本、生產質量保障等因素也促進了化工、輕工等工業生產過程自動化進程。隨著生物化工類企業自動化生產線“數字化制造”技術的廣泛應用，現代生物化工類企業對既懂生產工藝又懂自動化控制的高素質綜合人才的需求日益旺盛。《化工檢測及過程控制技術》對學生崗位職業能力培養和職業素養的形成起著明顯的支撐作用[1-2]。通過本課程的學習，達到生物化工類企業生產操作類、基層管理類等崗位任職要求，并形成良好的職業素質和職業道德[3-4]。學生能在掌握常用控制儀表知識和化工過程控制基本理論的基礎上，能熟練地選用與維護的檢測、控制儀表，熟練地調試、運行與維護常用過程控制系統，掌握簡單控制系統的開發與組織實施[5]。

為使學生更容易接受并開展各項實踐技能活動，我拋開以簡單控制系統知識傳授為主線的傳統教學，在教學實施過程中，根據學生的專業特色、基礎、愛好等實際情況，結合“化工儀表及自動化大賽”對教材做了重新處理，積極創設貼近工作實際的教學項目，采用任務驅動法教學方式，在教學活動培養學生自主學習和合作互助的學習習慣，激發學生學習的熱情[6-8]。

1 傳統教學弊端

1.1 教學內容抽象

該部分內容主要是：自動控制系統的組成、初步設計、搭建組態、投運、參數整定以及對控制質量的理解。傳統教學過程是教師通過課堂講解，將知識和技能通過圖文的形式介紹給學生，即便是借助視頻、采用互動式教學也難以將儀表及控制方案的有關知識和技能表達的很具體，讓學生易于接受。相比于看和聽，高職學生更傾向于動手做一遍，從實驗獲得感性認識。再順著實物操作過程，將有關概念和知識邏輯理解透徹。

1.2 實踐理論剝離

傳統教學分為理論教學和實踐教學，在具體實施過程中又難以同步，更難做到細節上的工學結合，往往是理論講解枯燥，學生一個環節理解不到就影響下一個環節的學習，等一個章節學習完畢，學生還是對整個章節的學習理解云里霧里。當一知半解的學生走入實驗室，動手操作的時候就布置如何下手了。教師只能再一次概括性的講一遍理論，然而概括性的講解并不能幫助學生快速進入實驗課程。究其原因，理論學習剛結束時已是概念不清、邏輯混沌，加之多數高職學生沒有課外復習習慣，因此理論和實踐教學呈現剝離狀態[9]。

1.3 教學設計困難

高等職業院校側重培養具有解決實際問題的技術技能型人才，顯然對實驗思維能力和動手能力提出了更具體的要求。因此，教學設計應突出行動導向，實踐能力培養為核心，傳統課堂很難實現。而理實一體化課堂的教學項目設計能天然的將實踐教學作為教學設計的核心部分，基于實驗過程設計若干教學任務，以任務驅動相關的教學活動，進而完成過程性考核[10-11]。

1.4 學習興趣寡淡

傳統課堂學生學習狀態和學習活動難以監測和控制，導致部分學生習慣性坐在遠離教師的位置。盡管教師在講臺上興致盎然的授課，學生卻因“聽不懂、不想深入思考”等在低頭玩手機，很難形成一個充分交流和互動的課堂，導致課堂效率低下。

2 內容設計

2.1 教學目標

本項目教學目標分為知識目標、技能目標、情感目標。知識目標是：①掌握簡單控制系統的組成和工作原理。②了解DCS控制系統的組成和工作原理。③了解信號傳遞、控制周期等有關概念。④掌握控制質量評價的性能指標。技能目標是：①DCS控制系統特別是操作員站的操作。②手/自控制模式操作及其無擾切換。③過渡過程曲線的分析與簡單計算。④PID參數選用與整定方法的運用。情感目標是：①嚴謹認真，規范操作的工作態度。②團隊協作，溝通交流的職業能力。

2.2 學情分析

簡單過程控制系統能解決化工生產過程中的80%以上的實際問題，液位是化工生產控制的四大參數之一，因此液位簡單控制系統成為化工生產和相應專業教學的典型案例。液位控制系統廣泛應用于化工各類儲罐、中間緩沖罐、換熱器、蒸餾塔、鍋爐等設備中，以保障設備操作及物料供應的安全，是一類值得研究和推廣應用的化工自動化系統。

水箱液位控制系統教學項目是學生在學習溫度、壓力、流量、物位等檢測儀表、執行器及控制器等控制儀表之后，學生期望是能實現學以致用。具體而言就是將各類儀表應用于具體過程控制，進一步提出控制方案，完成控制系統的搭建、投入、運行。本項目以“實踐能力為核心”的技術技能性很強的一個學習內容，其學習效果直接影響到學生學習興趣及對前后學習內容的融會貫通能力養成。

2.3 教學內容

以上水箱液位簡單過程控制系統為主線，我們將自動控制系統組成、控制質量評價、控制器操作、控制系統搭建和運行等知識和技能進行排序和重新組合，最終分解成4個子任務依次展開，任務是以能力遞進式呈現給學習者，具體安排。

表1 教學內容序化及設計

由表1可知，簡單過程控制系統教學項目依托水箱液位DCS簡單過程控制實驗，以控制系統的“組建組態投入運行質量評價參數優化”為序，基于工作過程循序漸進、由易到難地分解為4個子任務，子任務教學內容依據高職學生認知規律序化后由淺入深地呈現，技能遵循高職學生能力養成規律螺旋上升地鍛煉。

3 教學設計

3.1 教學策略

采用理實一體化教學策略，以“教師為主導，學生為中心”，使用“項目導向、任務驅動”教學方法，將學生分成8個“學習小組”，旨在引導學生通過“自主探究”、“團隊協作”的方法進行學習。創設企業工作情境、安排學生擔任“總工、工程師、操作員1、操作員2、觀察員、測評員”等角色分組展開4個子任務的教學。采用小組自評和互評，以操作結果為導向，將實操過程考核與實驗記錄表考核相結合，形成該小組的項目成績。

3.2 教學過程

課前學生通過手機、電腦登陸學習平臺自主學習，觀看“4個子任務實操微課”，根據網上發布的學習指南和學習分組情況進行預習并完成相應的任務，在線自測以檢驗自己是否達到上課要求。

課堂中首先，任務導入，播放生產現場視頻，下發本次子任務“任務單”、“實操手冊”和“實驗記錄單”，讓學生明確學習任務，任務單的設計務必有相關的知識羅列，具有一定的學習指南功能。實操手冊設計應要簡潔明了、步驟清晰，具有實操性。實驗記錄單設計應與教學環節和實驗步驟緊密結合，具有一定的指引功能。

第二步，明確任務，創設學習情境，小組劃分并分配學習角色，結合現場儀器設備向學生簡單介紹子任務有關的知識和細節、允許學生拍照和錄音，做好小組記錄。采用問題討論以檢驗學生知識儲備與儀器儀表認知情況，并向學生宣布小組學習目標。

第三步，制定計劃，依據學習目標，各小組召開實驗實施前碰頭會，以教師子任務“任務單”、“實操手冊”和“實驗記錄單”為主要材料，結合自己網上搜索材料，討論實踐過程技能點、操作步驟、可能出現的情況及應對策略。對操作過程、注意事項和目標達成有一個清晰的認識，制定本小組實操計劃。

第四步，實施計劃，領取相關材料和實驗裝置，按規范對設備管路、儀器儀表線路、DCS控制柜、操作員站進行復位，經教師復查后。依據小組制定的計劃完成相應圖紙或控制方案圖的繪制，進行管路閥門的開關、儀表通電、DCS通電、操作員站的開機等操作。依據制定的實驗步驟和參數，進行實驗操作，并將實驗結果記錄在實驗記錄單上。

第五步，檢查控制，教師和從各小組中推選的1名觀察員組成項目過程考核小組，對項目小組實操成果進行驗收，如有錯誤應及時指導和糾正該小組的學習進程。

第六步，評價反饋，各組先進行項目展示，并對本組學習和實操進行自評，結合小組互評和教師點評，得到該組項目成績。教師應對各組表現特別是操作過程中存在的問題進行細節點評，給出合理建議。

課后引導學生繼續閱讀相關小論文和企業實施案例，布置梯度化的作業，完成子任務相關等拓展任務。將所學知識應用到實際產品中，培養學生學以致用的能力。

4 教學反思

理實一體化教學設計，信息化教學手段的應用，項目引領，任務驅動的教學方法為學生提供了一個以“教師為主導，以學生為主體”課堂教學和學習的大舞臺。避免了傳統傳授式教學的枯燥、抽象，使教學內容變得形象、生動，改變了學生懈怠、被動的學習狀態，極大地調動了專業學生學習積極性和學習熱情，提高了學生課堂參與度。以上是我們針對新形勢下的任務和要求，對《化工檢測及過程控制》課程進行的教學設計與實踐。當前新時代對技能人才質量要求高，我們還需要進一步努力，培養學生審慎的思辨能力、扎實的實踐技能和深厚的人文素養，能將國家發展需要，與自身條件和自身興趣相結合，做好職業生涯規劃。