民族高校化工儀表及自動化課程教學改革探索

張煜華，洪景萍，趙燕熹，劉成超

(中南民族大學 化學與材料科學學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

化學化工相關制造業是社會經濟發展的重要基礎產業，不僅解決人們的基礎物質需求，在解決環境污染、醫藥健康、能源保障及高端材料制造等方面問題中也具有重要作用，為構建現代社會生活做出不可替代的貢獻。隨著現代化學工程、環境技術以及生物醫藥等化學化工相關工業技術及科技的發展，所涉及的生產過程對化工儀表及控制設備的使用要求不斷提高，以滿足持續化、安全化、精確化及自動化的生產要求[1]。精確、穩定及智能的化工儀表及自動化控制技術在不同需求場景的廣泛應用，推動了相關產業的快速發展，是確保現場生產裝置實現高效安全運行的關鍵之一。自動化控制技術目前是工業生產技術中發展趨勢較快的前沿高科技技術，在各行各業中的應用需求呈現爆發式增長，培養滿足社會需求，掌握生產自動化相關理論和實踐知識的高素質高級專門人才顯得尤為迫切[2]。生產過程自動化，不僅實現工人繁重勞動替代，克服外在干擾，穩定操作工藝，而且能增加生產安全度，提高生產效率，保障產品質量穩定性，降低單位成本[3]。

傳統人工操作的生產方式效率及安全度較低，難以滿足現代化工技術發展需求，化工類生產過程的自動化替代快速發展，這促進了人才市場對即懂化工技術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人才素質的要求，國內多數高等院校的化學、環境及化工類等專業均將化工儀表及自動化作為一門專業核心基礎課程課來開設教學。化工儀表及自動化課程涉及化學工程、儀器儀表、過程控制及自動化等學科理論知識，是一門與生產實踐密切相關的綜合技術學科，具有涵蓋的專業知識廣及學科交叉性強等特點[5-6]。通過該課程的深入學習，可以掌握溫度、壓力、流量及物位等生產實際中常用工藝參數的檢測方法與相應儀器儀表的基本知識；理解不同類型自動控制系統的基本組成、控制規律、工作原理及各環節的作用特點；初步掌握自動控制系統投運與控制器參數整定；了解學科相關檢測技術與復雜自控制系統最新動態發展趨勢[7]。因此，無論從實踐應用能力提升還是科學研究思維培養方面，提升本課程教學質量都對學生專業綜合核心能力構建有至關重要貢獻。

民族類高校與一般高校的辦學方針上存在一定的差異，其首要重任是為民族地區服務，依據少數民族地區社會發展的實際需求，培養民族人才[8-9]。在自動化控制工程技術人才方面，面對科技和工農業日新月異的高速發展現狀，急需具有專業工程理論知識、綜合分析實踐能力及創新意識等素質的應用型科學技術人才[10-11]。因此，根據少數民族地區化工產業發展對化工自動化方面人才的需求，從少數民族學生的理論知識基礎特點出發，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方面的缺陷，有必要從教學內容、教學理念及教學方法等方面深入探索民族類高校化學化工專業化工儀表及自動化課程的教學改革，以期夯實學生的理論知識基礎，提升學生的創新思維和實踐應用能力。

1 基本情況與面臨的問題

1.1 民族類高校學生的基本情況

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

1.2 課程教學中面臨的問題

化工儀表及自動化課程是高校化學工程與工藝、應用化學、環境工程等本科專業學生高年級階段所修的專業核心課程之一[3]。該課程核心內容包括：控制系統基本概念；化工過程特性及其數學模型建立；常用的壓力、流量、物位及溫度參數檢測儀表；自動控制儀表與執行器；復雜控制系統與計算機控制系統；典型化工單元控制等。該課程內容涵蓋面較廣，學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，大部分學生感覺學習難度較大、學習負擔較重。特別是來自偏遠民族地區數學、物理、化工等基礎科學知識背景偏弱的學生，在學習過渡過程特性及其數學模型構建、自動控制系統PID參數設置與整定、復雜控制系統設計應用等單元知識要點時面臨著許多困難，給整體的教學計劃實施和教學目標的實現帶來嚴重的不對稱性。因此，有必要針對性了解民族高校少數民族學生各學科基礎背景，遵循民族高校少數民族學生的知識體系架構特點，結合基礎知識教評體系、網絡信息資源和發展目標進行課程教學規劃與改革建設，構建合理的分層教學目標，因材施教，改進和豐富教學模式，理論結合實踐，提高課程教學質量、培養調動學生自主學習的積極能動性，是課程建設中需關注的重點。

圖1 化工儀表及自動化與學科知識的聯系

2 教學過程改進

2.1 課程內容分層教學

分層教學主要是任課教師根據班級學生的以往學習基礎，在開展教學的過程中，強調基礎理論重點，突出實踐應用要點，引入行業發展熱點，拓展理論與實際結合難點。針對不同學科基礎和發展意向的學生制定差異化培養方法，在教學的重點、要點、熱點以及難點的掌握程度上設定不同的教學目標與要求。例如：對簡單控制系統的基本組成、執行器的類型與特點、檢測儀器儀表的基本構造與測試原理等概念性的重點內容，要求所有學生必須深入理解，并在實踐應用中能根據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學模型的推導、基本控制規律的證明、比例積分微分控制器參數設定與整定原理等難點內容，要求數理基礎較好學生掌握，而對數理基礎較差學生來說，就可以只理解數學模型和基礎參數描述的意義，基本控制規律的實質過程等，具體的推導或證明過程可不做要求。另外，優化原來多依附于教材體系的教學內容，針對基礎好的同學，引導關注化工儀表及自動化領域的最新研究的熱點以及最新的復雜控制技術發展方向。同時根據實際生產中控制系統自動化、智能化以及集成化的發展與應用趨勢，降低復雜理論要求，減輕部分基礎欠缺學生的學習難度，強化實際操作和工程應用背景內容教學，幫助學生在理解的基礎上熟悉操作使用要點。分層教學的實質目標是希望盡最大可能實現因材施教，激發具有不同學習基礎學生的學習研究潛能，發展實踐創新能力，促進學生綜合能力的整體提升。

2.2 豐富理論教學方法

化工儀表及自動化課程教學中，涉及高等數學、化學化工、儀器儀表、自動控制等學科，理論基礎知識點較多，內容抽象，邏輯性強，跨度寬，以往大部分理論部分內容的教學多是以多媒體PPT演示為主加上板書輔助講授的方式進行，教學過程相對單調。在講授對象的靜態與動態特征、對象特性參數、控制規律特點及自動控制系統參數整定等理論課程內容時，部分基礎知識有所欠缺的同學，內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造時，儀表結構相對復雜，缺乏直觀實物展示和現場功能演示，學生多只能從實物平面圖像與工程截圖中獲得初步感性認知，學習興趣度不高。為此：

(1)針對理論知識難點內容，借助學習通線上教學平臺，增加了課外網絡教學微課視頻，方便同學們隨時隨地借助網絡及時預習和復習難點內容，強化理論知識理解。

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

(3)模塊化分階翻轉教學。首先將課程內容分解為基本概念與原理、簡單控制系統、復雜控制系統和典型化工單元控制系統等四個基本教學模塊，每個教學模塊又逐級逐步遞進展開，如圖2所示。最終在完成課程有機系統學習的過程中，不間斷強化和鞏固相關知識要點，并積極探索翻轉課堂建設方式，調整課堂與課后作業的形式，讓所有同學參與到相互出題的課外任務過程中，然后以隨機選題完成作答的方式完成知識點強化復習。

圖2 自動控制系統組成模塊

2.3 注意實踐教學過程

化工儀表及自動化課程教學涉及到的實驗與實踐學習環節過少，多以理論講授教學為主。但是，如果一味的進行枯燥的理論講授教學，不僅讓學生對課程的學習提不起強烈的興趣，還會讓學生固化課堂知識的理解，不利于培養科學基本素養和開拓創造思維。實際上測量儀表、傳感器和自動控制系統在日常工作和生活中應用非常廣泛，在日常生活和專業實踐應用的過程中有不少待優化的問題仍然有待解決。在理論教學過程中，盡可能的引入實踐案例，啟發學生理論聯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設備和工業固定床反應器上的控溫案例，然后引入熱電偶分度型號，選型與安裝要點等；在講對象數學模型的建立方法時，介紹化工原理課程中一些典型經驗方程式的發現和發展歷史，并討論及其基礎化工原理套管換熱器液-液熱交換系數測定實驗，如何通過實驗獲取了數據后計算液液熱交換系數，區分參量模型與非參量模型的構建方法和適用情況；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，關聯線性范圍選擇與線性相關系數求法的基本原理，理解并聯或串聯后控制閥流量特性曲線的畸變規律。另外，以全國大學生化工設計競賽和化工實驗大賽為項目依托，積極開展項目導向型教學探索，鼓勵學生在參與競賽的過程中，強調通過工藝與實驗設計模擬真實工廠的設計應用場景，應用化工儀表及自動化知識開展設備儀表計算選型、管道流程設計以及控制系統定型等工作。課堂上針對性強化學習有關知識點，鼓勵學生理論聯系實踐，應用課程中所學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，將學科理論知識融入到項目實踐過程的方方面面，可以提高學生實踐技能，培養學生團結協作能力，實現解決專業工程問題能力的有效提升。

3 課程考評體系的優化

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重比例為70%，平時成績的權重比例為30%。考核內容側重自控系統基本概念、控制原理、儀表工作原理與性能指標等理論知識考察點，對實踐操作缺乏合理的考核方案。在這種考核方式下，數理理解基礎相對差的少數民族地區學生考試成績普遍不高，嚴重影響課程及學科知識的學習興趣。

3.2 課程考評體系優化后情況

鑒于本課程知識面向化工生產自動化過程，工程應用、綜合實踐性操作性強，對原有考評體系進行了優化，弱化了純理論考核成績占比比重，增加了平時實踐應用成績比重。課程考評體系優化后，課程總成績由期末考試成績、課程學習匯總報告成績、實踐項目成績以及平時成績(課堂與課后作業、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，促進學生持續理解學習和實踐鞏固學科知識，考核成績可較全面立體的反應學生理論知識理解、實踐運用、改進創新的學科綜合工程能力。

4 結語

在民族高校化工專業學生存在顯著差異化學科基礎的背景下，對化工儀表及自動化課程的教學過程的主要矛盾進行了分析，對課程內容、教學策略、理論與實踐融合以及考評體系等方面的教學改革進行了初步探索，期望通過強化基礎理論訓練與工程實踐應用相結合的教學方案，努力建設培養面向民族地區的科技應用型人才的高質量課程。