民族高?；x表及自動(dòng)化課程教學(xué)改革探索

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(huì)經(jīng)濟(jì)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(wèn)題中也具有重要作用，為構(gòu)建現(xiàn)代社會(huì)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(guò)程對(duì)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(dòng)化的生產(chǎn)要求[1]。精確、穩(wěn)定及智能的化工儀表及自動(dòng)化控制技術(shù)在不同需求場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，是確?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)高效安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一。自動(dòng)化控制技術(shù)目前是工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中發(fā)展趨勢(shì)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(zhǎng)，培養(yǎng)滿足社會(huì)需求，掌握生產(chǎn)自動(dòng)化相關(guān)理論和實(shí)踐知識(shí)的高素質(zhì)高級(jí)專門人才顯得尤為迫切[2]。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，不僅實(shí)現(xiàn)工人繁重勞動(dòng)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(guò)程的自動(dòng)化替代快速發(fā)展，這促進(jìn)了人才市場(chǎng)對(duì)即懂化工技術(shù)又懂自動(dòng)控制的高級(jí)專門人才需求的快速增加[4]。為了滿足市場(chǎng)對(duì)化工相關(guān)人才素質(zhì)的要求，國(guó)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(dòng)化作為一門專業(yè)核心基礎(chǔ)課程課來(lái)開(kāi)設(shè)教學(xué)?；x表及自動(dòng)化課程涉及化學(xué)工程、儀器儀表、過(guò)程控制及自動(dòng)化等學(xué)科理論知識(shí)，是一門與生產(chǎn)實(shí)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(shí)廣及學(xué)科交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)[5-6]。通過(guò)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(shí)際中常用工藝參數(shù)的檢測(cè)方法與相應(yīng)儀器儀表的基本知識(shí)；理解不同類型自動(dòng)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(diǎn)；初步掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)與控制器參數(shù)整定；了解學(xué)科相關(guān)檢測(cè)技術(shù)與復(fù)雜自控制系統(tǒng)最新動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)[7]。因此，無(wú)論從實(shí)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(duì)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(huì)發(fā)展的實(shí)際需求，培養(yǎng)民族人才[8-9]。在自動(dòng)化控制工程技術(shù)人才方面，面對(duì)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(shí)、綜合分析實(shí)踐能力及創(chuàng)新意識(shí)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(duì)化工自動(dòng)化方面人才的需求，從少數(shù)民族學(xué)生的理論知識(shí)基礎(chǔ)特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)民族類高校在化工人才自動(dòng)化理論和實(shí)踐知識(shí)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?；瘜W(xué)化工專業(yè)化工儀表及自動(dòng)化課程的教學(xué)改革，以期夯實(shí)學(xué)生的理論知識(shí)基礎(chǔ)，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐應(yīng)用能力。

1 基本情況與面臨的問(wèn)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(guó)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(gè)民族的學(xué)生，少數(shù)民族在校生比例超過(guò)60%。部分生源地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和基礎(chǔ)教育水平相對(duì)全國(guó)平均水平明顯落后，學(xué)生在學(xué)科知識(shí)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(wèn)題

化工儀表及自動(dòng)化課程是高?；瘜W(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(jí)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(guò)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(cè)儀表；自動(dòng)控制儀表與執(zhí)行器；復(fù)雜控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)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(shí)交叉融合度高，如圖1所示，部分理論點(diǎn)比較抽象，自控體系邏輯性強(qiáng)，概念和公式繁多，大部分學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)難度較大、學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)較重。特別是來(lái)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(shí)背景偏弱的學(xué)生，在學(xué)習(xí)過(guò)渡過(guò)程特性及其數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、自動(dòng)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(jì)應(yīng)用等單元知識(shí)要點(diǎn)時(shí)面臨著許多困難，給整體的教學(xué)計(jì)劃實(shí)施和教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)嚴(yán)重的不對(duì)稱性。因此，有必要針對(duì)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(shí)體系架構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合基礎(chǔ)知識(shí)教評(píng)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(shí)踐，提高課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極能動(dòng)性，是課程建設(shè)中需關(guān)注的重點(diǎn)。

圖1 化工儀表及自動(dòng)化與學(xué)科知識(shí)的聯(lián)系

2 教學(xué)過(guò)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(jí)學(xué)生的以往學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在開(kāi)展教學(xué)的過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論重點(diǎn)，突出實(shí)踐應(yīng)用要點(diǎn)，引入行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)，拓展理論與實(shí)際結(jié)合難點(diǎn)。針對(duì)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(diǎn)、要點(diǎn)、熱點(diǎn)以及難點(diǎn)的掌握程度上設(shè)定不同的教學(xué)目標(biāo)與要求。例如：對(duì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基本組成、執(zhí)行器的類型與特點(diǎn)、檢測(cè)儀器儀表的基本構(gòu)造與測(cè)試原理等概念性的重點(diǎn)內(nèi)容，要求所有學(xué)生必須深入理解，并在實(shí)踐應(yīng)用中能根據(jù)原理分析解決一般問(wèn)題；就基本原理中較難的過(guò)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(diǎn)內(nèi)容，要求數(shù)理基礎(chǔ)較好學(xué)生掌握，而對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)較差學(xué)生來(lái)說(shuō)，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(shí)質(zhì)過(guò)程等，具體的推導(dǎo)或證明過(guò)程可不做要求。另外，優(yōu)化原來(lái)多依附于教材體系的教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)基礎(chǔ)好的同學(xué)，引導(dǎo)關(guān)注化工儀表及自動(dòng)化領(lǐng)域的最新研究的熱點(diǎn)以及最新的復(fù)雜控制技術(shù)發(fā)展方向。同時(shí)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中控制系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化以及集成化的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)，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(qiáng)化實(shí)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(diǎn)。分層教學(xué)的實(shí)質(zhì)目標(biāo)是希望盡最大可能實(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)控制等學(xué)科，理論基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)較多，內(nèi)容抽象，邏輯性強(qiáng)，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(guò)程相對(duì)單調(diào)。在講授對(duì)象的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特征、對(duì)象特性參數(shù)、控制規(guī)律特點(diǎn)及自動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)整定等理論課程內(nèi)容時(shí)，部分基礎(chǔ)知識(shí)有所欠缺的同學(xué)，內(nèi)容要點(diǎn)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(shí)，儀表結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，缺乏直觀實(shí)物展示和現(xiàn)場(chǎng)功能演示，學(xué)生多只能從實(shí)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(duì)理論知識(shí)難點(diǎn)內(nèi)容，借助學(xué)習(xí)通線上教學(xué)平臺(tái)，增加了課外網(wǎng)絡(luò)教學(xué)微課視頻，方便同學(xué)們隨時(shí)隨地借助網(wǎng)絡(luò)及時(shí)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)難點(diǎn)內(nèi)容，強(qiáng)化理論知識(shí)理解。

(2)在傳統(tǒng)的多媒體課件演示教學(xué)講授過(guò)程中，引入器件實(shí)物、原理動(dòng)圖、構(gòu)件視頻以及模擬仿真等教學(xué)要素，針對(duì)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(shí)加深對(duì)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(jiǎn)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(gè)基本教學(xué)模塊，每個(gè)教學(xué)模塊又逐級(jí)逐步遞進(jìn)展開(kāi)，如圖2所示。最終在完成課程有機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不間斷強(qiáng)化和鞏固相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)，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(guò)程中，然后以隨機(jī)選題完成作答的方式完成知識(shí)點(diǎn)強(qiáng)化復(fù)習(xí)。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成模塊

2.3 注意實(shí)踐教學(xué)過(guò)程

化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)涉及到的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)過(guò)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(duì)課程的學(xué)習(xí)提不起強(qiáng)烈的興趣，還會(huì)讓學(xué)生固化課堂知識(shí)的理解，不利于培養(yǎng)科學(xué)基本素養(yǎng)和開(kāi)拓創(chuàng)造思維。實(shí)際上測(cè)量?jī)x表、傳感器和自動(dòng)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(shí)踐應(yīng)用的過(guò)程中有不少待優(yōu)化的問(wèn)題仍然有待解決。在理論教學(xué)過(guò)程中，盡可能的引入實(shí)踐案例，啟發(fā)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際來(lái)分析和解決問(wèn)題。如：講熱電偶的測(cè)溫原理與適用事項(xiàng)時(shí)，可先介紹實(shí)驗(yàn)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(hào)，選型與安裝要點(diǎn)等；在講對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立方法時(shí)，介紹化工原理課程中一些典型經(jīng)驗(yàn)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(cè)定實(shí)驗(yàn)，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了數(shù)據(jù)后計(jì)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(shí)，可先引入流量控制器在實(shí)際使用過(guò)程中的校正問(wèn)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(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽和化工實(shí)驗(yàn)大賽為項(xiàng)目依托，積極開(kāi)展項(xiàng)目導(dǎo)向型教學(xué)探索，鼓勵(lì)學(xué)生在參與競(jìng)賽的過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)通過(guò)工藝與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬真實(shí)工廠的設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)用化工儀表及自動(dòng)化知識(shí)開(kāi)展設(shè)備儀表計(jì)算選型、管道流程設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)定型等工作。課堂上針對(duì)性強(qiáng)化學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，應(yīng)用課程中所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。與單純的理論授課相比，通過(guò)項(xiàng)目教學(xué)，將學(xué)科理論知識(shí)融入到項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程的方方面面，可以提高學(xué)生實(shí)踐技能，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，實(shí)現(xiàn)解決專業(yè)工程問(wèn)題能力的有效提升。

3 課程考評(píng)體系的優(yōu)化

3.1 以往課程考評(píng)體系情況

我校以往化工儀表及自動(dòng)化課程成績(jī)考核體系中，期末閉卷考試成績(jī)的權(quán)重比例為70%，平時(shí)成績(jī)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(shí)考察點(diǎn)，對(duì)實(shí)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(duì)差的少數(shù)民族地區(qū)學(xué)生考試成績(jī)普遍不高，嚴(yán)重影響課程及學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 課程考評(píng)體系優(yōu)化后情況

鑒于本課程知識(shí)面向化工生產(chǎn)自動(dòng)化過(guò)程，工程應(yīng)用、綜合實(shí)踐性操作性強(qiáng)，對(duì)原有考評(píng)體系進(jìn)行了優(yōu)化，弱化了純理論考核成績(jī)占比比重，增加了平時(shí)實(shí)踐應(yīng)用成績(jī)比重。課程考評(píng)體系優(yōu)化后，課程總成績(jī)由期末考試成績(jī)、課程學(xué)習(xí)匯總報(bào)告成績(jī)、實(shí)踐項(xiàng)目成績(jī)以及平時(shí)成績(jī)(課堂與課后作業(yè)、日常考勤、課堂互動(dòng))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(guò)短期強(qiáng)化記憶理論知識(shí)就能突破總成績(jī)的原考評(píng)體系缺陷，促進(jìn)學(xué)生持續(xù)理解學(xué)習(xí)和實(shí)踐鞏固學(xué)科知識(shí)，考核成績(jī)可較全面立體的反應(yīng)學(xué)生理論知識(shí)理解、實(shí)踐運(yùn)用、改進(jìn)創(chuàng)新的學(xué)科綜合工程能力。

4 結(jié)語(yǔ)

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(duì)化工儀表及自動(dòng)化課程的教學(xué)過(guò)程的主要矛盾進(jìn)行了分析，對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)策略、理論與實(shí)踐融合以及考評(píng)體系等方面的教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索，期望通過(guò)強(qiáng)化基礎(chǔ)理論訓(xùn)練與工程實(shí)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。