“热工过程自动控制”课程教学改革探索

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  摘要:“热工过程自动控制”是能源与动力工程专业的一门重要专业课,该课程与工程应用联系密切,实践性较强。针对目前教学中出现的理论与实际脱离、缺乏对学生工程能力的培养等问题,采取校企合作的方式搭建课程的实践教学平台,通过优化课程体系、改革课程实验、引入企业实践等方式,对原有教学大纲、教学内容和教学方法进行了改革与实践,提升了学生的工程实践能力。
  关键词:校企合作;实践教学;教学改革
  中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)35-0113-02
  “热工过程自动控制”是能源与动力工程专业的一门必修课程,其教学目的是使学生在掌握热工调节原理及电厂热工被控过程的基础上,进一步学习协调控制、锅炉给水控制、汽温控制、燃烧控制、汽轮机控制、单元机组顺序控制、安全监控系统等电厂热工控制系统的基本组成及原理,熟悉火电机组自动控制的典型DCS(Distributed Control System)[1],并掌握热工控制系统的设计、整定及调试方法,为今后从事热工控制系统的工程应用和科学研究打下良好的基础。该课程需要一定的工程应用背景,强调对学生实践动手能力和工程应用能力的培养,既要介绍基本控制理论,又要体现其在热工过程控制中的应用,具有授课面大、实践性强等特点,如仅靠原有的课堂教学加验证性实验的教学模式,容易造成课程教学与社会需求脱节,导致学生缺乏实践经验和动手能力,难以满足企业对工程人才的需求。为适应对口企业对人才工程能力的要求,针对“热工过程自动控制”课程教学中存在的重理论轻实践的问题,通过采取校企合作的方式搭建课程的实践教学平台,引入企业共同制定教学大纲、协助优化教学内容、改革实验教学和增加课程实践,突出对学生实践能力的强化,力求取得更好的教学效果。
  一、教学理念改革,面向工程实践
  作为一门与工程项目和实践经验有密切联系的课程,“热工过程自动控制”既要讲授概念原理,又要开展实践训练,才能使学生真正掌握课程知识。因此,课程改革应当体现“面向工程实践,以科学为基础”的思想,提供宽泛的、坚实的工程科学与技术训练,而不是集中于某一具体的专业方向[2]。结合陕西科技大学能动专业“培养有较强工程实践能力、技术创新能力和较宽适应能力的专门技术人才“的定位,为真正让学生学得进、知识用得上,企业求才易、满意程度高,需要首先从教育理念和教学大纲入手进行教学模式的改革,从注重专业理论教育,转向重视工程能力培养。
  1.积极调研行业发展,把握行业发展趋势
  首先是改变以往按课本教学的思想,通过积极跟随国内外相关行业控制技术发展趋势、深入调查对口就业企业对毕业生工程能力的需求,及时掌握行业最新发展动态和工厂企业对教学内容的改进意见,将课程教学延伸到企业,让用人单位提前参与到学生培养上来,并根据企业制定的工程能力标准对课程的教学内容、质量进行反馈。其次是教师在完成授课任务之外,还需要积极前往合作企业进行实践锻炼,以提高其技术运用能力,拓宽其专业知识面,丰富其工程实践经验,确保任课教师的教学内容不会脱离企业实际。
  2.借助国外先进经验,改革教学模式
  通过借鉴麻省理工学院的CDIO(Conceive Design Implement Operate)教学模式,以构思-设计-实现-运行作为真实工程教育背景环境,积极引导学生参与工程实践活动,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[3]。在课程理论和实践教学时,坚持以学生为中心,通过采取分组讨论等方法充分调动学生的学习兴趣,实现从以“教为主导”向“学为主导”转变从注重学生的全面发展出发,强化其专业技能、学习态度、交流沟通、团队协作能力,培养学生的终身学习兴趣和创新精神[4]。
  3.深化校企合作,共同制定教学大纲
  与大型发电厂、造纸厂能动部门、化工厂自备电厂等对口单位开展合作交流,在保持专业特色不变,充分考虑企业对课程教学内容需求和建议的基础上,共同修订课程教学大纲,确定“工程导向”的知识体系,使课程标准、授课计划和授课内容等在企业的深度参与下进行优化[5]。同时,通过增加实际工程项目、工程设计实验、前沿科技知识讲座、企业课程实践等教学内容,建立课堂讲授和实验实践相结合的教学方式,保证讲授知识的先进性和实用性。
  4.积极联系行业专家,举办专题讲座
  并通过不定期邀请企业技术能手、高校专家教授举办专题学术讲座,讲授与课程教学内容紧密结合的新技术、新应用、工程实例以及技术改造等方面的最新情况,如现场总线控制系统、软测量技术、火电厂ERP(Enterprise Resource Planning)系统发展等,以拓展学生知识面,激发学生学习兴趣。
  “热工过程自动控制”课程的基本改革思想如图1所示。
  二、课程内容改革,优化知识结构
  原有课程教学内容偏重基础概念和理论计算且与“控制工程基础”、“锅炉原理”等课程的部分内容有一定的重复,但缺少工程实际案例、分散控制系统、PLC(Programmable Logic Controller)控制系统及其硬件选型等内容,导致学生普遍缺乏应用能力,所学知识和社会需求不能完全挂钩。为缓解原有课程重理论、轻实践的弊端,通过调整课时分配、增加工程教育、引入前沿知识等方式,优化课程知识结构。
  1.精简课时
  首先是将课堂理论教学由48学时缩减为40学时,削减了与其他课程重复的内容,如控制系统时域、根轨迹、频域分析,单回路、多回路控制系统、锅炉特性分析等内容,并大幅降低了各章节理论分析、公式推导等方面的教学内容,为后续补充工程实践知识留下足够课时。其次是在课堂基础理论教学中采取基于工程背景的案例式教学方式,更多地将工程实际与理论知识关联起来,如在汽包水位控制时就将某制浆造纸企业的碱回收燃烧工段控制系统作为例子引入到课堂,提出其存在的控制问题,引导学生结合所学的课程知识出自己的解决方案,再组织其开展分组讨论,提升了学生的学习兴趣,促进了学生对概念原理的掌握。   2.优化内容。通过不断更新教学内容,保持教学内容的前沿性和新颖性[6]
  如增加了一些控制策略的实际工程应用的案例分析、以及DCS、FCS(Fieldbus Control System)、PLC、常用低压控制电器、气动和电动阀门介绍等内容。通过将工厂常见的控制系统、控制装置及工程实际应用等知识引入到教学中,克服了课堂教学重理论轻实践的弊端,提高了学生的学习兴趣和积极性,实现了人才培养和就业需求的无缝对接,避免了课程教学内容与企业需求脱节的问题。然后是引入新技术、新应用等前沿知识,建立专业核心知识跟随实际需求的动态调整机制。
  三、实验教学改革,引入实际项目
  1.校企合作共同制定“热工检测及仪表实验”的改革方案
  将原有注重基础的实验教学培养体系,改革为突出工程应用能力培养的三个实验模块,即基本实验教学模块、设计性实验模块和工程综合实验模块。基本实验教学模块主要包含验证性实验,面向热工控制的基本概念和原理的运用,实验内容相对简单,其目的是帮助学生理解和掌握课堂知识点,特点是学生只要按实验指导书要求即可完成实验全部内容,如常见典型环节动态特性、单回路控制系统整定、热工仪表的认识等实验。设计性实验主要面向常见热工对象的控制,学生需要按照实验指导书进行控制方案设计、系统硬件搭建、梯形图程序编写及调试,如双水槽液位控制、水箱温度控制等实验。工程综合实验模块,是在与企业工程技术人员一起合作设计的具有工程应用背景和能反应热工控制领域新技术、新应用的实验项目,主要面向工程实际和前沿性知识,培养学生的实践动手能力和知识应用能力,如“智能变送器应用”、“PLC控制系统硬件组态与人机界面设计”等。
  2.从企业获得真实、前沿的应用项目,合作研制面向工程的实验装置
  对于面向工程实际的综合性实验,并没有现成的实验装置可供选购,所以通过采取与企业共同设计、制作、调试、验收实验设备,并合作编制实验指导书的方式,完成此类实验的软硬件平台建设。以“PLC控制系统硬件组态与人机界面设计”实验为例,该实验需要学生自主完成一个热工控制系统的I/O测控点数统计、仪表选型、PLC模块的选择、电气接线图的绘制、控制系统硬件组态、软件编程、人机界面的绘制及系统调试等工作。根据实验要求,与企业合作完成了系统的结构图、电气图和软件等设计,接着选购了所需的控制柜、PLC、开关电源、热电偶、差压变送器、电磁流量计、变频器、气动阀门等硬件,最后对实验装置进行了系统的总装与调试,完成了整个实验的软硬件平台的搭建。
  四、教学方法改革,增加实践环节
  “热工过程自动控制”原有的仅依靠课堂教学和实验教学,存在教学手段单一、对学生吸引力不足的弊端。因此在课程教学中引入企业参观环节,并积极指导学生参与各类与课程密切相关的科技活动,以激发学生的学习兴趣和积极性,加深对概念原理的掌握程度,提升其知识的运用能力。
  1.在教学过程中,引入企业参观环节
  依托校企合作平台,充分利用社会资源,构建有利于提升学生专业技能、工程能力和创新能力的课程实践平台,实现教学与生产的有机结合。让学生在课程学习时就能够置身于工业现场,体验实际工程氛围,与工业实际问题零距离接触,了解“热工过程自动控制”课程与将来工作能力的密切联系。同时聘任企业技术骨干作为企业导师,全程指导学生在企业的学习与工作[7],教师也可以将部分与实践联系密切的授课内容放在生产现场进行讲解,学生随时可以与教师或企业导师在现场仪器讨论交流,使教师言之有物,讲解直观生动,学生看得清楚,学得明白,促使学生掌握工程技术的系统思维方法由模拟型向实战型转变。
  2.开展丰富的科技活动,带领学生参与到科研项目
  首先是支持学生随学随用,将“热工过程自动控制”等专业课程知识运用到各类科技活动中,指导学生参加大学生创新创业计划项目、大学生电子设计竞赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛等科技活动,挖掘专业技能特长,锻炼创新能力,使其获得展现自我能力的机会。实践表明参与这类活动对培养学生科学的思维方式和创新能力,提升综合素养,提高社会竞争力具有显著作用。其次是鼓励学有余力且对科研具有浓厚兴趣的学生加入到教师的科研项目中去,学生在教师指导下进行实际的科研课题研究和实验过程,使学生能够有机会综合利用所学课程知识,了解科研的整个过程,感受课程知识的应用价值,获得科研实践经验。然后是组织开展暑期工程实践活动,由任课教师带领大一、大二能动专业学生深入企业进行调研与实践,了解行业的发展动态,亲身感受工程实际氛围,为在大三学习“热工过程自动控制”等课程打下良好的基础。
  五、结语
  为了真正让学生学得进、用得上,通过对“热工过程自动控制”原有的教学理念、课程内容、实验教学、教学方法等课程教学体系进行的改革和探索,提高了学生对知识掌握程度、强化了学生的实践动手能力、增强了学生解决工程问题的能力、提升了学生的团队协作能力,实现了课程教学目标和企业需求的对接,对培养能在能源、电力、石油、化工、轻工等行业从事研究、设计、制造、管理等方面的工作的高级工程技术人才具有重要意义。
  参考文献:
  [1]巨林仓.电厂热工过程控制系统[M].西安:西安交通大学出版社,2009:1.
  [2]崔军.回归工程实践:我国高等工程教育课程改革研究[D].南京大学,2011:63.
  [3]宋文蕾.CDIO工程教育模式在(过程控制工程)课程中的探索与实践[J].教育教学论坛,2014,(1):206-207.
  [4]谢碧蓉,向贤兵,成福群.“热工控制系统运行与维护”课程教学模式改革探索[J].中国电力教育,2011,(21):159-160,162.
  [5]陈忠仁,王桂莲,李占琪,等.基于校企合作的课程改革研究与实践——以“供配电技术”课程为例[J].中国电力教育,2011,(24):192-193.
  [6]曾竞,王鸿懿.“热工过程控制系统”及其课程设计教学改革探索[J].中国电力教育,2013,(35):70-71.
  [7]张耀辉,段晓华,简世平.“专业导师+能力导师+企业导师”人才培养模式在高职院校中的探索[J].当代职业教育,2014,(1):35,48-50.
  (责任编辑:刘丽娜)
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