应用型本科高校在提高自动化...与过程控制教学实践性的研究_沈一蕊.pdf

第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023应用型本科高校在提高自动化仪表与过程控制教学实践性的研究沈一蕊,沈梁钧,尤玉静,周 琦,唐 豪,赵云涛(宁波工程学院材料与化学工程学院,浙江 宁波 315211)摘 要:从分析我校自动化仪表与过程控制课程教学的现状出发,探讨了在提高自动化仪表与过程控制教学实践性上的一系列改革措施,将企业工程师授课、企业实习、实训中心实习、课程设计、案例教学、专业竞赛等训练融入课程教学,教学实践证明这些教学改革措施能够有效提高课程的实践性,有利于培养学生的创新能力、分析和解决问题的能力和其他综合能力,为今后从事相关工作奠定基础。关键词:自动化仪表与过程控制;教学实践;教学改革;应用型高校中图分类号:G420 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0245-04 基金项目:宁波工程学院高教研究课题工程案例在提高课程教学实践性中的研究(2021NGGJA16);宁波工程学院科研启动金基金资助项目;2021浙江省教育科学规划课题“认证引领,平台支撑”化工类工程师 ASCEP 能力提升方案的探索与实践(2021SCG094)。第一作者:沈一蕊(1992-),女,博士,讲师,主要从事化工专业教学与科研工作。Study on Improving Practice of Course of Automatic Instrument andProcess Control in Applied Undergraduate UniversitiesSHEN Yi-rui,SHEN Liang-jun,YOU Yu-jing,ZHOU Qi,TANG Hao,ZHAO Yun-tao(College of Materials and Chemical Engineering,Ningbo University of Technology,Zhejiang Ningbo 315211,China)Abstract:From the analysis of the current situation of Automation Instrument and Process Control course teaching,aseries of reform measures were discussed,including the enterprise engineer teaching,enterprise practice,training centerinternship,curriculum design,case teaching,professional competition training,etc,so as to improve the practice ofautomation instrument and process control course.Teaching practice proved that these teaching reform measures caneffectively improve the practicality of the course,was conducive to cultivating students innovation ability,problemanalyzing and solving and other comprehensive abilities,and a foundation was laid for related work in the future.Key words:Automation Instrument and Process Control;teaching practice;reform in education;applieduniversities作为教育部首批卓越工程师教育培养计划实施院校、国家产教融合工程建设高校,宁波工程学院以办好应用型本科学校定位,与宁波石化区和大榭开发区紧密联系,积极推进产教融合,以培养综合实践能力强,具有创新意识的高级技术与管理人才为目的。随着科学技术的不断发展,化工生产过程主要以自动化生产系统为主,自动化仪表和过程控制系统的发展和应用改变了劳动方式,减轻了人的劳动强度,改善了工人的工作环境,极大提高了生产效率,保障安全生产,使化工过程的连续生产成为可能。随着化工生产过程的大型化和复杂化,对化工生产过程中的自动化仪表与过程控制提出了更高的要求。仪表与自动控制装置作为企业的核心,对从事相关工作的工程师来说也提出了更高的要求,必须熟悉掌握各种自动化仪表、自动控制系统及其他自动化工具,才能进行有效的工艺优化和技术升级1。在此背景下,自动化仪表与过程控制课程对于化工专业学生是必不可少的基础课程,在培养大纲里面是必修课,在校大学生需要掌握相关的自动化仪表与过程控制的知识,了解当前最新的自动化技术,为未来从事相关工作打下扎实的基础。1 教学现状及存在的问题自动化仪表与过程控制课程是一门理论课,课程内容涉及化工生产过程中使用的各种仪表、控制器、执行器、简单控制系统和复杂控制系统的工作与设计原理,课程内容多,包含的专业基础知识多,学科交叉性强,主要以理论教学为主,不易理解,缺少实践环节。课程所用的教材为厉玉鸣等编著的 化工仪表及自动化 第六版,很多知识点是对以往知识和经验的总结,但是随着科学技术的进步,化工领域的仪表及自动化控制技术已经进行了大量的更新换代,目前化工生产过程中常用的化工自动化仪表及过程控制知识并未在教材中出现,教材内容与实际生产过程中应用的仪表与自动化系统有脱节,学生通过教材不能获取目前最新的化工仪表及自动化方面的知识和技术2-3。课程的授课模式仍是以教师讲授为主,采用“课堂授246 广 州 化 工2023 年 2 月课-课后布置作业练习-课间答疑”的方式,没有实践环节,学生不能接触到化工生产中常用的仪表与设备,不能将授课内容进行转化,不能充分调动学生的学习兴趣4。另外,学生对课程内涉及到的控制系统方面的知识、机械原理、电工学等内容不熟悉,学习热情不高,也增加了教学的难度5。在课程评价上,主要采用“平时成绩+期末成绩”的方式,还是以理论知识考察为主,实践练习欠缺6。但是,该学科具有极强的实践指向性特征,需要大力培养学生的实践能力,目前的教学方法无法使学生积累相应的自动化仪表与过程控制的操作能力。基于课程实际现状,紧密联系化工企业,结合我校化工水污染治理与控制实训中心、企业实习、课程设计和专业竞赛,从提高学生实践能力的角度出发,聚焦实际工程案例,提高学生将理论知识应用于实际生产案例的能力。具体教学改革内容如图 1所示。图 1 自动化仪表与过程控制教学改革内容示意图Fig.1 Schematic diagram of the teaching reform of automation instrument and process control2 教学改革措施通过分析自动化仪表与过程控制课程的性质、特点以及以往教学过程中存在的问题对课程进行改革,主要是从提高课程的实践性出发,增加实践环节,引入案例教学。紧密联系石化区企业,关注自动化仪表与过程控制技术的发展,不断更新丰富教学内容,通过案例教学法、实训中心实习、企业实习、课程设计、鼓励学生参加化工专业设计竞赛等措施,不断强化实践教学,将理论教学与实践教学融合互补,不仅增强了学生的学习兴趣,也能够扩宽学生的知识范围,提高学生将理论知识用于解决实际问题的能力,为培养兼具创新精神和实践能力的应用型技术人才打下坚实的基础7-10。结合本校实际情况,重点突出常用仪器、仪表的工作原理、特点、适用场合及其使用。在教学方式改革上,通过课堂授课、实物演示及操作、图片视频展示、多媒体应用、网络教学平台、视频、现场实训等,做到教学手段多样化。具体内容为:(1)更新教学内容,讲授最新化工生产中使用的自动化仪表与过程控制内容优化教学内容,充分利用宁波石化区的优势,加强与企业的联系,聘请在企业工作多年的仪表与自动化控制方面的专业工程师进行授课,以化工生产实际使用的自动化仪表与过程控制系统为例,通过实物演示及操作、图片视频展示等环节,讲授工业上常用的自动化仪表与过程控制系统,补充最新的知识,拓宽学生知识面,弥补教材内容较为陈旧、工程案例少的缺点,使教学内容与实际充分结合。同时,设立仪表实物展示区,方便任课教师对典型仪表的安装及使用进行演示和讲解,展示的仪表包括法兰截止阀、单向阀、安全阀、压力表、差压液位计、温度变送器等,学生可以真实接触部分常用典型仪表,加深对仪表的认识。(2)结合本校化工水污染治理与控制实训中心,进行实地教学,观察现场展示的各类检测仪表和自动化控制设备本校化工水污染治理与控制实训中心是为满足实践性教学需要配备的装置,具有整套的污水处理设备,可进行实验室废水、废液和生活污水的处理,另外设置厌氧反应器(UASB)、过滤、好氧生化和沉淀四套旁置式小型实验装置,方便实验和小型试验研究的开展。整个实训中心配备自动控制系统,使用各种检测仪表与控制阀门,包括磁浮子翻柱液位计、涡街流量计等各种检测仪表和球阀、截止阀等控制阀门,均为实际工业生产中所应用的仪表与控制系统。自动控制系统与操作装置结合,既可以让学生训练内操又能实现外操,是一个实践性极强的实习中心。实训中心已建立网络教学平台,课前学生可以通过网络教学资源进行预习,课上再到实训中心实习,极大地提高了学生的学习兴趣,增强实践学习,加深对自动化仪表与过程控制知识的认识,有效提高课程的实践性。(3)利用案例教学法,将工程案例引入理论教学自动化仪表与过程控制课程是一门综合性很强的化工专业类课程,它涵盖仪器仪表学科、化工工艺学、计算机学科和自动控制学科的内容,同时也是一门实践性很强的课程,课程中所涉及的仪表光靠图片和视频还不能充分理解,需要进行实物展示和使用,最终目的是将所学知识应用于工业实践中。因此自动化仪表与过程控制课程不仅需要讲好理论知识,更应该注重理论知识在实践中的运用,将化工水污染治理与控制实训中心中的一些简单控制系统引入课堂,通过分析、讨论来引导学生提出自己的设计方案,培养学生将理论知识应用于实际案例的能力。案例教学法是一种启发学生独立思考、分析、解决问题的教学方法,能够使学生成为教学活动的主体,形成一种学生自主学习、研究性学习和探索学习的开放式学习方式,能够将理论知识充分结合实践问题,充分调动学生学习的积极性,提高学生的创新能力。实际教学过程中,教师提前设计好相关的案例,案例的选择遵循与化工专业背景紧密结合、具有典型性和代表性、学生较为熟悉的原则。比如我们将化工水污染治理与控制实训中心中的污水储罐的液位控制引入教学。储罐的液位控制是简单控制系统中一个简单而基础的自动控制系统,难度适中,学生可以根据所学知识进行合理的设计,同时,前期在实训中心的实地实习也为污水储罐液位控制的设计提供了前期基础,在掌握工艺流程与原理的基础上,更有利于学生实现控制系统的设计。储罐是石油、化工生产过程中必不可少的基础设备,用于物料的储存,储罐液位控制的主要参数涉及出口与进口物料流量,相对于反应釜和精馏塔等设备,储罐的液位控制系统较为第 51 卷第 3 期沈一蕊,等:应用型本科高校在提高自动化仪表与过程控制教学实践性的研究247 简单,有利于学生进行初步练习。对污水储罐来说,为安全起见,储罐内的液体禁止溢出,储罐内污水的液位为被控变量,储罐为被控对象,相关的测量元件变送器为相关液位的检测仪表,控制器为液位控制器,执行器为阀门。然后选择合适的操纵变量,当选择流入量为操纵变量时,控制阀安装在流入管道上,为了防止液体溢出,根据实际控制阀类型,选择合适的控制规律。当操纵变量增加时,被控变量液位是上升的,对象的作用方向为正。根据简单控制系统是一个闭环负反馈系统,结合控制阀和对象的作用方向,控制器选择合适的控制方向。当选择流出量为操纵变量时,控制阀安装在流出管线上,这时为了防止污水的溢出,选择控制阀的作用方向。当流出量增加时,被控变量液位是下降的,所以对象是负作用方向,再根据控制阀的作用方向,选择控制器的作用方向,使整个液位控制系统形成一个闭环负反馈系统。在一个储罐液位控制系统的基础上,还可以增加两个、三个或者多个液位控制系统,增加设计的难度,也增加了案例教学的灵活性。这样在实训的基础上,挑选实训中部分自动化控制设备作为教学案例,能够激发学生的学习兴趣,得到更好的教学效果。学生在前期的实训环节也已经熟悉案例的整个流程、原理和案例中可能会发生的问题,同时又有实际的设备作为依据与基础,能够更好的调动学生的积极性,培养学生分析和解决问题的能力,极大地提高了课程的实践性。在教学过程中,教师主要起到引导的作用,要充分调动学生的积极性,密切关注学生的进度,进行适当的指导,保证每个学生都能够得到充分锻炼,顺利完成任务。(4)从课程设计中进一步培养、提高学生实际工作的能力课程设计是一个综合性极强的实践教学环节,给学生提供一个将理论知识应用于实践中的机会,帮助学生加深对理论知识的理解,考察学生对知识的应用能力。课程设计与化工水污染治理与控制实训结合,根据整套污水处理的流程,选择具有典型代表的自动化控制工段,设计课题。学生分成若干小组,根据课题进行组内分工、讨论,根据所学知识进行设计、绘制工艺管道及控制流程图,最后进行 PPT 展示,不同小组之间进行比较、交流。通过课程设计的训练,可以将自动化仪表及过程控制的理论知识进行实际运用,提高学生的综合能力,教师再根据每个小组的完成情况进行打分,作为课程总成绩中的一部分。(5)鼓励学生参加化工设计竞赛学科竞赛是教学的有力补充,参加学科竞赛可以有效培养当代大学生的创造力、激发其深度学习的潜力、培养科学思维和锻炼实际动手操作能力。在经过案例设计、课程设计后,再进行化工设计竞赛的训练可以大大激发学生的潜能,提高知识的运用能力。我院一直以大学生化工设计竞赛为契机,鼓励学生积极参加竞赛,以赛促学。与案例教学和课程设计相比,化工设计竞赛是一个更加具有挑战,涉及化工专业课程最广的实践过程。参加竞赛的过程,是一个将过去所学知识融会贯通,应用于实际的过程,并且完成化工竞赛作品的时间久,学生可以全身心投入,真正将理论知识应用于实践中。经过多年的教学与积累,我院化工设计竞赛取得了可喜的成绩,学生的专业水平也得到了大幅度的提高,毕业后从事相关化工行业的学生均受到企业的认可。(6)充分利用工厂实习环节,在实践中深入学习自动化仪表与过程控制的知识深入企业进行生产实习是化工专业学生在毕业前的一个重要环节,作为一所应用型本科高校,重视学生毕业前的生产实习过程,努力为学生提供一个深入企业学习的机会,帮助学生熟悉化工生产的工作环境,提升自身的专业素养,也有助于学生对未来工作的选择。我校与宁波石化区和大榭开发区紧密联系,与宁波中金石化有限公司、浙江镇洋发展股份有限公司、中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司等大型化工企业建立了长期稳定的校企合作关系,共同建立多个生产实习基地。在实习过程中,增加有关自动化仪表与过程控制课程知识的内容,帮助学生了解自动化控制设备,学生可以实地观察和使用当前化工生产过程中常用的检测仪表、变送器、执行器、大型化工设备和现场控制装置,提高对现代化工先进自动化技术的认识,开阔眼界,全面提高对专业知识的理解能力和对现代化工先进技术的认识,为以后从事相关专业奠定基础。(7)增加课程思政内容培养学生的安全环保、工匠精神、创新精神和实践能力也是教学过程中的一个重要环节。在教学过程中,授课教师要不断学习,掌握最新的工艺与技术,加强自身修养,要将安全环保、工匠精神、创新精神和实践能力融入到课程教学中。对于仪表工艺师要求有一种严谨认真、追求完美、精益求精的工匠精神。化工生产是一个复杂、危险和高耗能的过程,我们需要在教学中灌输安全环保的理念,同时对于仪表与工艺的创新与改进也是未来相关工作中重要的一部分。在教学过程中潜移默化地将安全环保、工匠精神、创新精神和实践能力等观念渗透入学生思维习惯中,力图在教学过程中实现专业知识的建构与社会、经济、文化等的发展之间的融合,培养学生的社会责任感、跨文化交流意识与能力11。(8)考核模式的改革立足于提高学生综合应用能力,对课程的考核模式进行改革,将课程考核模式从原来的“平时成绩+期末考试”的单一模式发展到“笔试+课堂互动+课程设计”,从多方面考查学生对课程内容的掌握程度以及综合运用知识的情况,使考核的方面更加全面,促进学生综合能力的提高。3 结 语通过转变教学理念、更新教学内容、丰富教学方法、改革考核方式等探索自动化仪表与过程控制课程的教学改革,最终教学目标是使学生不仅能够掌握理论知识,还能培养实践操作能力,发展学生综合素质。通过融合本校化工水污染治理与控制实训中心,丰富教学内容,培养学生观察实际复杂工程问题的视角,通过“企业工程师授课+案例分析+实践”多种教学方式增强学生学习的积极性与兴趣,认识和分析实际化工设备中的自动化仪表与过程控制知识,通过“笔试+课堂互动+课程设计”强化课程知识难点、重点内容的学习,提高学生的创新应用能力。参考文献1 吴晓欣,彭家喜,杨绍明.化工仪表及自动化教学改革实践与探索J.教育现代化,2018,5(43):62-63,66.2 王光辉,匡亚莉,邓建军,等.“化工仪表及自动化”教学课程改革与探讨J.广州化工,2017,45(22):157-158,172.3 许木.探究应用转型下化工仪表及自动化教学方式J.才智,2017(10):114.4 周街荣,李青飞,赵义.化工仪表及自动化与精馏实训融合式教学探讨J.广东化工,2020,47(7):214,226.5 宋玉鹤,宋娟,梁吉雷.案例教学法在化工仪表及自动化教学中的实践探析J.化学工程与装备,2017(12):348-350.(下转第 262 页)262 广 州 化 工2023 年 2 月图 5 双电极电解水系统示意图(a),Co NF 2 h|Co NF 2 h 和 Pt/C|Ir/C 的 LSV 极化曲线(b)以及在电流密度为 10 mA/cm2的电势(c),Co NF 2 h|Co NF 2 h在 1 M KOH 溶液中的稳定性测试(d)Fig.5 Schematic diagram of water electrolysis by dualelectrodes(a),LSV curves(b)and applied potentials at10 mA/cm2for Co NF 2 h|Co NF 2 h and Pt/C|Ir/C(c),stability test of Co NF 2 h|Co NF 2 h in 1 M KOH solution(d)4 结 语我们探索了一种改进的 Co NF 2 h 纳米线双功能电解水催化剂,用于1 M KOH 的整体水裂解。Co NF 2 h 表现出优良的HER 和 OER 活性,并且具有较低的电荷转移阻力和较大的比表面积,可以暴露出较多的催化位点。在双电极电解水体系中,Co NF 2 h 仅需要 1.67 V 的电池电压即可达到 10 mA/cm-2的电流密度,与商业 Pt/C|Ir/C 体系相当(1.66 V),且在连续电解试验中性能衰减可忽略不计。本实验是面向本科生的一项综合性创新实验,由本科生参与包括文献调研、材料合成、性能表征、数据处理与分析的全套过程。该综合性实验的开展不仅丰富了学生的科学知识,提高其科学素养,也为其将来从事相关的科学研究工作奠定了基础。参考文献1 WANG J,CUI W,LIU Q,et al.Recent Progress in Cobalt BasedHeterogeneous CatalystsForElectrochemicalWaterSplitting J.Advanced Materials,2016,28(2):215-230.2 ZOU X,ZHANG Y.Noble Metal-Free Hydrogen Evolution Catalysts forWater SplittingJ.Chemical Society Reviews,2015,44(15):5148-5180.3 宋树芹,王毅,王昆.溶剂热法制备 Pt/C 催化剂及其电催化氧还原反应活性研究的综合实验设计J.中国现代教育装备,2020(23):23-26.4 周炎,王兆杰,刘大鹏,等.自支撑电极材料的制备及其电解水性能实验设计J.化学教育(中英文),2017,38(24):22-27.5 游诚航,王向辉.化学综合实验教学方案的探索与设计:碳纳米片的制备及其氧还原性能J.广东化工,2018,45(6):231-233.6 WANG J,XU F,JIN H,et al.Non-noble metal-based carboncomposites in hydrogen evolution reaction:Fundamentals to applicationsJ.Adv Mater,2017,29(14):1605838.7 KIM J,KIM B,KIM H,et al.Recent progress on multimetal oxidecatalysts for the oxygen evolution 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