“熱工過程自動調(diào)節(jié)”課程實驗實踐教學改革和實踐

陳畢勝?郭蘭蘭

摘要：實驗實踐教學環(huán)節(jié)是“熱工過程自動調(diào)節(jié)”課程教學過程的關(guān)鍵。以該課程教學內(nèi)容、課程體系和教學方法改革為核心，開展了相應的實驗實踐教學研究工作，針對目前該課程實驗實踐教學存在的問題，提出了課程實驗實踐教學改革的設(shè)計思想和方法。通過教學實踐證明，改革設(shè)計思想的實施既能滿足課程教學的要求，也能滿足后續(xù)課程對熱工過程自動調(diào)節(jié)知識的需求，還能因材施教滿足部分優(yōu)秀學生對該課程知識的需求，效果較好。

關(guān)鍵詞：熱工過程；自動調(diào)節(jié)；教學改革

作者簡介：陳畢勝（1977-），女，湖北崇陽人，山東科技大學機械電子工程學院，講師；郭蘭蘭（1979-），女，山東昌邑人，山東科技大學機械電子工程學院，講師。（山東 青島 266590）

基金項目：本文系2010年山東科技大學教育教學研究“群星計劃”項目（項目編號：qx102031）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0103-02

“熱工過程自動調(diào)節(jié)”課程是熱能與動力工程、火電廠集控運行和生產(chǎn)過程自動化等專業(yè)或?qū)I(yè)方向的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要內(nèi)容是結(jié)合熱工過程自動化技術(shù)及其發(fā)展，應用火力發(fā)電廠中自動調(diào)節(jié)實例加以分析，有較強的工程實用性。開設(shè)本課程的目的是使學生掌握自動調(diào)節(jié)的基本理論，了解火力發(fā)電廠熱工過程中主要的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，掌握發(fā)電廠自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本分析、整定方法，培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力，為學生學習后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程、拓寬專業(yè)知識面、開拓新的技術(shù)領(lǐng)域以及從事專業(yè)工作打下必要的基礎(chǔ)。

注重工程實際的交叉與關(guān)聯(lián)，是教好該課程的關(guān)鍵，因此該課程的實驗實踐教學環(huán)節(jié)必不可少，且尤為重要。一般該課程設(shè)置為2～3學分，36～60學時，其中課內(nèi)實驗教學4～6學時。以期通過實驗實踐教學環(huán)節(jié)鞏固學生所學理論知識，培養(yǎng)學生的觀察能力和實踐能力，完成對實際工程狀態(tài)的熟悉及工程操作的學習，把知識真正融入實踐。因此，在全面了解相關(guān)院校該課程實驗設(shè)置情況和社會對該專業(yè)的需求的情況下，在發(fā)揚傳統(tǒng)學科特色的基礎(chǔ)上，融入了高新技術(shù)知識，以本課程教學內(nèi)容、課程體系和教學方法改革為核心，開展了相應的實驗實踐教學研究工作。

一、實驗實踐教學現(xiàn)況

在教學過程中進行實驗教學是教學實踐的基本手段，是對課堂知識的檢驗和鞏固，是培養(yǎng)學生技能的重要手段。實驗教學從形式上分為演示型實驗和仿真型實驗兩種，而實驗類型又分為基礎(chǔ)型實驗、專業(yè)技能型實驗和綜合性實驗。基礎(chǔ)型實驗主要為應知應會等原理性實驗，一般由教師演示講解、學生觀摩驗證即可；專業(yè)技能型實驗主要訓練學生的動手能力，由教師指導學生按步驟要求操作完成即可；綜合性實驗是難度較大的實驗教學環(huán)節(jié)，需要學生獨立或在教師指導下按實驗項目和要求自行設(shè)計實驗方案并完成實驗過程，包括實際應用創(chuàng)新性實驗等。

“熱工過程自動調(diào)節(jié)”課程教學內(nèi)容涵括自動控制、自動調(diào)節(jié)的基本理論，火電廠主要熱工過程的調(diào)節(jié)整定過程，電廠集散控制系統(tǒng)（DCS）等。本課程實踐教學目前主要是開設(shè)課內(nèi)基礎(chǔ)型實驗和專業(yè)技能型實驗，課內(nèi)基礎(chǔ)型實驗的主要內(nèi)容為基本調(diào)節(jié)過程（如P、PI、PID等調(diào)節(jié)）的動態(tài)特性及基本整定方法，教師通過課堂演示講解來實現(xiàn)；專業(yè)技能型實驗具體可選實驗內(nèi)容有單容水箱動態(tài)特性測取、雙容水箱動態(tài)特性測取、雙容水箱對象的控制整定與串級控制系統(tǒng)整定等。目前學生實際操作的實驗有兩個：單容水箱對象的動態(tài)特性測取以及控制參數(shù)整定、單回路控制和串級控制系統(tǒng)整定。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管現(xiàn)有的實驗教學使學生對自動控制系統(tǒng)動態(tài)特性有了較深入理解，且能根據(jù)實驗結(jié)果分析系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的選取對系統(tǒng)性能的影響，還能對一般控制系統(tǒng)進行實驗整定，學生分析、解決實際問題的能力得到了鍛煉，但還存在一些不足：

第一，學生所進行的實驗仍然是傳統(tǒng)的應知應會等原理性實驗，實驗模型和過程已經(jīng)搭建、約定俗成，由實驗指導教師統(tǒng)一準備、介紹、講解、分析和指導，學生只要按照固定的實驗操作規(guī)程一步一步去完成、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理和計算，然后依照模板寫出實驗報告并上交，最后由實驗指導教師批改報告并給出實驗分數(shù)即可。這種實驗教學模式在很大程度上限制了學生的學習積極性，缺乏實驗的設(shè)計和準備等，不利于學生分析問題、解決問題和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。[1]

第二，現(xiàn)有實驗是由一套實驗臺結(jié)合組態(tài)軟件來完成，學生分成若干小組，部分學生對實驗數(shù)據(jù)進行記錄，實驗效果不明顯，還有許多如為什么要這么做、如何來做等問題需要解決。

第三，目前未開設(shè)實際熱力系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程和參數(shù)整定實驗，有能力、有興趣的學生得不到鍛煉，無法發(fā)揮其創(chuàng)造力和實際動手操作能力。

針對現(xiàn)有實驗教學中存在的問題，通過課程教學組的討論分析，對原有實驗教學進行了整合，提出了實驗實踐教學改革的設(shè)計思想和方案。

二、實驗實踐教學改革的設(shè)計思想

在現(xiàn)有教學條件基礎(chǔ)上，按照“高等教育要拓寬專業(yè)業(yè)務范圍，加強實踐環(huán)節(jié)的教學訓練”的精神，創(chuàng)建了綜合實驗實踐教學體系，即創(chuàng)建由課堂演示實驗、課外操作實驗、綜合應用設(shè)計組成的多層次的綜合實驗實踐教學體系。將課程實驗教學過程分為三部分：

1.課堂演示實驗

在教學過程中根據(jù)教學內(nèi)容進行原理性驗證演示實驗，使學生深入直觀掌握課程基本理論、基本知識、基本技能，為將來能熟練地應用這些基本技能和方法奠定基礎(chǔ)。

2.課外操作實驗

開設(shè)開放式自主實驗，利用現(xiàn)有實驗設(shè)備和條件，一方面可繼續(xù)完成原實驗安排，另一方面可由學生通過學習現(xiàn)有實驗臺配套組態(tài)軟件，自行組態(tài)設(shè)計相關(guān)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)并進行實驗，以加深學生專業(yè)基礎(chǔ)應用能力。

3.綜合應用設(shè)計

通過應用專業(yè)基礎(chǔ)知識和已掌握的專業(yè)方法和技能，結(jié)合實際工程應用進行設(shè)計，檢驗所學知識與實踐能力，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力和綜合素質(zhì)。該類實驗項目要求與實際工程應用相結(jié)合，這類實驗由指導教師給定設(shè)計目標和設(shè)計思路，由學生分組獨立完成。

在綜合實驗實踐教學體系的基礎(chǔ)上，還補充開展了學生自主性、研究性學習。在課堂教學之余，支持學生參與教師相關(guān)課題科研項目，參加課外科技實踐活動，鼓勵學生參加“挑戰(zhàn)杯”設(shè)計大賽、專利設(shè)計申請等。這樣不僅可以提高學生的基本實驗技能，還可以引導學生學習科學研究的基本方法，努力創(chuàng)造條件培養(yǎng)學生獨立進行實驗實踐的能力。[2]

三、實驗實踐教學改革的實踐與優(yōu)化

根據(jù)實驗教學過程中學生普遍出現(xiàn)的現(xiàn)象和反映的問題，為使學生在較短的時間里掌握相關(guān)的知識，在課程講授內(nèi)容和方法、實驗實踐過程安排、評價體系等方面進行了不斷完善。

在“熱工過程自動調(diào)節(jié)”課程教學中，為強化實驗實踐教學環(huán)節(jié)，具體將課程實驗實踐教學體系設(shè)計為三個模塊，即：熱工過程自動調(diào)節(jié)的驗證性實驗、熱工過程自動調(diào)節(jié)的工程性實驗、熱工過程自動調(diào)節(jié)的綜合性實踐。

1.熱工過程自動調(diào)節(jié)的驗證性實驗

這個模塊主要實現(xiàn)課程基本理論的特性演示實驗，由任課教師在課堂教學過程中借助MATLAB軟件完成。學生在課堂就可觀察典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性以及環(huán)節(jié)中各參數(shù)對動態(tài)特性曲線的影響。從簡單的P調(diào)節(jié)、PI、PD調(diào)節(jié)到PID調(diào)節(jié)，從單回路控制系統(tǒng)到串級控制系統(tǒng)等，使學生對基本原理部分有感性和直觀的認識，以加深對基本知識點的理解。課下學生也可以自己上機通過MATLAB軟件自行驗證，熟悉基本控制、調(diào)節(jié)原理。

2.熱工過程自動調(diào)節(jié)的工程性實驗

這個模塊主要實現(xiàn)課程中基本自動調(diào)節(jié)過程的參數(shù)整定，由教師指導，學生利用熱能實驗室現(xiàn)有的實驗平臺和組態(tài)軟件MCGS，按原則性調(diào)節(jié)過程要求設(shè)計并完成單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)和串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性測取以及調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定實驗。使學生對電廠基本調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法和參數(shù)選取對控制系統(tǒng)性能的影響有直觀認識，加深學生對課程教學內(nèi)容的理解和掌握。

3.熱工過程自動調(diào)節(jié)的綜合性實踐

這個模塊完全以生產(chǎn)實際為對象，實現(xiàn)課程理論知識與實際應用的結(jié)合，不僅考察學生的動手能力，要求學生能夠綜合利用所學的知識，獨立分析、解決生產(chǎn)實際過程中遇到的問題，而且要協(xié)調(diào)同組人員共同努力才能完成實驗任務，鍛煉了團結(jié)協(xié)作的能力。在該環(huán)節(jié)中，筆者結(jié)合課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計，將學生分成了若干小組，并借助北京恒河大風軟件提供的熱力發(fā)電廠教學型仿真軟件，完成了工程實際的自動調(diào)節(jié)過程（如300MW機組汽包水位控制系統(tǒng)、鍋爐再熱、過熱汽溫控制系統(tǒng)等）。在該實踐過程中，學生從分析調(diào)節(jié)過程被控對象被調(diào)量的動態(tài)特性入手，提出了控制調(diào)節(jié)方案，進行了不同方案的比較，以論證方案的可行性，總結(jié)被控對象的特點和實際可行的控制策略，并完成該控制系統(tǒng)仿真建模和系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定過程，為工程應用提供參考。圖1、圖2為學生在課程設(shè)計過程中開發(fā)的300MW機組串級過熱汽溫系統(tǒng)原則性方案和整定曲線。

“熱工過程自動調(diào)節(jié)”課程實驗實踐教學體系從結(jié)構(gòu)上遵循由淺入深、由易到難的原則，使學生從被動學習過渡到主動思考。在實踐之初，首先由教師介紹原則性的基本方案，并采用提出問題、解決問題，不斷提出問題、不斷解決問題的啟發(fā)式和討論式教學方法來組織課堂教學，傳授給學生的是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原則，讓學生充分認識基本方案的設(shè)計思想，培養(yǎng)學生舉一反三的能力，為了解熟悉現(xiàn)場的調(diào)節(jié)系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。然后在課程的實驗實踐教學環(huán)節(jié)中由學生分組討論、設(shè)計某一熱力系統(tǒng)實驗方案，完成控制調(diào)節(jié)過程，以提高學生分析和解決實際問題的能力。

實驗教學從層次上分為基本實驗和設(shè)計型實驗兩個層次，前者對全部學生開設(shè)，后者則對部分優(yōu)秀學生開設(shè)。在教師的指導下，學生可充分利用熱能專業(yè)實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，自己查閱資料，確定實驗項目并設(shè)計實驗內(nèi)容，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研能力。

在評價方法上，不再以學生實驗過程中對參數(shù)的準確度控制為標準，而是通過綜合性實驗過程，使學生能夠比較系統(tǒng)的、宏觀的掌握電廠熱力控制系統(tǒng)，能夠理論聯(lián)系實際來分析、解決所遇到的問題，同組學生之間能夠協(xié)調(diào)完成仿真實驗過程。[3]

四、總結(jié)

學生通過貫穿于“熱工過程自動調(diào)節(jié)”課程教學全過程的三個實驗實踐性教學模塊的學習，加深了對課程重點和難點的理解，充分調(diào)動了學習的主動性和自覺性。在循序漸進的分層次的實驗實踐教學環(huán)節(jié)中，使學生從掌握單一知識到掌握綜合知識；從單純的理論知識到實際的工程知識；從被動地接受知識到主動地學習知識。實驗實踐教學的設(shè)計達到了課程教學的目的。學生對能源動力系統(tǒng)（發(fā)電廠）的主要控制調(diào)節(jié)過程及控制方案等有了更深入的了解，能從系統(tǒng)的、宏觀的角度去了解本專業(yè)的相關(guān)基本知識。

通過這兩年的教學實踐證明，上述設(shè)計思想的實施，既能滿足課程教學的要求，也能滿足后續(xù)課程對熱工過程自動調(diào)節(jié)知識的需求，通過因材施教，還能滿足部分優(yōu)秀學生對熱工自動調(diào)節(jié)知識的需求，收到了良好的效果。

參考文獻：

[1]夏家群，李滬萍，羅康碧.熱能與動力工程專業(yè)綜合實驗改革的探索[A].Scientific Research，2012 Conference on Creative Education[C].

2012：1063-1065.

[2]施永紅，云峰.“熱工控制系統(tǒng)”課程改革探索與實踐[J].中國電力教育，2012，（18）：54-55.

[3]高琪瑞，李東海，等.能源動力仿真實驗教學系統(tǒng)設(shè)計與應用[J].實驗技術(shù)與管理，2006，5（23）：84-86.

（責任編輯：孫晴）