動力工程測控技術實驗教學改革探索

黃曉璜,崔國民,田　昌,張慧晨,鄒艷芳,盛　健

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

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動力工程測控技術實驗教學改革探索

黃曉璜,崔國民,田昌,張慧晨,鄒艷芳,盛健

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

摘要：“卓越工程師教育培養計劃”是國家培養高素質工程技術人才的重要教學改革。在“卓越計劃”的目標指引下,結合上海理工大學動力工程測控技術實驗建設,從實驗課程內容設置、實驗教學模式轉變、實驗教學考核辦法、創新實訓平臺等方面進行實驗教學改革,力爭建設有利于培養學生實踐能力和創新能力的實驗教學體系。

關鍵詞：卓越計劃;實驗教學;改革探索

國內高等教育人才培養模式存在重知識輕能力、重傳承輕創新、重守業輕創業、重單一型輕復合型等弊端,因而造成學生實踐動手操作能力差等問題。高質量的人才不僅要具有寬廣深厚的知識,還要具有較強的實際應用能力。“卓越工程師培養計劃”是教育部著力實施的針對高等工程教育的重大改革項目,也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措[1-2]。其最核心的內容就是人才培養,而課程教學與學生學習投入在高等工程教育中發揮著核心作用,其質量高低直接決定著人才培養的質量[3],其中,實踐教學環節是該計劃的重點[4]。融合知識與能力、理論與實際的重要形式,對于全面培養學生的創新意識、創業能力、創造精神發揮著重要作用。

國外,尤其是歐美發達國家的高等教育,非常重視實驗教學對學生創新能力和綜合能力的培養,具有比較成熟的經驗和傳統[5]。國外實驗教學一般是在實驗前安排學生對所做實驗進行講解和討論,鼓勵學生提出新的想法和做法;對實驗成績的考核,往往是通過考察學生的實驗前演講、實驗過程中的動手能力、思考與觀察、實驗報告的內容、學生的創新意識等進行綜合評價。

國內各高校通過反思高等教育的教學現狀,借鑒國外高校成功經驗,在實驗教學方面,均進行了不同程度的教學改革。比如,華中科技大學提出了全開放創新型的實驗教學模式,該模式將實驗內容分成遞進即“基礎”、“設計”、“創新”三個層次,經實踐教學檢驗是可行且有效[6]的;上海交通大學和西安交通大學提出多層次實驗教學模式,從多層次實驗教學模式的思路、內容和經驗出發,闡述了在高素質人才培養方面的優勢[7-8];清華大學和同濟大學提出層次化實驗教學改革,從教學目標、教學內容、教學模式、教學實踐,證明了層次化實驗教學對培養學生的創新意識、探索精神和實踐能力大有裨益[9-10]。這些實驗教學改革,為我國實驗教學改革和實驗教學體系的構建提供了有利的依據,使學生在動手能力、獨立思考能力、解決問題能力方面得到較大的改善。

“動力工程測控技術”是上海理工大學能源與動力工程學院本科生最主要的主干課程之一。該課程是研究熱工參量測試方法以及動力設備控制技術的一門綜合課程,是實現熱能動力設備自動化運行、監控和系統運行優化的專業基礎課程之一,也是進行更深入的科學實驗研究的基礎,是上海理工大學能源與動力工程學院培養應用型人才不可或缺的專業技能課程。該課程的重點是動力工程測控技術的基本原理的掌握和實際動手操作能力的培養兩個方面,而這兩方面能力的培養離不開實驗教學的支撐。結合國內外高校對實驗教學改革的探索,上海理工大學動力工程測控技術實驗教學進行了改革探索,取得了一定的效果。本文據此進行介紹,以供相關院校參考。

一、課程實驗內容設置

上海理工大學動力工程測控技術實驗室是能源與動力工程學院國家級實驗教學中心的子實驗室。該實驗室以往主要側重熱工基本量的測量,實驗臺位主要涉及溫度、壓力、流量、流速等標定及測量,而較少涉及到控制系統、現代測量與先進過程控制、傳感器測試技術、計算機綜合測控等等。因此,結合本專業的需求及發展,將動力工程測控技術實驗室拓展為課程基本量實驗、熱工參數控制實驗、課程開放式實驗、復雜系統計算機綜合測控實驗等4個層次化模塊。該課程實驗在相應實驗模塊下分層次開設相應實驗,一般分配為4+2+1+1(即4個課程基本量實驗,2個熱工參數控制實驗、1個課程開放式實驗、1個復雜系統計算機綜合測控實驗),共有8個實驗項目,每個實驗為2個學時,共16學時。

(一)課程基本量實驗

課程基本量實驗包括溫度檢測技術實驗、壓力計量檢測技術實驗、流量計量測試技術實驗、流速計量測試技術實驗等。目前開設課程包括熱電偶、熱電阻標定量測原理與實驗;活塞式壓力計標定實驗;孔板、電磁、轉子、渦輪流量計的標定;校準風洞畢托管標定實驗等4個實驗。如熱電偶、熱電阻標定量測原理與實驗要求學生針對不同的被測溫度對象,自己選擇各種不同型號的熱電偶、熱電阻,在不同溫度范圍內進行標定(低溫標定、中溫標定、高溫標定),自主擬訂實驗方案,選擇實驗方法,搭建實驗平臺,完成實驗全過程。使學生了解熱工基本量的測量方法,學會使用測量技術,掌握基本量的標定方法,提高應用理論知識對測量誤差進行處理分析的能力。

(二)熱工參數控制實驗

一個簡單的控制系統由一個被控對象、一個測量元件和變送器、一個控制器、一個執行器組成的單回路反饋控制系統。本實驗課程模塊可實現溫度、流量、液位、壓力等典型參數控制。該實驗的學習可以使學生了解控制系統的結構和組成,掌握傳感器的結構原理和使用方法,了解P、PI、PD、PID四種調節器分別對溫度、流量、液位、壓力控制的作用,掌握參數整定方法等。通過改革探索,上海理工大學能源與動力工程測控技術實驗室主要設置了上水箱液位PID整定實驗、串接雙容水箱液位PID整定實驗、三容水箱液位定值控制系統實驗、鍋爐內膽水溫PID控制實驗、鍋爐夾套水溫PID控制實驗、單閉環流量PID控制實驗等。該模塊使得學生對自動控制系統有了更形象的了解,提高了學生動手的興趣,拓展了學生的工程設計能力,更接近于工作要求。

(三)課程開放式實驗

課程開放式實驗是指對熱工參數(溫度、壓力、流量)檢測儀表的認識、使用及其加工,簡單控制電路的設計和實驗,各種傳感器的組合安裝設計等內容,完全從創新和應用角度培養學生實踐動手能力和科研能力,提高學生對專業學習的興趣和創新能力。通過眾多可選擇的、易實現的、效果明顯的小型實驗,學生自己設計、自己動手、獨立實驗。該系列環節,讓學生獲得成就感,提高對動力工程及工程熱物理學科的學習興趣。比如上海理工大學開設有創新型檢測及控制實驗實訓平臺,實驗臺由公共平臺和多種實訓單元組成。其中公共平臺包括系統軟件,多路直流電源,信號采集單元,系統控制單元(單片機、ARM、智能調節器等),智能變送器單元,操作臺;實訓單元是由仿真或縮微各類工業現場測控系統,配置工業傳感器,由學生動手組建測控系統。

(四)復雜系統計算機綜合測控實驗

現代工業中,單一設備的控制質量并不能完全反映整個系統的控制質量,因此面向系統的全局控制成為控制課程的一個重點。應用計算機DDC控制、DCS控制手段,實現多參數、多過程的復雜控制系統實驗對提高學生綜合素質具有重大意義。復雜系統計算機綜合測控實驗可實現溫度、液位、流量、壓力等單變量的控制,實現各種參數的仿真采集操作,同時也可實現壓力、溫度、流量等多變量控制。本實驗模塊要求學生選擇實驗對象,自主擬定實驗方案,選擇實驗方法,自行設計單變量或多變量過程控制程序,完成仿真實驗過程。在計算機上模擬出與真實裝置相一致的實驗環境。該復雜系統計算機綜合測控實驗對學生實踐動手能力和系統設計能力有一定的提高。

二、實驗教學模式的轉變

(一)重視實驗教學

傳統的教學模式重視理論教學,忽視實驗教學,把實驗教學看作理論教學的附屬,只是加深對理論的理解。然而,“卓越工程師培養計劃”其中之一就要求培養學生的工程能力和創新能力。因此,必須轉變教師和學生的觀念,把實驗教學和理論教學同時重視,甚至更應重視實驗教學。因為在實踐的過程中,學生才能真正地應用所學知識,不斷自我發展、自我創造,提高動手能力、創新能力,不斷發展成為具有綜合素質強、適應時代發展的人才。因此,學院專門設置實驗教學、實驗室建設與管理的三位一體、全責分明、政令一致、辦事效率高的實驗教學中心。該中心力爭為實驗教學改革、人才培養提供高效優質服務,優化保障實驗教學與改革及實驗室正常運行經費,為實驗教學和改革提供有力支撐。傳統的實驗任課教師一般為理論課兼職教師,為了更好得執行實驗教學中心職責,實驗教學中心引進7名專職實驗教師,設置專門辦公室,實行辦公統一化,這不僅有利于各項工作的開展,有利于學生答疑,也有利于實驗教師交流教學方法、教學經驗等。另外,上海理工大學為動力工程測控技術實驗室的建設提供充足的資金支持,在實驗設備的購入、實驗條件的改善、實驗項目的增加上給予重視。

(二)建設能源動力實驗中心網站

為了有效實施開放性實驗教學和資源共享,運用計算機網絡技術開發設計實驗室網站系統。實驗中心建立了自己的網站并設有實驗設備、實驗指導書、實驗課件、實驗視頻、精品課程、教研成果等網絡資源。該網站實現了網上選課、教學信息發布、實驗安排等,學生可在中心網站進行實驗預習、觀看實驗視頻、模擬仿真實驗,該措施明顯提高了教學效果,激發了學生的學習興趣,拓寬了視野,啟發了學生的創新意識,同時,給予學生更大的自主選擇權,培養學生自主能力。

(三)改變實驗教學手段

傳統實驗教學主要是要求學生按實驗指導書規定的實驗內容、實驗方法和實驗步驟等進行實驗,實驗過程中學生不需要深入思考,而只是機械的按照實驗指導書進行操作。使學生對實驗指導書過分的依賴,這樣不利于學生創新能力的培養,學生的學習主動性得不到充分發揮,也違背了求異的科學求知思路。

實驗教學方法的改革必須符合學生的認知規律和實際水平,實現以學生自我訓練為主的實驗教學新模式,根據不同的實驗內容,實驗中心采用三種教學手段:1)以教師為主體的傳統啟發式教學[11],包括講授法、演示法、觀摩法等,主要針對課程基本量實驗內容模塊、熱工參數控制實驗模塊,這種方式培養了學生自主學習能力和創新能力;2)以教師和學生合作共同參與的研討式、案例式、體驗式教學手段,這種方式注重對學生知識、能力與綜合素質的培養;3)由教師布置實驗項目,學生查閱文獻資料,設計實驗方案,分析實驗結果,撰寫實驗報告,這種方式主要是引導學生獨立思考、自由發揮和自覺學習,培養學生創新意識與創造性思維。比如實驗教師在學生簽到時,以提問方式檢查學生預習情況,并提示學生抓住上課前10分鐘時間預習實驗;在實驗課開始后,運用實驗錄像、CAI多媒體等現代化教學工具進行授課。在授課中教師與學生、學生與學生互動,探討實驗方案、生活案例,引發頭腦風暴,促進激烈討論;在實驗操作中,實驗教師在旁巡視,適時提問、提示與幫助。布置每個小組2～3個問題,培養學生提問能力、思考習慣;在實驗結束后,學生統一將自己的實驗成果交給實驗教師檢查,檢查確認后方可離開實驗室,若有學生成果不太理想,實驗教師將安排學生在其他實驗小組的時間里繼續完成該實驗課程的學習。

三、實驗教學考核的改變

實驗課的考核中,堅持把學生的實際技能與分析問題、解決問題的能力作為考核重點,力求對每個學生的成績給出全面合理的評價。傳統的實驗教學考核只針對學生的實驗報告進行考核,該考核方式下,存在實驗報告抄襲、學生實驗過程散漫等現象,考核成績未能全面反應學生的實驗掌握情況,更無法體現實驗教學的作用。鑒于此,實驗中心對動力工程測控技術實驗教學考核進行了如下改變:

實驗中心堅持多項評分實驗考核方法,即實驗預習、實驗過程表現、實驗報告、實驗考試等四個方面進行綜合考核實驗教學。

(一)實驗預習

通過實驗教學中心網站實施,當學生預約某一實驗時,需在網站上完成與本實驗相關的思考題后該實驗方可預約成功。在學生上課前,須給教師查看實驗預習報告。并且,學生在上課前有10分鐘的實驗互動時間,以此充分保證學生能真正做到實驗預習,達到實驗效果。

(二)上課表現

實驗教師對學生在實驗過程中步驟合理性,操作規范性等進行考查。在實驗過程中,教師與學生就實驗進行互動交流,比如在“熱電偶、熱電阻標定量測原理與實驗”時,提問學生“熱電偶、熱電阻標定的原理是什么”、“為什么要對熱電偶、熱電阻進行標定”、“采取什么方法進行標定”、“兩種溫度標定系統的區別與聯系”、“熱電偶、熱電阻標定需要用到哪些設備”、“如何將設備組合搭建為溫度標定系統”等進行互動交流,根據學生的互動表現及實驗過程進行打分。實驗過程中,每個小組都會有至少三個問題的互動交流。這種互動交流讓學生更重視、更投入實驗學習。另外,實驗中心嚴格執行對遲到早退和不認真做實驗的學生給予平時表現適當扣分,不參加實驗課者給予不計成績等措施。通過實踐,實驗教師發現學生更為重視實驗,幾乎不出現遲到早退者,學生在做實驗前能主動預習,實驗過程積極投入,主動與教師探討實驗疑難點。

(三)實驗報告

實驗報告考察學生處理實驗原始數據、繪圖或計算、實驗結果及分析等。實驗教師根據其數據、結論正確性、分析透徹性進行評分。以往實驗報告提交時間在學期末,然而,部分學生由于不自覺未及時完成實驗報告,只能在有限時間倉促完成24份實驗報告,這往往出現抄襲或實驗報告質量較差現象。因而,實驗中心要求學生在下一個實驗課上課時必須上交上一個實驗報告,否則不予上課。該措施執行后,出現了很多學生對實驗報告處理時出現的問題主動到實驗室或辦公室與實驗教師探討,這在以往是很少出現的情況。因而,實踐證明,該方法能有效督促學生自主自覺完成實驗報告,同時,提高了實驗報告質量,達到了實驗教學的目的。

(四)實驗考試

實驗考試主要包括基本理論知識、實驗操作注意事項、實驗方案設計等,為全面考察學生掌握實驗的程度。該實驗考試在學期末進行,與其他理論課考試統一安排。該方式有效督促了學生在平時實驗過程中要多積累,多消化。

綜上,采用多項綜合考核實驗辦法,實現對學生的學習態度、觀察能力、動手能力、思維能力、綜合分析能力等全面考查。該考核方式充分反映了學生的知識、能力和綜合素質,形成真實有效的反饋信息,促進教學質量的提高。

四、設立創新實訓平臺

動力工程測控技術實驗室是科技創新實訓平臺活動基地之一。該創新實訓平臺包括創新實訓類課程、課外科研小組、開放性實驗項目、大學生創新計劃等四個部分。實驗中心為學生提供創新活動設備及場地,該創新活動包括上海理工大學創新基金項目、大學生創新訓練計劃、“久鼎杯”、“漢鐘精機”、“江森自控”及“美的”等各類大學生科技與實踐比賽,同時,實驗中心實驗教師積極指導學生參加科技創新活動。近5年來,創新實訓平臺共接納了400多名學生參加課外科技創新活動,參加科技創新項目150余項。并有多名學生在大學生節能減排社會實踐與科技競賽、中國制冷空調行業大學生科技競賽和全國大學生電子創新設計大賽上獲獎。該創新實訓平臺的建設,為學生參與創新活動提供了平臺,倡導大學生參與創新實驗,為探索創新性人才培養模式提供了視角,使學生得到科研訓練,提高了大學生創新能力和實踐能力。

五、結束語

上海理工大學是“卓越工程師教育培養計劃”的高校,同時能源與動力工程學院實驗中心是國家級教學示范中心,因此,實驗教學改革勢在必行,其對培養卓越工程師技術人才有重要的作用。通過實踐教學改革,從實驗教學內容、實驗教學模式、實驗教學考核辦法、創新實訓平臺四個方面進行改革探索,強化了教學內容,優化了教學模式,綜合了考核辦法,拓展了實踐教學視角。使學生從多角度了解能源動力學科的最新發展趨勢,增強了自主學習的能力,培養了解決實際問題的能力、創新精神和團隊意識,實踐技能得到了明顯提高。在今后的實驗教學過程中注重培養學生的創新思維、創新意識、實踐能力以及解決問題的能力,為培養出國家高素質工程技術人才奠定了基礎。

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(編輯: 鞏紅曉)

E-mail:huangxiaohuang@126.com

Exploration on the Teaching Reform of the Power Engineering Measurement and Control Technology ExperimentHuang Xiaohuang,Cui Guomin,Tian Chang,Zhang Huichen,Zou Yanfang,Sheng Jian

(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：“A plan for educating and training outstanding engineers” is an important teaching reform in training national high-quality engineering and technical talents.Under the guidance of the target,the reform revolves around Power Engineering Measurement and Control Technology experiment in University of Shanghai for Science and Technology,the experimental curriculum setting,the change of the experimental teaching mode,the evaluation of experiment,and innovative practice platform.We are striving for an experiment teaching system that will contributed to training students’ practical and creative ability.

Keywords：excellent program;experimental teaching;reform exploration

DOI:10.13256/j.cnki.jusst.sse.2015.04.020

中圖分類號：G 642

文獻標志碼：A

文章編號：1009-895X(2015)04-0396-05

作者簡介：黃曉璜(1988-),女,助理實驗師。研究方向： 動力工程測控技術實驗教學與研究。

基金項目：2014年上海高校本科重點教學改革項目(滬教委高[2014]23)

收稿日期：2014-06-26