“在線分析儀器及應用”教學模式研究與實踐

鐘秉翔 辜小花 聶玲 楊君玲

摘 要 如何提高本科生運用理論知識解決實際工程問題的能力是應用型本科人才培養的關鍵問題。本文采用問題導向教學模式，將在線分析儀器的理論、方法和工程技術有機結合， 采用案例教學、線上線下混合教學、現場仿真實驗等教學方法培養學生的創新思維與實踐能力。實踐表明問題導向教學模式是培養學生創新能力和工程實踐能力的有效途徑。

關鍵詞 問題導向 在線分析儀器 工程技術 教學模式 工程實踐能力

中圖分類號：G424? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.12.048

Research and Practice on Teaching Mode of Online Analytical

Instrument and Application

ZHONG Bingxiang， GU Xiaohua， NIE Ling， YANG Junling

（School of Electrical Engineering， Chongqing University of Science & Technology， Chongqing 401331）

Abstract How to improve the ability of undergraduates to use theoretical knowledge to solve practical engineering problems is the key to the cultivation of applied undergraduate talents. In this paper， the problem-based teaching mode is adopted， which combines the theory， method and engineering technology of on-line analytical instrument organically. Case teaching， online and offline mixed teaching， field simulation experiment and other teaching methods are used to cultivate students' innovative thinking and practical ability. Practice shows that the problem-based teaching mode is an effective way to cultivate students' innovation ability and engineering practice ability.

Keywords problem oriented; on line analytical instrument; engineering technology; teaching mode; engineering practice ability

1 概述

在線分析儀器廣泛應用于石油、化工、鋼鐵、水泥、電力、環保等領域，儀器提供的成分量信息是流程工業、環境監測及其他過程分析等領域的重要信息源，為國家節能、減排、安全、環保以及為推進循環經濟、綠色經濟、低碳排放等發揮了重要作用。[1-2]“在線分析儀器及應用”作為測控技術與儀器專業的一門專業課程，要求學生掌握常用在線分析儀器的基本原理和結構組成，熟練掌握各種分析方法、使用條件及使用范圍。

氣體在線分析技術在我國的應用與研究已有幾十年的歷史了，國內企業自主研發能力得到較快發展。但作為一門本科專業課程在院校開設并不多見，無論是教材、教學內容、教學方法，還是教學過程設計都不夠完善，無法滿足我國在線分析技術領域應用型技術人才培養的需求。我校于2013年在測控技術與儀器專業開設“在線分析儀器及應用”課程，目前教學中存在兩個主要問題：一是授課內容比較陳舊，主要講授在線分析儀器的基本原理，包括光學、電化學、色譜、質譜、熱學、磁學、物性分析儀器的測量原理、結構組成、性能特性和適用場合，缺乏對學生運用理論知識解決實際工程問題的能力的培養。二是從課程教學模式來看，教學仍在很大程度上以教材為主線、以課堂和教師為中心采取講授式教學，授課往往注重現成理論灌輸，學生在課堂上多是被動聽課，難于激發學生獨立思考和主動學習的熱情。

美國精神病學教授霍華德·巴羅斯于1969年首創問題導向學習法（problem-based learning），它是以解決問題為中心的教學方法，[3]本文將改進目前知識本位的課程體系結構，將問題導向學習模式引入課程中，以“解決工程實際問題”作為課程內容的切入點，分析問題產生的原因，查閱文獻資料和技術資料，提出解決問題的思路和方案，采用開放式的教學方式，將理論知識、工程技術有機結合，通過仿真現場的實驗環境對問題的解決方案進行實驗驗證，提高學生的學習興趣，增強學生工程實踐能力的培養，對本科課程教學質量的提升具有積極意義。

2 教學內容設計

教學內容設計的整體思路是將內容分為兩大部分，一是在線分析儀器的基本概念和基本知識，二是各類在線分析儀器的基本原理、結構組成和應用，這部分也是教學改革的主要內容。每種在線分析儀器的教學內容按照“具體問題—在線分析理論—技術應用—技術推廣” 的思路進行組織和整合。[4]教學內容設計包括三個步驟：首先，教師以工程實際作為背景，引入實際工程問題，快速吸引學生的注意力，引導學生思考并進入相關在線分析理論知識領域;然后，系統地學習理論基礎，深入分析其工作原理;最后將分析技術理論和方法應用到實際工程中，并加以推廣，從一個問題推廣到一類問題中，使學生明白在線分析理論和方法的應用范圍，從而增強學生運用理論知識分析工程問題的能力，使其建立起“具體問題—在線分析理論—在線分析儀器原理—在線分析儀器應用—推廣應用”的思維方法。

例如在學習激光在線分析儀器時，分為 3 個步驟教學，首先，引入實際工程案例：某中型合成氨廠，測量合成氣中的氧含量，測量范圍 0～1%O2。用戶發現某國產激光分析儀示值稍低，進口磁氧分析儀示值較高，二者相差約 0.2%O2，認為國產的激光分析儀表不準，磁氧分析儀測量值可靠，2 種氧分析儀到底哪個分析更準確呢。第二步，引入激光在線分析儀器理論基礎，分析激光分析儀器的工作原理、結構和實際應用場合，結合實際現場情況，通零點氣和量程氣時，兩塊表示值相同（零點氣是高純氮，量程氣是以氮為底氣的氧氣），但通樣品氣時，兩表示值就出現了差異，說明由于背景氣組分對磁氧分析儀表示值的影響較大，找到磁氧分析儀產生誤差的原因是煤氣發生爐送來的半水煤氣是一種混合氣，其中以 H2 和 CO 含量居多，這兩種組分都是順磁性氣體，用戶使用零點氣高純氮校準零點時未作零點遷移，所以導致測量值偏高;激光分析儀表屬于光學儀器，不受樣氣組分順磁性或逆磁性的影響，激光分析儀表測量結果是準確的。第三步，進一步推廣應用在合成氨廠的尿素工段， 當用激光和磁氧分析儀同時測量 CO2原料氣中的含氧量時，如果用高純氮校準磁氧表的零點后未作零點遷移，也會出現磁氧表示值偏低，而激光表示值較高的現象。因為 CO2為逆磁性氣體，會將磁氧表的測氧示值下拉，用高純氮校零后，應將零點向上遷移。這樣，通過實際工程案例引入，分析理論基礎和工作原理，分析案例產生原因，并可以進一步推廣到冶金、環境監測等應用領域。

3 教學模式研究

學生缺乏運用理論知識解決實際工程問題的能力的主要原因是：（1）缺乏實際的工程實踐經驗，難于將實際工程問題與理論知識結合起來;（2）課程內容涉及到儀器儀表、分析化學、計算機、通訊等技術領域，知識交叉，具有綜合性、實踐性的特點，目前教學資源不多， 實驗教學設備幾乎沒有，僅僅憑借傳統課堂講授等教學方法只能讓學生覺得學起來枯燥乏味，知識點繁多，上課聽懂下課就忘的局面，教學方法需要針對這些問題進行研究和實踐。

3.1 資源建設

為了通過教學內容和教學方法的改革培養學生的工程實踐能力，改變傳統的教學方式， 需要建設培養學生工程素養的教學資源，包括工程案例庫、在線視頻及相關資源和仿真工程現場的實驗設備。案例庫建設有助于提高學生對工程問題的認識和理解，幫助其理解工程問題的理論基礎和解決辦法，逐漸培養解決復雜工程問題的能力。任課教師深入石油、天然氣、環保企業調研，收集在線分析儀器及系統的應用案例，經過分析整理，提煉其中典型的在線分析理論、分析儀表相關的內容，形成課程案例庫。

由于課程現有的教學資源有限，根據課程教學大綱，確定建設在線課程教學資源，主要包括課件、視頻、習題庫等資源建設。視頻的制作是關鍵，需要認真分析大綱教學要求，問題導入合理，分解章節知識點，編寫教案，完成 PPT 制作，制作視頻，本課程選取石油天然氣行業應用較多的紅外氣體分析儀、紫外氣體分析儀、激光氣體分析儀、氧分析儀、氣相色譜分析儀、熱導式氣體分析儀、微量水氣體分析儀等十余種在線分析儀器，制作了視頻，由案例導入，分析在線分析理論和方法。

為了密切結合工程實際，課程的實驗環節直接仿真實際工程現場，將天然氣凈化工藝過程中采用的在線色譜分析儀、微量水分析儀、H2S 分析儀等以及鍋爐煙氣檢測系統中采用的紅外分析儀及樣品處理系統作為課程的實驗設備，讓學生在實驗中身臨其境，充分理解和掌握油氣在線分析理論和方法。

3.2 教學實施

首先由任課教師根據教學大綱要求，結合實際工程案例或科研課題提出問題，能夠體現教學內容的探究性和創新性，尤其是提出并討論一些工程應用的問題，潛移默化地在課程教學中培養學生解決實際工程問題的能力。學生根據教師提出的工程技術問題，查找資料，觀看在線資源，收集整理資料，參與在線討論，獲得理論知識和解決問題的各種辦法。在仿真現場實驗條件下，將課堂中學習、討論的理論和方法在實驗中實現，在實踐中將理論知識、工程技術有機結合。

例如在學習在線微量水分析器時，首先引入某天然氣凈化廠采用美國 AMETEK 3050 水露點分析儀分析凈化處理后的天然氣水分，但是測量數據不準確的案例。學生課前在網上查找類似案例，在課程網站上學習在線微量水分析器的分析原理、內部結構、樣品處理過程等。在課堂中任課教師積極開展各種形式的專題討論，學生以組別形式進行專題討論，針對專題中出現的問題展開討論。在研究討論過程中，對比氣質條件和其它生產廠同類微量水分析器的應用情況，發現樣氣在送入水露點分析儀前未處理干凈，天然氣中含有的微量醇類、重烴蒸氣污染石英晶體傳感器吸濕涂層，造成水露點示值偏高，屬于樣品處理系統未將雜質過濾干凈。測量數據不準確還有未采取伴熱保溫措施，樣氣中水分隨環境溫度的升降，在管壁上吸附、解吸，造成測量值忽高忽低等問題。課堂討論后又在實驗室進行工程現場仿真的天然氣微量水檢測實驗，學生在實驗中不僅學習微量水分儀的操作，同時學習樣氣的實際預處理過程，培養學生對實際工程問題的分析和解決能力。

4 結論

“在線分析儀器及應用”課程通過問題導向的教學模式，旨在培養學生掌握在線分析儀器的理論及分析方法，培養創新思維，解決工程實際問題的能力。教學內容的組織方 面，根據教學大綱要求，任課教師積極參與行業企業調研，獲取現場第一手資料，在教學中通過各種典型案例實施問題導向教學模式。教學方式的改革是通過案例教學、線上線下混合教學、現場仿真實驗等教學模式，促進學生積極思考，發現并解決問題，著力提高學生的工程實踐能力，實踐表明在課程教學中引入問題導向教學模式是培養學生創新能力和工程實踐能力的有效途徑。

基金項目：重慶科技學院本科教育教學改革研究項目： 測控技術與儀器專業《在線分析儀器及應用》在線課程建設與實踐，項目編號201824

參考文獻

[1] 高喜奎.在線分析系統工程技術[M].化學工業出版社，2014.

[2] 王森.煙氣排放連續監測系統（CEMS）[M].化學工業出版社，2014.

[3] 馬真.美國PBL教學模式及在我國高校研究生教學中的應用研究[D].山東師范大學，2011.

[4] 張土喬.問題和工程案例為導向的工程流體力學課堂教學改革[J].教育教學論壇，2019（8）：105-107.