化工仿真操作教學(xué)方式改革與實踐

孫 平，李學(xué)坤，李蓓蓓，周躍花，石 奇

(西安文理學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

化學(xué)工程與工藝專業(yè)是化工類專業(yè)中的重要專業(yè)之一，工程教育的目標(biāo)決定了化學(xué)工程與工藝教育中實踐教學(xué)的重要性。由于化工操作流程復(fù)雜、危險性大，使得在化工企業(yè)現(xiàn)場實習(xí)中學(xué)生能夠親自操作的內(nèi)容較少，而使得仿真操作在化工實踐操作訓(xùn)練中的重要性被廣大院校所重視。目前，國內(nèi)院校化工類專業(yè)普遍采用仿真操作教學(xué)來彌補企業(yè)實習(xí)的不足之處[1]。但如何提高化工仿真操作訓(xùn)練的有效性和化工實踐能力的綜合訓(xùn)練是一個值得探討的問題[2-3]。

1 化工仿真操作實訓(xùn)中遇到的問題

1.1 訓(xùn)練不夠全面

仿真操作依靠的是由專業(yè)仿真軟件公司制作的集成化軟件進行操作訓(xùn)練。這里主要進行的是學(xué)生的操作技能訓(xùn)練，學(xué)生可以獲得類似化工廠的操作體驗。學(xué)生首先進行訓(xùn)練，然后進行系統(tǒng)考核，這是目前大多數(shù)院校采取的方式。但這種方式過程單一，學(xué)生雖然可能學(xué)會了操作，但對操控的原理并不一定掌握。另外，學(xué)生在訓(xùn)練時也沒有對控制策略進行認(rèn)真思考。因此，需要在操作訓(xùn)練基礎(chǔ)上，進一步在控制原理方面進行訓(xùn)練。

1.2 考核方式單一，不夠全面

考核的主要目的在于了解學(xué)生對操控知識、工藝知識的掌握程度，但軟件所提供的考核方式相對比較單一。對于學(xué)生在日常訓(xùn)練中的過程并沒有進行考核，對學(xué)生在能否做到在企業(yè)“上班”的實戰(zhàn)化考核也難以進行，如果每次點名，會造成指導(dǎo)教師工作量過大，因此，難以執(zhí)行。因此，在考核的全面性方面應(yīng)當(dāng)進行總結(jié)、擴展[4]。

2 化工仿真操作的擴展訓(xùn)練與綜合考核實踐

2.1 化工仿真操作的擴展訓(xùn)練

筆者所在專業(yè)在多年化工仿真操作教學(xué)的基礎(chǔ)上，逐步形成了較為全面的化工仿真操作的擴展訓(xùn)練。主要采取以下方式進行。

2.1.1 工藝模塊訓(xùn)練與考核

通過軟件所提供的訓(xùn)練模塊，進行全面訓(xùn)練，主要采用課堂講授結(jié)合學(xué)生訓(xùn)練和巡回指導(dǎo)方式進行。而后，安排學(xué)生自主學(xué)習(xí)時間，學(xué)生進行自主訓(xùn)練，并完成模塊考核。具體實施方式如下：第一、模塊訓(xùn)練最初由指導(dǎo)教師講解工藝流程和控制方案，對操控中可能出現(xiàn)的問題進行講解。在此可采用提問等方式了解學(xué)生的掌握程度。同時，對其它課程中所學(xué)的知識與仿真訓(xùn)練相結(jié)合，使學(xué)生進一步理解基礎(chǔ)課程的作用。第二、學(xué)生進行操作訓(xùn)練。在此期間，指導(dǎo)教師巡回指導(dǎo)，解決學(xué)生在操控中遇到的問題。這部分內(nèi)容一般安排4課時進行。第三、在完成課堂訓(xùn)練之后，安排2課時的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生在此期間進行自主訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束后，自行登錄完成考核2課時。

2.1.2 擴展訓(xùn)練

對于化工本科學(xué)生來講，化工設(shè)計是學(xué)生能力培訓(xùn)的主線，其中自控制設(shè)計是化工設(shè)計的必要環(huán)節(jié)，但學(xué)生在此方面大多不夠善長，另外，PID圖識圖、繪圖是化工設(shè)計和化工操控的基本要素之一。DCS畫面是在PID圖基礎(chǔ)上的簡化版。為了能夠使學(xué)生能夠?qū)⒎抡娌僮髦械腄CS界面與現(xiàn)場界面有機整合，我們?yōu)閷W(xué)生布置了利用DCS界面和現(xiàn)場界面信息繪制PID圖。這樣不僅可以使學(xué)生能夠進一步理解DCS界面和現(xiàn)場界面的關(guān)系，而且對工藝和控制會有更深的理解。同時可以訓(xùn)練學(xué)生的制圖規(guī)范性和熟練度，經(jīng)過大量的PID圖繪制，學(xué)生的CAD制圖能力和PID圖的規(guī)范性均得到了極大的提交，在畢業(yè)論文環(huán)節(jié)中的體現(xiàn)優(yōu)為明顯。為了進一步提高學(xué)生制圖的規(guī)范性，指導(dǎo)教師在第二次課時，將作業(yè)收齊，并盡可能現(xiàn)場批閱，對每個學(xué)生制圖中的問題進行一對一講解，并甄別復(fù)制的作業(yè)，從而促使每個學(xué)生獨立完成作業(yè)。學(xué)生就能夠逐步提高制圖能力和自控制設(shè)計能力。在后期，多數(shù)學(xué)生能夠繪制規(guī)范的PID圖。

2.2 綜合考核體系的建立

在能力訓(xùn)練和擴展訓(xùn)練過程中，形成了模塊考核成績和作業(yè)成績，這已經(jīng)大大豐富的考核方式。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生在課堂練習(xí)時，并沒有認(rèn)真進行訓(xùn)練，而是在繪圖，更有甚者直接曠課。因此，課堂練習(xí)環(huán)節(jié)還需要進一步的考核。我們在教學(xué)實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，利用系統(tǒng)對學(xué)生的遲到、早退進行考核。但運行時發(fā)現(xiàn)，雖然遲到、早退問題得到了改善，但新的問題隨之出現(xiàn)。在課堂上寫作業(yè)，做其它事情的問題并沒有得到解決。最后，我們采用了訓(xùn)練成績加權(quán)計算方式。具體方法是，以所有學(xué)生的訓(xùn)練成績?yōu)榛A(chǔ)，將最高分設(shè)置為100分，其它成績按比例加權(quán)。這樣，學(xué)生馬上面臨平時成績不達標(biāo)的問題。課堂秩序得到極大改善。或許有人認(rèn)為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)。但我們的實踐表明，自主學(xué)習(xí)只是一個美好的愿望。大多數(shù)學(xué)生特別是二本院校的學(xué)生在中學(xué)期間主要是依靠學(xué)校和家長的監(jiān)督下才考上大學(xué)。自主學(xué)習(xí)意愿和能力均不夠。簡單來講，自律是對學(xué)生的自我約束能力的要求很高，他律更適用于絕大多應(yīng)用院校本科生，也是最為有效的方式。因此，在沒有更好的提高學(xué)生自律性的前提下，積極地采用他律成了必然選擇。

通過以上各方面的考核，形成了考勤、課堂表現(xiàn)、模塊考核、作業(yè)四個維度的全方位考核體系。不僅使學(xué)生通過化工仿真操作課程提高化工操控能力，也對繪圖工具的使用和PID圖的繪制得到了極大的提升?？傇u成績的獲得更加豐富，對學(xué)生的評價也更加全面。

3 考核評價計分小程序的制作

由于學(xué)生人數(shù)多，采用全面考核后需要對大量的數(shù)據(jù)進行整理，繪總，這無形中極大的提高了指導(dǎo)教師的工作量，為了提高工作效率，減少手工輸入錯誤。筆者利用電子表格制作了一個全面的計分和評分工具。具體方法如下：

3.1 平時成績列表的建立

首先在表格中輸入學(xué)生名單，形成基礎(chǔ)表格。在此基礎(chǔ)上，增加作業(yè)列表、考勤列表、課堂表現(xiàn)列表、模塊考核列表和總評成績列表。各列表所對應(yīng)的列數(shù)根據(jù)實際輸入次數(shù)確定。然后，新建一個包含考勤列表、課堂表現(xiàn)列表、模塊考核列表的新表格。

3.2 單次課程評價列表的建立與函數(shù)引用

在新建中的包含學(xué)生姓名、考勤列表、課堂表現(xiàn)列表、模塊考核列表的工作表中分別進行考勤列表、課堂表現(xiàn)列表、模塊考核列表的輸入或換算。

3.2.1 考勤成績的統(tǒng)計

考勤列表包含到課監(jiān)測值、考勤成績和上課簽到3個列表(見表1)。利用仿真軟件教師站系統(tǒng)，在學(xué)生到課后登錄系統(tǒng)，保存成績。在保存的成績表中復(fù)制全部學(xué)生姓名，直接粘貼到上課簽到列中。由于簽到順序是混亂的，即使加上學(xué)號，采用人工排也存在遲到等問題也會有很大的工作量，筆者在“到課監(jiān)測”列利用MIN函數(shù)和ROW函數(shù)查找“上課簽到”學(xué)生姓名所在行，返回該行行號，若學(xué)生未到勤，返回值將是0。具體函數(shù)形式為：“MIN(IF($D$1:$D$144=A1,ROW($D$1:$D$144)))”(錄入后要按組合鍵“Ctrl + Shift + Enter”才能應(yīng)用函數(shù))，在此，“$D$1:$D$144”為學(xué)生姓名所為列的絕對位置。然后“考勤成績”列中利用IF函數(shù)判斷 “到課監(jiān)測”值是否>0，若>0，則為到課，返回100，反之未到課，返回0。具體函數(shù)為：“=IF(B1>0,100,0)”。

表1 考勤列表

3.2.2 課堂表現(xiàn)成績統(tǒng)計

課堂表現(xiàn)由于軟件系統(tǒng)會隨著學(xué)生做的模塊的變化而變化，成績分值并非是滿分100，而是任意值。因此，計算時，要進行加權(quán)處理。在此我們采用最高成績定為100分，其它成績加權(quán)百成。具體函數(shù)為：“=D4/MAX($D$1:$D$144)*100”。加權(quán)后需要將成績登記到課堂表現(xiàn)成績列表中。由于計算成績順序與學(xué)生成績冊不一致，或有學(xué)生請假等情況，如果人工排序，會有很多操作問題。在此采用函數(shù)查找然后返回值的方式很好地解決了這種問題。首先在“所在行”列中查找學(xué)生成績所在行：“=MIN(IF($C$1:$C$144=A1,ROW($C$4:$C$144)))”，然后使用了IF與INDEX函數(shù)的復(fù)合，因為單獨的INDEX函數(shù)在單元格為空時返回值非0，因此，加入IF函數(shù)進行判斷，很好地解決了這些問題。具體如下：=IF(F1>0,INDEX($E$1:$E$144,F1,1,1),0). 一行建設(shè)好后，只需要將下面的行復(fù)制上一行，函數(shù)會自動填充到下面的行中。模塊建好后，只需將考核平臺中學(xué)生姓名列和學(xué)生成績列復(fù)制到對應(yīng)的姓名(注意在此應(yīng)該用C列)和平臺初始成績列中，學(xué)生成績將自動填入到課堂表現(xiàn)成績(B)列中。

表2 課堂表現(xiàn)列表

3.2.3 考核成績統(tǒng)計

考核成績的統(tǒng)計方法與課堂表現(xiàn)的統(tǒng)計方法一樣。如果考核設(shè)置了最高分為100，則在加權(quán)成績欄可取消，統(tǒng)計直接從平臺成績統(tǒng)計即可。

3.2.4 平行次課程評價列表的生成

將建好的單次課程評價列表直接利用生成副本的方式形成后續(xù)平行次課程的工作表(注意：在此最好采用工作表的默認(rèn)命名，不要改名，改名后在最后平時成績表填寫是會比較麻煩，在平時成績表公式填充完畢后再重命名不會影響成績的輸入)。

3.3 平時成績列表的生成與填寫

3.3.1 單個學(xué)生作業(yè)成績統(tǒng)計

表3 作業(yè)成績列表

作業(yè)成績統(tǒng)計如果是百分制，則直接輸入到成績單中。如果學(xué)校要求采用5分制或其它分制，則需要將這些分制統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為百分制，下面以ABCD等級分制說明分值轉(zhuǎn)換方法。首先在平時成績表中根據(jù)作業(yè)次數(shù)設(shè)置相應(yīng)列的平時成績登記表格。

在列中按對應(yīng)的學(xué)生作業(yè)輸入成績，然后在表格后空白位置增加加權(quán)作業(yè)成績列。如圖所示。加權(quán)作業(yè)成績與作業(yè)等級成績欄一一對應(yīng)。然后利用IF函數(shù)進行轉(zhuǎn)換具體函數(shù)為：“=IF(D3=“A+”,100,IF(D3=“A”,95,IF(D3=“A-”,90,IF(D3=“B+”,85,IF(D3=“B”,80,IF(D3=“B-”,75,IF(D3=“C+”,70,IF(D3=“C”,65, IF(D3=“C”,65,)))))))))”。由于MSOffice版本不同，2003版可以在函數(shù)嵌套到C+后再繼續(xù)嵌套會返回錯誤。

3.3.2 單個學(xué)生考勤成績的輸入

在平時成績表中按次序，在對應(yīng)的第一個單元格中輸入“=”命令，然后單擊第一次單次課程評價列表所在的工作表，在該工作表中單擊對應(yīng)學(xué)生的考勤成績所對應(yīng)的單元格，回車后，該成績會自動填寫到平時成績表中。然后在excell命令輸入欄中單獨選擇所有命令，復(fù)制命令文本，按鍵盤“esc”鍵取消，然后將命令文本將粘貼到后面平行次數(shù)的考勤列表所對應(yīng)的單元格中，然后在每個平行成績單元格中將工作表序號改寫成相應(yīng)的次序， 只需要改單引號中的數(shù)字(如'sheet2'中的2改為3等)。這樣就完成了一位同學(xué)的考勤成績在平時成績表中的輸入。

3.3.3 單個學(xué)生其它成績的輸入

其它成績的輸入方法與4.3.1中考勤成績的輸入方法一樣，只需注意各成績所對應(yīng)的行、列和工作表即可。

3.3.4 其它學(xué)生成績的輸入

第一個學(xué)生成績輸入完成后，復(fù)制第一個學(xué)生成績所在行，然后粘貼到其它學(xué)生成績所在行即可。注意，手工輸入的作業(yè)成績要復(fù)制轉(zhuǎn)換后的成績，這樣其它學(xué)生的成績也會直接轉(zhuǎn)換完成。

圖1 完整平時成績表樣例

4 結(jié)論

仿真操作可以極大地提高學(xué)生的操控能力，但過程單一，訓(xùn)練效果有一定的限制。將仿真操作訓(xùn)練與DCS識圖、PID圖的繪制相結(jié)合，能夠使學(xué)生的動手、設(shè)計思維得到更好的訓(xùn)練。復(fù)合式的訓(xùn)練需要完善的評價體系，評價體系的合理化和簡單化能夠大大提高學(xué)生訓(xùn)練的強度和效果。利用字表軟件制作的成績錄入與統(tǒng)計小程可以大幅降低成績統(tǒng)計與錄入的工作量，節(jié)省教師的時間和精力，也能夠準(zhǔn)確完善地完成學(xué)生的成績統(tǒng)計，使學(xué)生對自己的成績無異議。