應(yīng)用型本科自動調(diào)節(jié)課程改革的研究與實踐

林青 裘潯雋 王金平

[摘 要]“熱工過程自動調(diào)節(jié)”是熱能與動力工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。該課程原理性強(qiáng)，要求學(xué)生具有扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。同時，該課程與火力發(fā)電廠控制緊密相連，要求學(xué)生具有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識及較強(qiáng)的實踐能力。為培養(yǎng)出綜合素質(zhì)高的高級應(yīng)用型工程技術(shù)人才，需要進(jìn)行課程優(yōu)化和改革。在教學(xué)改革的大環(huán)境下，從課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)方法、實踐教學(xué)等方面對自動調(diào)節(jié)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，取得了良好的效果。

[關(guān)鍵詞]自動調(diào)節(jié);課程改革;教學(xué)

[基金項目]2019年南京工程學(xué)院課程建設(shè)項目“《熱工自動調(diào)節(jié)》一流課程建設(shè)”（編號：YZKC2019021）

[作者簡介]林 青（1968—），女，重慶萬州人，碩士，南京工程學(xué)院副教授，主要從事熱工自動化研究;裘潯雋（1977—），女，浙江余姚人，博士，南京工程學(xué)院副教授，主要從事復(fù)雜熱工過程的建模、控制與優(yōu)化研究;王金平（1977—），男，安徽馬鞍山人，博士，南京工程學(xué)院副教授，主要從事能源系統(tǒng)工程研究。

[中圖分類號] G420[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）27-0226-02[收稿日期] 2019-12-03

熱工過程自動調(diào)節(jié)是熱能與動力工程等專業(yè)的一門專業(yè)主干課程。在應(yīng)用型本科背景下，堅持符合國內(nèi)外同類課程建設(shè)的教學(xué)思路，以使學(xué)生既打好扎實的自動調(diào)節(jié)理論基礎(chǔ)，又熟悉自動調(diào)節(jié)理論在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有一定的分析和設(shè)計能力，培養(yǎng)出綜合素質(zhì)高的高級應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目標(biāo)，從課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容組織與安排、教學(xué)方法與手段、實踐教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行了改革和實踐工作。

一、理論課程內(nèi)容設(shè)計

熱工過程自動調(diào)節(jié)課程包括調(diào)節(jié)原理與調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分，為制定切合實際的改革與建設(shè)方案，課程組召開了教學(xué)研討會，邀請來自生產(chǎn)第一線從事熱工自動控制的多名專家，提出了熱工自動調(diào)節(jié)課程對學(xué)生知識點的要求，包括理論和能力兩個方面。課程組對此進(jìn)行了詳細(xì)的分析，梳理教學(xué)內(nèi)容并優(yōu)化整合，堅持應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)定位，制定出合理的課程教學(xué)大綱。

1.課程知識模塊順序：①基礎(chǔ)知識模塊;②數(shù)學(xué)模型知識模塊;③熱工對象和調(diào)節(jié)器分析模塊;④穩(wěn)定性分析模塊;⑤自動調(diào)節(jié)參數(shù)整定方法模塊;⑥典型熱工控制系統(tǒng)知識模塊;⑦實驗;⑧課程設(shè)計。

2.課程的重點：①調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)過程性能的評價;②調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)描述方法;③調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的整定;④調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析;⑤工程實際系統(tǒng)實例分析。

3.課程的難點：①系統(tǒng)建模方法;②調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻域分析機(jī)理;③PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。

二、教學(xué)內(nèi)容組織與安排

1.自編教材。教師利用下廠工程實踐和實習(xí)等機(jī)會進(jìn)行大量的調(diào)研工作，搜集大量最新的自動調(diào)節(jié)資料，編寫了《熱工過程自動調(diào)節(jié)》一書，教材融入了目前采用的一些新控制策略。

2.配合使用國際優(yōu)秀的英文原版教材。原來狀況：火電廠普遍引進(jìn)國外的自控系統(tǒng)，資料、圖紙、計算機(jī)界面很多為英文，學(xué)生雖有專業(yè)英語課，但并不專門針對自動調(diào)節(jié)的內(nèi)容。用人單位認(rèn)為，應(yīng)加強(qiáng)自控系統(tǒng)英文資料閱讀能力。課程組考慮從優(yōu)秀的英文原版教材中吸收一些好的思路和分析方法。

改革措施：根據(jù)學(xué)生英文水平的實際情況，不能完全使用原版教材，采取配合使用英文原版教材的方式。現(xiàn)用的是清華大學(xué)出版社出版的國際知名大學(xué)原版教材《線性控制系統(tǒng)工程》。該教材對每個專題都有3個左右實際工程背景的例子，將這些實例作為自動調(diào)節(jié)課程的補(bǔ)充材料。我們計劃逐步增加補(bǔ)充材料的內(nèi)容。

改革效果：雖然學(xué)生對英文有畏懼感，但具體實例能激發(fā)學(xué)生興趣，在潛移默化中提高專業(yè)英文水平，并從中吸取好的思路。

3.讀圖能力的訓(xùn)練。原來狀況：學(xué)過自動調(diào)節(jié)課程的學(xué)生，到工程現(xiàn)場仍然很難看懂自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖紙，原因是教材上的框圖為精簡后的典型框圖，與現(xiàn)場工程圖紙有一定距離。

改革措施：利用課程設(shè)計，進(jìn)行讀圖能力訓(xùn)練，采用的是發(fā)電廠的主控制系統(tǒng)圖紙。

改革效果：讀現(xiàn)場圖紙能力明顯高于往屆學(xué)生。

4.重視教書育人，加強(qiáng)素質(zhì)教育。重視教書育人，加強(qiáng)素質(zhì)教育，是課程組教師多年來堅持的一項重要工作。優(yōu)良的學(xué)風(fēng)和素質(zhì)是保證教學(xué)質(zhì)量的前提。教師們經(jīng)常深入班級，了解學(xué)生的思想、學(xué)習(xí)和生活，教師和學(xué)生的關(guān)系非常融洽，學(xué)風(fēng)良好，教學(xué)互動性好，促進(jìn)了教學(xué)活動。

三、教學(xué)方法與手段

1.對不同的章節(jié)內(nèi)容采取不同的教學(xué)手段。通過對教學(xué)內(nèi)容加以剖析，我們提出針對不同章節(jié)內(nèi)容采取不同的教學(xué)手段。調(diào)節(jié)原理部分緊緊抓住系統(tǒng)穩(wěn)定性這根主線，從四種調(diào)節(jié)過程開始，由淺入深地隨著教學(xué)內(nèi)容不斷深化、不斷拓寬，使學(xué)生能系統(tǒng)、連貫地接受知識。自動調(diào)節(jié)的實施方案很多，如何傳授好自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面的知識，是我們討論課堂教學(xué)內(nèi)容改革的又一熱點。我們的具體做法是：主要介紹原則性的基本方案，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)式和討論式的教學(xué)方法來組織課堂教學(xué)，傳授給學(xué)生自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原則，讓學(xué)生充分認(rèn)識基本方案的設(shè)計思想，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力，為了解、熟悉現(xiàn)場的調(diào)節(jié)系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。

2.透視歷史，激發(fā)興趣。抽象難懂、枯燥是本課程給很多學(xué)生留下的印象，為了解決這一問題，采用透視歷史的方法，通過自動控制發(fā)展歷史上的人物、事件，引入概念和定律[1]（P2），例如，通過學(xué)生熟知的18世紀(jì)的瓦特，引出他為控制蒸汽機(jī)速度而設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，這是自動調(diào)節(jié)領(lǐng)域的第一項重大成果，從而引出自動調(diào)節(jié)的概念;從要解決離心調(diào)節(jié)器穩(wěn)定的問題，引出麥克斯韋提出要建立系統(tǒng)動態(tài)方程的概念……從歷史到現(xiàn)實，從實例到理論，學(xué)生在驚嘆前人智慧的同時，產(chǎn)生濃厚興趣。同時，給學(xué)生印發(fā)相關(guān)材料。

3.校內(nèi)外教學(xué)活動相結(jié)合。在學(xué)生下廠實習(xí)時也帶著了解調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理、組成和結(jié)構(gòu)等任務(wù)，以便進(jìn)一步加強(qiáng)對控制理論的理解，同時也加強(qiáng)理論與實踐的密切聯(lián)系。

4.教學(xué)手段。教學(xué)中，融入使用軟件MATLAB，應(yīng)用其中交互式模型輸入與模擬環(huán)境SIMULINK所提供的示波器演示，讓學(xué)生觀察過程，建立較好的物理概念，通過講解—演示—再講解過程，克服難點，并在實驗課中讓學(xué)生自己組態(tài)，進(jìn)行仿真。采用課堂講課與實驗室講課相結(jié)合的辦法，利用實驗室的數(shù)模混合仿真裝置進(jìn)行實驗室講課，提高教學(xué)的直觀性。

四、實踐教學(xué)

強(qiáng)化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將實踐環(huán)節(jié)設(shè)計為以下三個模塊：

1.控制原理的驗證性實驗（特性演示）。借助MATLAB軟件，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。

2.調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工程性實驗（參數(shù)整定）。借助課程組研發(fā)的自動調(diào)節(jié)軟件或MATLAB軟件，對單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)和串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。

3.工程實例的綜合性實踐（課程設(shè)計）。學(xué)生通過貫穿于課程教學(xué)全過程的三個實踐性教學(xué)模塊的學(xué)習(xí)，加深對控制理論課程重點和難點的理解，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和自覺性。在循序漸進(jìn)的分層次實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)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(xué)習(xí)知識轉(zhuǎn)變。實踐教學(xué)的設(shè)計達(dá)到了課程教學(xué)的目的。

五、實施效果

采取一系列的教學(xué)改革措施，通過對學(xué)生問卷調(diào)查的形式及校內(nèi)外教學(xué)督導(dǎo)組測評，一致認(rèn)為，熱工自動調(diào)節(jié)課程在教學(xué)體系、內(nèi)容、方法、手段上不斷地改進(jìn)和完善，取得了優(yōu)秀的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]丁軻軻.熱工過程自動調(diào)節(jié)[M].北京：中國電力出版社，2011：2.