“工業4.0”背景下化工儀表及自動化課程教學模式創新探索*

劉星生

（宜春學院化學與生物工程學院 江西宜春 336000）

在2013年4月德國漢諾威工業博覽會上，“工業4.0”即第四次工業革命被正式提出，它是利用人工智能、互聯網、物聯網和云計算等信息化技術實現生產的自動化、數字化和智能化[1]。隨著發達國家重塑制造業競爭格局的形勢下，我國于2015年3月提出了“中國制造2025”，確定了創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化和人才為本的基本方針[2]。為滿足“中國制造2025”多層次多類型人才的需求，2019年國務院印發的《國家職業教育改革實施方案》明確提出：地方院校要對接科技發展趨勢和市場需求，要發展以職業需求為導向、以實踐能力培養為重點的培養模式。

經過改革開放40年的發展，我國在新材料、專用化學品、新能源、節能環保、信息生物、高端裝備制造等化工領域已積累了豐富的經驗。自動化是實現化工行業高效、優質、安全、低耗的基本條件，是加快信息技術與傳統化工制造技術融合發展的重要保證，在現代化工生產過程中有著不可替代的作用[3-5]?；x表及自動化是集合化工儀表和自動化控制技術的應用型課程，是化工類專業的重要課程。但是，目前部分高等院校、教師和學生對化工儀表及自動化課程的重視程度不夠，教學模式單一，不利于高素質應用型化工自動化專業人才的培養。為解決化工儀表及自動化目前教學中存在的問題和滿足“中國制造2025”化工自動化人才的需求，本文對化工儀表及自動化課程教學模式進行創新探索。

一、化工儀表及自動化課程特點及主要內容

化工儀表及自動化課程內容同時涉及化工、電工、物理和自動化等相關專業知識，課程教學難度偏高。同時，化工儀表及自動化是面向化工類學生的應用型課程，非常注重實踐性和實用性[6-8]。因此，在教學過程中，需要教師具有比較扎實的綜合專業知識和科學合理的教學模式，才能完全達到本課程的教學效果和教學目的。目前，高等本科院校一般都是采用厲玉鳴主編的化工儀表及自動化作為教材[9]。該教材前五章內容涉及自動控制的基本規律；壓力檢測、流量檢測、物位檢測和溫度檢測等檢測儀表基本原理及選用安裝知識；DDZ-Ⅲ型電動控制器、KMM可編程調節器和PLC的特點及工作原理；執行器的結構與特點。該書前五章主要講述自動化的基本概念、基本規律、控制思路與實現方法，注重提升大學生化工儀表及自動化的基本理論知識。該教材后五章主要講述典型化工單元操作中所涉及的簡單控制系統和復雜制系統結構、組成與設計，通過講述化工生產中典型化工單元的控制方案提升大學生化工自動化綜合知識的應用和解決問題的能力。

二、化工儀表及自動化課程教學存在的主要問題

目前，化工儀表及自動化課程教學存在的主要問題有以下三點：首先，教學模式單一，本課程仍然以傳統的課堂教教學模式為主，教師主要采取講授PPT的方式進行課堂教學，由于本課程內容涉及多學科的知識，單一的教學模式很難調動學生的學習興趣，導致教學效果不佳；第二，缺乏實踐教學，高等院校在本課程的教學中普遍存在“重理論、輕實踐”的缺點，目前高等院校一般都仍未配置本課程所需的相關儀表和實驗室，導致學生缺乏實踐應用和無法建立自己的知識體系；第三，考核方式單一，目前本課程的考核仍然普遍采用理論考試的方式，本課程的教學目的是實踐應用，采用單一的理論考試的方式很難提升和考查學生的實踐應用能力，導致學生無法將所學知識用于實踐和就業能力較低。

三、化工儀表及自動化課程教學教學模式創新措施

1.豐富課堂教學方式

結合化工儀表及自動化課程特點和內容安排，首先挑選自動控制基本概念和化工過程特點的章節內容采取PPT的方式講授。例如，教師可以挑選本課程第一章（自動控制系統基本概念）和第二章（過程特性及其數學模型）內容，側重講解基本概念和對象特性的參數，引導學生掌握本課程的基本概念和基礎理論知識，為后續學習奠定理論基礎。其次，教師可結合實物進行講授，如講述壓力檢測、流量檢測、溫度檢測、DDZ-Ⅲ型電動控制器和KMM可編程調節器等章節內容時，教師可以準備如干個相應的儀表帶入課堂，可以結合實物講述儀表組成、原理和使用方法等內容，這樣可以將比較抽象的內容具體化，提高學生對本課程的學習興趣。最后，對典型化工單元操作的控制系統采取“翻轉課堂”的教學模式進行教學?！胺D課堂”有利于提高學生課前的自主學習，課中的積極性和主動性，激發學生的學習興趣和自主學習能力[10]。例如，離心泵是最常見的液體輸送設備，也是化工生產過程的典型化工單元操作，離心泵流量控制是化工自動控制過程中典型化工單元控制方案，我們可以對離心泵流量控制系統采取“翻轉課堂”的教學模式，讓學生課前自主學習離心泵流量控制的方法，課堂中教師可以引導和組織學生對控制離心泵的出口閥門開度和控制離心泵的轉速等方法來控制離心泵流量，讓學生積極參與不同離心泵流量控制方案的討論和設計，提升學生對本課程的學習興趣。

因此，根據化工儀表及自動化課程內容特點，我們通過PPT的方式、結合實物和“翻轉課堂”三種教學模式進行講授能夠豐富課堂教學方式和激發學生的學習興趣。

2.強化實踐教學環節

實踐教學符合學生的認知規律和工程技術人才的培養規律，實踐教學是培養學生專業應用能力和職業技能主戰場[11-13]。在我國實施“中國制造2025”的背景下，我國化工行業將全面的轉型升級，每年將進行需要大量的應用型化工自動化人才。針對目前高等院校一般都仍未配置化工儀表及自動化課程所需的相關儀表和實驗室，作者認為，高等院校非常有必要加大本課程的投入，建設化工儀表及自動化課程專業實驗室，強化實踐教學環節。

化工儀表及自動化課程實踐教學可以分為三個層次進行設計和實施。第一層次為化工儀表基本操作：具體內容為溫度檢測、DDZ-Ⅲ型電動控制器和KMM可編程調節器等儀表的基本使用和操作；第二層次為化工簡單控制系統的設計和組裝：具體內容為利用壓力、流量、溫度、傳感器、DDZ-Ⅲ型電動控制器和KMM可編程調節器等儀表進行傳熱、精餾和反應器等典型化工單元的自動控制設計及組裝，鍛煉學生的動手能力和創新思維；第三層次為課程實習：安排學生到產學研基地或工廠進行化工自動化的實習，通過課程實習讓學生了解化工生產中的實際控制系統的組成和結構，能了解到集散控制系統（DCS系統）或現場總線控制系統（FCS系統），甚至是網絡控制系統（NCS系統）的特點和組成，不同化工自動化計算機控制系統結構（見圖1）。通過本課程實習，增加學生對化工自動化在化工生產中的感性認識，激發學生對化工自動化計算機控制系統的學習熱情和創新思維，提升學生對“工業4.0”背景下化工自動化向網絡化和智能化方向發展的理解和應用能力。

圖1 化工自動化計算機控制系統結構示意圖（A：DCS系統；B：FCS系統；C：NCS系統）

3.引入現代教學評價體系

教學評價體系對于教學質量的提升和人才培養的意義重大，郎宇等認為本著以學生發展為本以及市場需求為導向的理念是有助于專業的發展和升級[14-16]。本文作者認為，要加強化工儀表及自動化課程教學模式創新發展，高等院校必須改變目前普遍采用理論考試的單一考核方式，要提倡“雙師型”隊伍建設和“一生多證”政策，鼓勵學生參加化工自動方面的創新創業大賽和全國大學生化工設計競賽，注重學生化工自動方面的職業技能提升，將現代教育評價觀引入化工儀表及自動化課程。隨著“中國制造2025”的實施，我國化工產業將向自動化、數字化和智能化方向發展，化工產業對“自動化人才”的關注將從注重文憑向注重實際操作技能轉變。因此，化工儀表及自動化課程評價要注重實踐能力和市場需求，要構建理論知識、實踐能力和職業技能多維度的現代教育評價體系，從而實現培養高素質應用型化工自動化人才的教學目標。

結語

化工儀表及自動化是面向化工類學生的應用型課程，非常注重實踐性和實用性。面對“中國制造2025”化工行業自動化人才的需求，我們需要對化工儀表及自動化課程教學模式不斷探索和創新，要對接科技發展趨勢和產業需求，要發展以培養實踐能力為重點的教學模式。