“新工科”視角下的基于應用型人才培養的化工儀表及自動化課程改革與研究

羅祖云，韓淑萃，呂燕根，黃雙福，林旭聰

（福州大學 至誠學院，福建福州 350002）

在“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等國家重要戰略背景之下，我國高等教育對工科專業的改革發展提出新的要求。工科專業面臨新機遇、新挑戰，使得“新工科”建設成為當務之急和長遠之策[1-3]。及時更新教學理念，培養具有核心能力的新人才，是適應時代發展的需要?！痘x表及自動化》課程是化學工程與工藝專業開設的一門重要的專業主干課，使學生不僅能夠掌握自動控制系統的組成、工作原理、過程儀表特性、簡單控制系統、復雜控制系統及計算機控制系統的識別和設計能力，更力求培養學生成為化工技術領域高質量人才，掌握綜合分析、解決化工生產過程復雜對象控制問題的能力[4-6]。因此，在“新工科”建設的背景下，深化該課程的教學模式改革和實踐具有重要的意義。通過課程教學的改革來切實提高化工儀表及自動化課程的有效性，以提高化工專業學生的工程素質和就業核心競爭力。

1 課程教學過程中存在的問題

《化工儀表及自動化》課程雖然在傳統的教學模式下在我?；は嚓P專業已經開設了多年，但依然存在很多問題。

1.1 單向性的教學過程

本課程以往的教學過程主要是采用赫爾巴特的“三中心”法進行，教學目標、教學過程都是由教師安排進行，教師在教學過程中處于絕對的權威中心，學生處于從屬地位。這樣的教學過程就使得學生在學習的過程中往往缺乏主動參與課程的意識，導致學習過程枯燥乏味，缺乏興趣，達不到高效的學習效果。

1.2 缺乏實際工程性的教學內容

目前《化工儀表及自動化》課程的教學內容主要是自動化控制的基本原理和典型測量儀表的測量原理及結構等知識點，知識點相對簡單以及之間聯系缺乏相對連接體。而化學工程專業涉及面廣，工藝紛繁復雜，自動化控制目標各不相同，因此無法直接滿足工程實際的需要。另外，由于學生缺乏實際的工程實踐經驗，未能對化工工藝過程進行系統而全面的分析，從而無法根據物流的特性、特定工藝過程的自身特點來準確選取控制變量和操縱變量、確定適宜的檢測設備，最終提出有效的控制策略。

1.3 單一性偏重理論考核的手段

目前該課程在教學內容方面中主要注重常用儀器、儀表的工作原理、特點、適用場合及使用以及控制系統的結構、工作原理等方面內容的教學。課程內容相對陳舊，脫離工程實際。在課程考核方向，也局限在原理規范和儀表選擇計算題上，這就導致學生重理論，輕實踐。在新形勢下，智能型的測量儀表以及控制理論已經有了質的飛躍，自適應控制、預測控制、專家控制以及神經元網絡控制系統等新型控制系統以及計算機控制系統的出現，對學生的實踐方面的考核需要進一步加強，以提高解決日益復雜的綜合性控制問題的能力。

2 課程改革的方法、特色和解決的主要問題

改革傳統教學模式，采用以學生為中心的交互式教學，力圖在以下方面進行探索與突破。

1）課程思政教育先行。在傳遞專業知識的基礎上，培養學生正確的價值觀和人生觀，充分挖掘課程思政教育元素。

2）更新優化教學內容。教學內容應緊跟時代脈搏，及時調整教材的內容，適應新型儀表和新技術以增加學生對課程的吸引力，使學生加大課程的學習投入度。

3）改革教學與考核方式方法。通過多手段、多方式開展以學生為主體的交互式教學。通過增加案例法教學、實驗教學、合理利用網絡教學資源以及通過多種手段促進學生的學習熱情。改變傳統的以理論考試為主的考核方式，注重過程性考核和加強實踐訓練，提高學生的綜合應用能力。

通過課程教學的改革激發來學生的學習興趣，上課的出勤率、作業完成等方面要比傳統教學法有了明顯的提高。同時學生將所學知識與生產實際相結合，工程概念大為加強，培養了學生的自主學習能力及解決實際工程問題的能力。

3 課程改革的任務與內容

3.1 整合課程內容，完善知識結構

基于“新工科”理念，課程團隊對課程內容進行整合優化。教學過程中，在保持課程體系完整的前提下，以問題為導向對教學內容進行優化設計，將當前使用較少的技術和方法從教學內容中刪除，并及時將化工測量新技術引入到教學活動中。為了加強學生對化工儀表及自動化基本理論的掌握，在課程內容上還重點設置了以項目為導向的教學活動，如奶粉噴霧干燥恒溫控制系統設計與調試、鍋爐控制系統的設計與調試以及空調恒溫控制系統的設計與調試實踐等環節，如表1所示。

表1 以問題為導向教學模式下《化工儀表及自動化》課程內容體系

3.2 改革課程組織實施過程

為了充分發揮以學生為主體的交互式教學方法的優勢，通過增加案例法教學、實驗操作教學等手段促進學生的學習熱情及學習效果的提高。

3.2.1 增加案例法教學手段

在課程教學中將大量工程案例引入課堂教學，如奶粉的干燥過程、鍋爐的運行案例、中央空調控制系統等。案例教學法不僅可激發學生的學習熱情，而且有助于培養學生的工程觀念，提高學生的工程實踐能力。

3.2.2 加強實驗教學環節

通過實驗教學可以加強學生對原本抽象而又復雜的基本理論的理解和掌握。

引導學生使用工程模擬軟件如Aspen Plus、Matlab等進行實驗模擬教學，使學生掌握各種儀表在化工過程控制的應用和具體實踐操作，以完成課程的教學目標。如增加了過程控制實驗實訓內容，通過實訓來模仿現代工業生產過程中常見的物理量，諸如溫度、壓力、流量、液位等參數，并對其進行測量、控制，分析過程參數變化特性，從而達到研究過程控制規律（如PID 控制）的教學目的。該裝置通過集合多種控制方式，來現實際工業現場使用的控制手段，滿足了“自動調節原理”“過程控制”“控制儀表”“自動檢測技術與傳感器”相關內容的實驗教學需求。另外還增加了熱工儀表過程測量實訓，通過實訓更加直觀地理解多種測量儀表的組成、測量及測量誤差的基本概念、測量儀表的修正設定方法、儀表和儀器誤差的處理方法，以及評估測量儀表質量優劣的技術指標等內容。通過實驗教學環節的加強，使同學們對化工儀表及自動化基本理論的理解和認識更加深刻。

3.2.3 通過多手段，多方式的課堂教學模式

在課堂教學方面，通過課前、課中及課后全環節的促學、督學方式來提高學生的學習效果。如：課前環節中，通過復習提問，導入新課。通過課程提問、設問引出新的教學內容，使學生學習有了方向性，減少盲目性。課中環節中，根據學生個性發展，注重“支架式”教學模式，將學生從現有水平引導帶入可能發展水平。充分發揮以學生為主體，促使學生獨立思考、解決問題，培養學生的自學能力、逆向思維能力，提高課堂吸收率。課堂小結環節中，由教師引導，學生總結，對本節課所講的重點、難點知識進行總結，及時發現學生存在的問題，同時指出本節課的精髓所在。課后練習環節中，使學生充分掌握本節課所學知識，進一步提高學生的課后吸收率。

在第二課堂方面，積極鼓勵學生參加各類科研活動及化工設計實踐和競賽，充分發揮學生的主觀能動性，加深對所學知識的理解和掌握。如本系學生自2017年首次參加全國大學生化工設計大賽以來，成效顯著：多次獲得全國大學生化工設計競賽全國二等獎，其中2017年獲得華南賽區特等獎及全國一等獎，并獲得華南賽區最佳圖紙獎。

3.3 改革課程考核方式

本課程的考核方式從原有單一的期末考試變為平時成績、實驗成績、期末考卷等多種形式的組合考核方式。這樣既能考察學生們的理論知識、出勤率、課堂活躍程度，也能對學生們的實踐動手能力進行綜合考察，考核內容如圖1所示。

圖1 《化工儀表及自動化》課程考核體系

課程考核方式的改革能夠促使學生注重基礎知識的學習和實踐能力的培養，促進學生做到理論聯系實際，把課程內容學“活”。

通過對課程多方面的改革，學生課堂參與度、學習熱情、對基礎知識和基本技能掌握以及團隊協作和解決問題得到較大的提高。通過橫向和縱向對比結果都顯示了學生學習成績的有效提高。從橫向對比情況來分析，采用改革后的教學法的班級成績2017-化工藝呈正態分布，平均成績為82.9分，高于傳統教學法的班級2017-過控的平均成績77.6?？v向對比2017-化工藝與2016-化工藝期末成績可知，改革后教學法的班級不及格人數低于傳統式班級不及格人數，且良好和優秀的人數大于傳統教學方式班級式人數。學生成績和綜合能力得到了顯著的提高，如圖2所示。

圖2 《化工儀表及自動化》課程改革成效對比

4 結語

通過對《化工儀表及自動化》課程進行教學改革，通過以問題為導向的教學模式，增加案例教學法和實驗教學法拉近學生與化工自動控制實際的距離，引導學生應用自動化控制知識分析工程實際的控制問題，實現了培養創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才的目標。