“工業(yè)4.0”背景下化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)模式創(chuàng)新探索*

劉星生

（宜春學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院 江西宜春 336000）

在2013年4月德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，“工業(yè)4.0”即第四次工業(yè)革命被正式提出，它是利用人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化[1]。隨著發(fā)達(dá)國(guó)家重塑制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局的形勢(shì)下，我國(guó)于2015年3月提出了“中國(guó)制造2025”，確定了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和人才為本的基本方針[2]。為滿足“中國(guó)制造2025”多層次多類型人才的需求，2019年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》明確提出：地方院校要對(duì)接科技發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)需求，要發(fā)展以職業(yè)需求為導(dǎo)向、以實(shí)踐能力培養(yǎng)為重點(diǎn)的培養(yǎng)模式。

經(jīng)過改革開放40年的發(fā)展，我國(guó)在新材料、專用化學(xué)品、新能源、節(jié)能環(huán)保、信息生物、高端裝備制造等化工領(lǐng)域已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)高效、優(yōu)質(zhì)、安全、低耗的基本條件，是加快信息技術(shù)與傳統(tǒng)化工制造技術(shù)融合發(fā)展的重要保證，在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中有著不可替代的作用[3-5]?；x表及自動(dòng)化是集合化工儀表和自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用型課程，是化工類專業(yè)的重要課程。但是，目前部分高等院校、教師和學(xué)生對(duì)化工儀表及自動(dòng)化課程的重視程度不夠，教學(xué)模式單一，不利于高素質(zhì)應(yīng)用型化工自動(dòng)化專業(yè)人才的培養(yǎng)。為解決化工儀表及自動(dòng)化目前教學(xué)中存在的問題和滿足“中國(guó)制造2025”化工自動(dòng)化人才的需求，本文對(duì)化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新探索。

一、化工儀表及自動(dòng)化課程特點(diǎn)及主要內(nèi)容

化工儀表及自動(dòng)化課程內(nèi)容同時(shí)涉及化工、電工、物理和自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，課程教學(xué)難度偏高。同時(shí)，化工儀表及自動(dòng)化是面向化工類學(xué)生的應(yīng)用型課程，非常注重實(shí)踐性和實(shí)用性[6-8]。因此，在教學(xué)過程中，需要教師具有比較扎實(shí)的綜合專業(yè)知識(shí)和科學(xué)合理的教學(xué)模式，才能完全達(dá)到本課程的教學(xué)效果和教學(xué)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(dòng)化作為教材[9]。該教材前五章內(nèi)容涉及自動(dòng)控制的基本規(guī)律；壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)、物位檢測(cè)和溫度檢測(cè)等檢測(cè)儀表基本原理及選用安裝知識(shí)；DDZ-Ⅲ型電動(dòng)控制器、KMM可編程調(diào)節(jié)器和PLC的特點(diǎn)及工作原理；執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。該書前五章主要講述自動(dòng)化的基本概念、基本規(guī)律、控制思路與實(shí)現(xiàn)方法，注重提升大學(xué)生化工儀表及自動(dòng)化的基本理論知識(shí)。該教材后五章主要講述典型化工單元操作中所涉及的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和復(fù)雜制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與設(shè)計(jì)，通過講述化工生產(chǎn)中典型化工單元的控制方案提升大學(xué)生化工自動(dòng)化綜合知識(shí)的應(yīng)用和解決問題的能力。

二、化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)存在的主要問題

目前，化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)存在的主要問題有以下三點(diǎn)：首先，教學(xué)模式單一，本課程仍然以傳統(tǒng)的課堂教教學(xué)模式為主，教師主要采取講授PPT的方式進(jìn)行課堂教學(xué)，由于本課程內(nèi)容涉及多學(xué)科的知識(shí)，單一的教學(xué)模式很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳；第二，缺乏實(shí)踐教學(xué)，高等院校在本課程的教學(xué)中普遍存在“重理論、輕實(shí)踐”的缺點(diǎn)，目前高等院校一般都仍未配置本課程所需的相關(guān)儀表和實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)致學(xué)生缺乏實(shí)踐應(yīng)用和無法建立自己的知識(shí)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(xué)目的是實(shí)踐應(yīng)用，采用單一的理論考試的方式很難提升和考查學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，導(dǎo)致學(xué)生無法將所學(xué)知識(shí)用于實(shí)踐和就業(yè)能力較低。

三、化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)教學(xué)模式創(chuàng)新措施

1.豐富課堂教學(xué)方式

結(jié)合化工儀表及自動(dòng)化課程特點(diǎn)和內(nèi)容安排，首先挑選自動(dòng)控制基本概念和化工過程特點(diǎn)的章節(jié)內(nèi)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(dòng)控制系統(tǒng)基本概念）和第二章（過程特性及其數(shù)學(xué)模型）內(nèi)容，側(cè)重講解基本概念和對(duì)象特性的參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生掌握本課程的基本概念和基礎(chǔ)理論知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。其次，教師可結(jié)合實(shí)物進(jìn)行講授，如講述壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)、溫度檢測(cè)、DDZ-Ⅲ型電動(dòng)控制器和KMM可編程調(diào)節(jié)器等章節(jié)內(nèi)容時(shí)，教師可以準(zhǔn)備如干個(gè)相應(yīng)的儀表帶入課堂，可以結(jié)合實(shí)物講述儀表組成、原理和使用方法等內(nèi)容，這樣可以將比較抽象的內(nèi)容具體化，提高學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。最后，對(duì)典型化工單元操作的控制系統(tǒng)采取“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)。“翻轉(zhuǎn)課堂”有利于提高學(xué)生課前的自主學(xué)習(xí)，課中的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力[10]。例如，離心泵是最常見的液體輸送設(shè)備，也是化工生產(chǎn)過程的典型化工單元操作，離心泵流量控制是化工自動(dòng)控制過程中典型化工單元控制方案，我們可以對(duì)離心泵流量控制系統(tǒng)采取“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，讓學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)離心泵流量控制的方法，課堂中教師可以引導(dǎo)和組織學(xué)生對(duì)控制離心泵的出口閥門開度和控制離心泵的轉(zhuǎn)速等方法來控制離心泵流量，讓學(xué)生積極參與不同離心泵流量控制方案的討論和設(shè)計(jì)，提升學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。

因此，根據(jù)化工儀表及自動(dòng)化課程內(nèi)容特點(diǎn)，我們通過PPT的方式、結(jié)合實(shí)物和“翻轉(zhuǎn)課堂”三種教學(xué)模式進(jìn)行講授能夠豐富課堂教學(xué)方式和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

實(shí)踐教學(xué)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和工程技術(shù)人才的培養(yǎng)規(guī)律，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)應(yīng)用能力和職業(yè)技能主戰(zhàn)場(chǎng)[11-13]。在我國(guó)實(shí)施“中國(guó)制造2025”的背景下，我國(guó)化工行業(yè)將全面的轉(zhuǎn)型升級(jí)，每年將進(jìn)行需要大量的應(yīng)用型化工自動(dòng)化人才。針對(duì)目前高等院校一般都仍未配置化工儀表及自動(dòng)化課程所需的相關(guān)儀表和實(shí)驗(yàn)室，作者認(rèn)為，高等院校非常有必要加大本課程的投入，建設(shè)化工儀表及自動(dòng)化課程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

化工儀表及自動(dòng)化課程實(shí)踐教學(xué)可以分為三個(gè)層次進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施。第一層次為化工儀表基本操作：具體內(nèi)容為溫度檢測(cè)、DDZ-Ⅲ型電動(dòng)控制器和KMM可編程調(diào)節(jié)器等儀表的基本使用和操作；第二層次為化工簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組裝：具體內(nèi)容為利用壓力、流量、溫度、傳感器、DDZ-Ⅲ型電動(dòng)控制器和KMM可編程調(diào)節(jié)器等儀表進(jìn)行傳熱、精餾和反應(yīng)器等典型化工單元的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)及組裝，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維；第三層次為課程實(shí)習(xí)：安排學(xué)生到產(chǎn)學(xué)研基地或工廠進(jìn)行化工自動(dòng)化的實(shí)習(xí)，通過課程實(shí)習(xí)讓學(xué)生了解化工生產(chǎn)中的實(shí)際控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，能了解到集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）或現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)），甚至是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS系統(tǒng)）的特點(diǎn)和組成，不同化工自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1）。通過本課程實(shí)習(xí)，增加學(xué)生對(duì)化工自動(dòng)化在化工生產(chǎn)中的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)化工自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新思維，提升學(xué)生對(duì)“工業(yè)4.0”背景下化工自動(dòng)化向網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展的理解和應(yīng)用能力。

圖1 化工自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（A：DCS系統(tǒng)；B：FCS系統(tǒng)；C：NCS系統(tǒng)）

3.引入現(xiàn)代教學(xué)評(píng)價(jià)體系

教學(xué)評(píng)價(jià)體系對(duì)于教學(xué)質(zhì)量的提升和人才培養(yǎng)的意義重大，郎宇等認(rèn)為本著以學(xué)生發(fā)展為本以及市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的理念是有助于專業(yè)的發(fā)展和升級(jí)[14-16]。本文作者認(rèn)為，要加強(qiáng)化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)模式創(chuàng)新發(fā)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(duì)伍建設(shè)和“一生多證”政策，鼓勵(lì)學(xué)生參加化工自動(dòng)方面的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽，注重學(xué)生化工自動(dòng)方面的職業(yè)技能提升，將現(xiàn)代教育評(píng)價(jià)觀引入化工儀表及自動(dòng)化課程。隨著“中國(guó)制造2025”的實(shí)施，我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)將向自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，化工產(chǎn)業(yè)對(duì)“自動(dòng)化人才”的關(guān)注將從注重文憑向注重實(shí)際操作技能轉(zhuǎn)變。因此，化工儀表及自動(dòng)化課程評(píng)價(jià)要注重實(shí)踐能力和市場(chǎng)需求，要構(gòu)建理論知識(shí)、實(shí)踐能力和職業(yè)技能多維度的現(xiàn)代教育評(píng)價(jià)體系，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型化工自動(dòng)化人才的教學(xué)目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

化工儀表及自動(dòng)化是面向化工類學(xué)生的應(yīng)用型課程，非常注重實(shí)踐性和實(shí)用性。面對(duì)“中國(guó)制造2025”化工行業(yè)自動(dòng)化人才的需求，我們需要對(duì)化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)模式不斷探索和創(chuàng)新，要對(duì)接科技發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)需求，要發(fā)展以培養(yǎng)實(shí)踐能力為重點(diǎn)的教學(xué)模式。