王玉昆 張 勇 徐少川 謝 磊

遼寧科技大學電子與信息工程學院 遼寧鞍山 114000

過程控制及儀表課程案例教學方法的實踐與反思

王玉昆 張 勇 徐少川 謝 磊

遼寧科技大學電子與信息工程學院 遼寧鞍山 114000

提出了過程控制及儀表課程案例教學的教學改革方法。對案例教學實施的意義、教學案例的選取及實施方法進行了實踐研究，對案例教學的效果進行了分析，對其不足之處進行了反思。

過程控制及儀表課程；案例教學；效果與反思

過程控制及儀表課程是自動化專業(yè)中一門非常重要的專業(yè)課程，課程具有很強的理論性和實踐性。目前國家需要大量的具有自動化專業(yè)知識的工程應用型人才來支撐國家經(jīng)濟的發(fā)展，因此如何采用有效的教學方法，提高該課程的教學效果，使學生迅速成長為自動化儀表及過程控制相關行業(yè)的“卓越工程師”的問題就成了擺在該課程教學任務中不可回避的重要問題。本文提出了基于案例教學的課程改革方法，使學生能夠在相關教學案例的分析、思考與討論中積極思考、主動探索，培養(yǎng)其解決問題的能力和工程實踐能力。

1 課程特點及教學現(xiàn)狀分析

過程控制及儀表課程學時多（64學時），內(nèi)容涉及自動化儀表、數(shù)學建模、自動控制算法及應用等眾多方面，是一門綜合性、實踐性很強的課程。其特點是：容量大、知識面廣，既有深奧的理論知識，又有大量的工程經(jīng)驗的歸納總結；既有嚴緊地數(shù)學公式，也有粗略的經(jīng)驗參數(shù)估計。在課程的教學過程中如果教學方法不得當，就會使學生思維混亂并產(chǎn)生厭學情緒，難以獲得理想的教學效果。目前該課程的教學存在著很多不盡人意的地方，主要表現(xiàn)在：

（1）教學理念上仍然采用教師教，學生學，以教師為中心的傳統(tǒng)填鴨式教學理念，教師注重知識的傳授卻忽略了學生獨立分析問題、思考問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

（2）教學內(nèi)容上對于理論知識的傳授偏重于數(shù)學公式的推導與證明，不注重理論的應用，導致學生學了理論知識感覺沒有用，喪失了學習興趣；對于工程應用知識的傳授偏重于一般性、原則性方法的講解，對于工業(yè)現(xiàn)場大量的實際問題并沒有通過實例進行講解，教學針對性差，學生不了解實際工程背景，對一般性、原則性的東西理解比較困難。

（3）試卷考核主要以概念性、理論性的計算考核為主，很少有針對學生獨立思考能力和實踐能力培養(yǎng)的考核項目，阻礙了學生能力的提高。

總之，過程控制及儀表課程的傳統(tǒng)教學方式與國家的人才培養(yǎng)目標和市場的人才需求不相符。為了改變這種現(xiàn)狀，我們在該課程中引入了案例教學方法，以改善教學效果，提高人才培養(yǎng)質量。

2 實施案例教學的意義

（1）有利于加深學生對課程的理解，提高學生學習興趣。傳統(tǒng)教學模式下，課程采用的是以教師為主的滿堂灌式的理論教學，很少有實際的案例，大多是教師枯燥的講解。學生對所學的知識不理解，不知道怎么用，學習興趣低下。而采用案例式教學，學生可以完全在實際的工程背景下進行學習，所學的知識有什么用、怎么用一目了然。學生在教師設置的實際工程背景下，可以進行充分的討論、分析和判斷，從而激發(fā)他們的思考和鉆研行為，學生成了課堂的主角，積極性和主動性自然就提高了。

（2）有利于學生分析問題、解決問題和工程實踐能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學方式下，學生是在還沒有感性認識的情況下，就進行理性知識的學習。學生對一些深奧的理論知識很難理解，更沒有應用理論解決實際問題的能力。而案例教學是通過具體的工程實例，將課本的理論知識與生產(chǎn)實際結合起來，使抽象的理論具體化、形象化。通過教師對案例的講解和學生對案例的分析，學生能夠達到身臨其境的運用課本理論知識去分析問題和解決問題的能力，從而提高學生的工程實踐能力。［1，2］

3 教學案例選取的一般原則

要進行課程的案例教學，就必須合理地選擇教學案例，這樣才能取得良好的教學效果，在教學案例選取過程中，我們遵循了如下原則。

（1）真實性原則。所選的教學案例全部是真實的，從工業(yè)現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中提煉出來的，而不是教師隨意臆造出來的。因為只有在真實的案例中才能提升學生工程實踐的體會和感受，激發(fā)他們的學習興趣。

（2）貼近教學內(nèi)容原則。案例教學的目的就是為了提升教學效果，達到書本知識的更好傳授。因此教學案例必須貼近教學大綱、與書本實際教學內(nèi)容相符。否則會使學生產(chǎn)生教師不按大綱教學的想法，使學生搞不清楚到底按照教師講的學，還是按照書本內(nèi)容學的為難情緒。因此只有教學案例貼近教學大綱，才能起到促進教學的目的。

（3）難度適中原則。選取的案例過于簡單，學生思維難于調動起來，學習積極性就會下降；選取的案例過于復雜，難度較大，學生難以接受，就失去了案例教學的意義，反而會使學生產(chǎn)生自卑情緒。

（4）參與性原則。引入案例教學，就是為了提升學生學習興趣，如果不讓學生參與其中，仍然采取傳統(tǒng)的講授式教學方法，學生的興趣仍然激發(fā)不起來。所以在教學案例中必須設計學生參與的環(huán)節(jié)。［3-4］

4 案例教學的實施

合理的選取教學案例，完成教案的編寫后，就進入了教學案例的實施階段，下面我們以4個具體實例來說明案例教學在過程控制及儀表課程中是如何實施的。

案例1：二線制信號與四線制信號的區(qū)別和使用方法。二線制信號和四線制信號是自動化工程中經(jīng)常遇到和經(jīng)常使用的，但過程控制及儀表類教材中對二線制信號和四線制信號的闡述大多數(shù)停留在二線制信號電源線和信號線是合并在一起的，四線制信號電源線和信號線是獨立分開的。這樣的闡述并不能使學生深刻理解二線制信號和四線制信號的區(qū)別和使用方法。因此在講述這個知識點的時候，在課堂上我們拿來了兩線制的溫度變送器、四線制的電流變送器、配電器和西門子200PLC。詳細給學生講解如何將兩線制變送器通過配電器配電輸出4線制信號后接入PLC；如何將四線制的電流變送器直接接入PLC。通過具體的實例讓學生知道二線制信號需要配電才能輸出4 mA～20 mA的電流信號接入其他檢測設備（PLC），而四線制信號由于存在供電電源，能夠發(fā)出4 mA～20 mA的電流信號，可以直接接入檢測儀表。這樣就使學生深刻理解兩線制信號和四線制信號的區(qū)別和不同的使用方法，即：大多數(shù)沒有獨立電源的變送器輸出的信號都是二線制信號，使用時需要對其進行配電；而有獨立電源供電的設備，如變頻器輸出的頻率反饋信號、電動執(zhí)行器輸出的角度反饋信號為四線制信號，使用時不需要配電電源即可輸出4 mA～20 mA的電流信號。通過這樣的案例講解，學生既掌握了兩種信號制的區(qū)別，也學會了如何對這兩種信號進行檢測。

案例2：蒸汽流量信號的檢測（案例如下：燒結余熱爐產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽通過管道向外輸送，供生產(chǎn)生活使用。管道中蒸汽溫度240℃左右，流量4 t/h～10 t/h。請選擇合適的檢測儀表，測量管道蒸汽流量）。本案例主要是培養(yǎng)學生運用學過的溫度變送器、流量變送器、蒸汽溫度壓力補正等相關知識，來搭建一個飽和蒸汽流量檢測系統(tǒng)，對學生的知識綜合運用能力進行考察。學生在得到案例后，首先進行分組討論，討論的內(nèi)容包括采用什么原理進行蒸汽流量的測量、蒸汽流量需要哪種補正，那種補正更準確，實施更簡單等問題。討論后每組學生給出一個設計方案并進行講解。最后教師對學生提出的方案進行分析，得出最優(yōu)的方案。學生通過分組討論、方案設計加深了對蒸汽流量信號檢測方法的深入理解，通過教師分析，學生的理解會更加深刻。

案例3：單回路PID控制。PID在自動化領域中是非常重要的一個知識點，課程在理論講解時只有復雜的數(shù)學公式，學生理解比較困難。在講解這個知識點時，我們首先錄制了單容水箱實驗設備在不同PID控制參數(shù)下的水箱液位的響應過程的視頻給學生觀看，讓學生對PID控制的作用，PID的參數(shù)P，I，D對系統(tǒng)的控制有什么影響建立感性的認識。然后進入討論環(huán)節(jié)，讓學生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象討論PID參數(shù)的作用，帶動他們的學習興趣。最后通過理論分析給學生講清楚P，I，D這三個參數(shù)的作用和它們是如何對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響的。通過這樣的案例講解，學生對理論的理解更加深刻，對PID控制的作用、應用場合和應用方法也有了深入的了解。

案例4：蒸汽鍋爐汽包液位的串級前饋控制。串級前饋控制是本課程中學生比較難于理解、難于接受但卻又很重要的一個知識點。單純的講解理論知識和控制算法組成框圖學生很難掌握該算法的理論知識和應用方法。在這個知識點講解時，我們設計了一個工業(yè)上最常用的蒸汽鍋爐汽包液位串級前饋控制案例。首先通過案例給學生講解蒸汽鍋爐的生產(chǎn)工藝，鍋爐汽包液位控制的重要性和控制的難點，然后讓學生應用學過的單回路控制和串級控制的知識設計鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)。教師通過分析學生設計的系統(tǒng)，說明為什么單回路控制和串級控制在鍋爐汽包液位控制中達不到最佳的效果，從而引出串級前饋控制方法。這樣教師結合實際案例，通過逐步深入的理論分析來講解串級前饋控制系統(tǒng)，學生就能更好的理解該算法的精髓、應用的場合以及應用的方法。

除了上述案例外，我們在過程控制及儀表課程中還設置了單容水箱對象特性測試、鍋爐爐膛壓力控制（講解單回路控制和控制器的正反作用）、磨煤機解耦控制、燒結余熱鍋爐給水管道壓力的選擇性控制等20幾個教學案例，這里我們不一一詳細敘述。

5 案例教學的效果分析與反思

目前這種案例教學方式在過程控制及儀表課程的教學中已經(jīng)實施了2學年，學生普遍反映較好，學生的學習興趣明顯提高。大多數(shù)學生表示這種教學方式能夠使他們知道這門課程到底傳授什么知識、這些知識有什么用、能夠應用到哪些工業(yè)場合解決哪些問題等。從畢業(yè)后從事過程控制及儀表相關行業(yè)畢業(yè)生的反饋可以看出，這種案例教學對他們工程實踐能力的培養(yǎng)起到了良好的促進作用，他們能夠比較輕松地進入這個行業(yè)并從事一些相關的專業(yè)工作。

雖然過程控制及儀表課程案例教學取得了不錯的教學效果，但也存在著一些問題，主要表現(xiàn)在：

（1）這門課程是合班上課，學生容量大，進行案例討論難以做到面面俱到，照顧到所有學生，部分不積極參與的學生學習效果沒有明顯提升。

（2）案例教學會消耗部分的課堂時間進行討論，授課計劃的按期完成有一定難度，需要調整原有授課計劃，適量縮減不必要的教學內(nèi)容。

（3）有些知識點進行案例教學效果并不好，如何更好地選擇教學案例和什么時候適合使用案例教學方法還需要進一步深入研究。

6 結束語

在過程控制及儀表課程中進行案例教學可以提高學生學習興趣，培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學生的工程實踐能力。隨著這門課程案例教學的廣泛推廣，我們對教學案例的選擇和案例教學的具體實施方法的研究會更加深入，以后會獲得更好的教學效果。

［1］ 魏永祥.案例教學在化工儀表及自動化課程中的探索與實踐［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2010（13）：118-119.

［2］ 周飛舟.實施案例教學應注意的幾個問題［J］.職業(yè)技術教育：教育版，2006（29）：65-66.

［3］ 韓利紅，陳愛祖，齊會寧.基于自主開發(fā)的案例教學與實踐［J］.教育理論與實踐，2009（12）：49-51.

［4］ 石青輝.案例教學實施工程中應注意的若干問題［J］.湖南商學院學報，2011（5）：130-131.

Practice and Refection of Case Teaching Method in Process Control and Instrumentation Course

Wang Yukun， Zhang Yong， Xu Shaochuan， Xie Lei
University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China

This paper proposed a teaching reform method of Case-Teaching in process control and instrumentation course and researched the meaning of Case-Teaching method， the teaching case selection method and the implementation method of case teaching， and then analyzed the effect and shortcomings of Case-Teaching method.

process control and instrumentation course； case-teaching； effect and refection

2015-01-24

王玉昆，碩士，講師。