趙建立 李英杰 程菲

摘?要：傳統(tǒng)教學方式中無論以教師為主體還是學生為主體的單回路教學方式對學生培養(yǎng)目標存在響應速度慢、遲延大的缺點。本文針對虛擬仿真型生產(chǎn)實習教學構(gòu)建了基于串級控制理念的教學方式并進行實踐研究。結(jié)果表明串級控制理念的教學方式既能發(fā)揮授課教師教學響應速度快的優(yōu)點，也有助于發(fā)揮教學指導委員會的指導作用，有利于學生培養(yǎng)目標的達成。

關(guān)鍵詞：串級控制；教學實踐；虛擬仿真；生產(chǎn)實習

生產(chǎn)實習作為高校實踐教學的重要組成部分［12］，隨著工程認證和教學評估的進行，越來越受到學校和社會的重視。為滿足增強學生動手能力的要求，避免現(xiàn)場實習中因企業(yè)安全生產(chǎn)要求無法參與實際操作而出現(xiàn)的走馬觀花現(xiàn)象，教育部積極倡導各高校采用虛擬仿真技術(shù)進行生產(chǎn)實習［35］。在虛擬仿真技術(shù)應用于生產(chǎn)實習教學過程中，多數(shù)高校教師在虛擬仿真生產(chǎn)實習過程中無論是教師為主體還是學生為主體，都體現(xiàn)了單回路教學方式為主的特征。然而學生學習過程具有響應速度慢、遲延較大的大慣性對象特性，僅采用單回路教學方式無法更好地促進生產(chǎn)實習教學質(zhì)量的提升。為此本文針對虛擬仿真型生產(chǎn)實習教學基于串級控制理念進行研究，以提升生產(chǎn)實習教學質(zhì)量。

1?串級控制理念教學方式分析

基于串級控制教學理念的虛擬仿真型生產(chǎn)實習示意圖如圖1所示。

在串級控制理念教學方式下實習教學分為主、副兩個回路進行。副回路以授課教師為副調(diào)節(jié)器，以學生學習過程為副對象，主要引導學生學習，評價學生學習過程中的表現(xiàn)，達到課程教學目標。主回路以學院教學指導委員會為主調(diào)節(jié)器，學生實習結(jié)課成績和畢業(yè)5年內(nèi)工作單位評價為主對象，主要評價實習效果是否達到學生畢業(yè)培養(yǎng)目標的要求。副回路動作速度快，起粗調(diào)作用；主回路動作速度慢，起細調(diào)作用。主參數(shù)“培養(yǎng)達成度”是系統(tǒng)控制的核心，主參數(shù)是否等于給定值是評價系統(tǒng)最終是否穩(wěn)定、達標的標志，該參數(shù)由主調(diào)節(jié)器控制；副參數(shù)“課程教學達成度”是在大慣性對象中找到的反應速度快的參數(shù)，控制好該參數(shù)可初步實現(xiàn)主參數(shù)的精確控制，該參數(shù)由副調(diào)節(jié)器控制。

2?教學副回路分析

2.1?教學副回路給定值的確定

教學副回路的給定值實際上是課程教學目標。課程教學目標應由課程教學團隊在基層教學指導委員會指導下依據(jù)學生畢業(yè)培養(yǎng)目標而確定。以本文虛擬仿真型生產(chǎn)實習為例，火力發(fā)電虛擬仿真實習教學團隊在山東大學能源與動力工程學院（以下簡稱“我院”）教學指導委員會指導下確定了如下課程教學目標：（1）通過虛擬仿真生產(chǎn)實習教學使學生掌握火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程中所涉及的基于朗肯循環(huán)、再熱循環(huán)、回熱循環(huán)的熱力系統(tǒng)在企業(yè)現(xiàn)場所涉及的主要系統(tǒng)及設(shè)備；（2）掌握鍋爐、汽輪機及發(fā)電機等發(fā)電廠主體設(shè)備所涉及的輔助系統(tǒng)與設(shè)備，構(gòu)建發(fā)電廠全局觀；（3）通過生產(chǎn)實習中主、副值班員崗位鍛煉，增強團隊合作意識；通過燃燒過程運行調(diào)整理解電廠作為電網(wǎng)的局部單元在電網(wǎng)全局中的角色與作用，并能評價火力發(fā)電對能源安全和人類環(huán)境的積極意義和不利影響；（4）通過對電廠生產(chǎn)全局的了解，熟悉電力生產(chǎn)全周期過程，掌握火力發(fā)電全流程成本構(gòu)成，理解火力發(fā)電與新能源發(fā)電、儲能電站在經(jīng)濟性之間的耦合影響關(guān)系。

2.2?授課教師承擔功能分析

授課教師在實習過程中承擔控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器的作用，是串級教學控制系統(tǒng)的重要組成部分。在串級控制教學理念下副調(diào)節(jié)器的功能要求是動作速度快，能實現(xiàn)副回路偏差消除為最佳。授課教師應使副回路的輸出即學生的表現(xiàn)達到給定值要求?；谡n程教學目標，授課教師應依據(jù)被控對象特性即學生學習情況制定相應的教學方法。在實習開展之前授課教師應掌握學生已開設(shè)的專業(yè)課程有哪些，明確這些課程與生產(chǎn)實習之間的關(guān)系，并建立與專業(yè)課教師之間的聯(lián)絡(luò)機制，了解專業(yè)課授課過程中的側(cè)重點，掌握學生對火力發(fā)電廠設(shè)備與生產(chǎn)過程的認識程度。目前能源動力類綜合性大學普遍采用寬口徑、重基礎(chǔ)的學生培養(yǎng)模式，在此模式下，專業(yè)課數(shù)量和學時都減少?；鹆Πl(fā)電虛擬仿真教學團隊討論后認為應采用先進的教學方法，如翻轉(zhuǎn)課堂、微課等方式在實習初期針對學生認識和理解火電廠全局系統(tǒng)和設(shè)備進行教學。實習微課涉及的系統(tǒng)主要有：循環(huán)水系統(tǒng)、開式水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、發(fā)電機冷卻系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)、電廠旁路系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、回熱加熱系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理、汽封系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、疏放水系統(tǒng)及風煙系統(tǒng)等。同時結(jié)合目前火電機組的靈活性改造問題，采用啟發(fā)式教學法，由學生自主思考并采用報告的形式回答火電機組進行靈活性改造的原因，火電機組加強靈活性改造對火力發(fā)電生產(chǎn)效率、能源生產(chǎn)全局影響之間的關(guān)系，使學生深入理解能源生產(chǎn)全局與電力生產(chǎn)之間的關(guān)系。

火力發(fā)電虛擬仿真型生產(chǎn)實習的優(yōu)點是可以再現(xiàn)電力生產(chǎn)過程，通過生產(chǎn)過程的設(shè)備操作，使學生加深對電廠全局的認識與理解。為加強學生對現(xiàn)場實際的認識，促進學生溝通與交流，增強遇到實際問題的表述能力，實習授課教師設(shè)置主、副值班員崗位，學生按照自由組合原則，組成主、副值班員團隊，一人主操作，一人輔助，并在不同的系統(tǒng)運行操作中進行角色互換。

為加強學生對電力生產(chǎn)全流程成本的理解，在實習報告環(huán)節(jié)中設(shè)置相關(guān)問題，要求學生從電力產(chǎn)品全周期角度理解電力生產(chǎn)全局，結(jié)合新能源和儲能理解火力發(fā)電在能源生產(chǎn)過程中的優(yōu)缺點，提升學生對專業(yè)的整體認知，養(yǎng)成生產(chǎn)過程全局觀。

2.3?被控對象特性分析

無論采用以教師為主的授課方式還是以學生為主的教學方式，了解并掌握副回路系統(tǒng)中被控對象特性即學生學習特性是授課教師要做的主要工作。學生的學習特性包括前期專業(yè)課程的掌握情況，該情況可由仿真實習授課教師與專業(yè)課教師交流獲得，通過分析學生在專業(yè)課中的成績可掌握學生對火電廠主體設(shè)備和系統(tǒng)的理解程度，為制定適應該級學生實際學習水平的生產(chǎn)實習教學方法奠定基礎(chǔ)。

在指導虛擬仿真實習過程中授課教師需根據(jù)學生表現(xiàn)情況，適時調(diào)整教學方法。如學生協(xié)作、溝通能力較差，則應加強互動型操作項目，如在直流鍋爐升負荷過程中如何加強燃料、風、水的協(xié)同配合，這種操作項目僅依靠沒有任何運行經(jīng)驗的單個學生不可能實現(xiàn)，只能由操作團隊的交流、協(xié)同配合才能順利進行，由此可極大促進學生的交流及表達能力。

2.4?學生實習效果評價

在教學副回路中，學生實習效果評價是該回路的反饋環(huán)節(jié)，也是檢驗學生實習效果的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的特征是反應速度相對較快，教師可以根據(jù)學生表現(xiàn)及時得到教學效果的反饋信息。我院原有虛擬仿真型生產(chǎn)實習的考核方式是結(jié)課考核方式，主要包括：仿真機操盤考試、實習筆記和實習報告，分別占最終成績的60%、20%和20%。上述考核方式雖然能較為全面地反映學生的實習效果和表現(xiàn)。但由于考查的時間是在實習末期和結(jié)束以后，因此無法體現(xiàn)教學副回路的快速性特征。為更快地掌握學生實習效果，教學團隊增加了實習課堂討論和雨課堂測試兩部分平時考察環(huán)節(jié)。課堂討論以仿真操作中面臨的實際問題為主進行，如循環(huán)水投運時為何先打開凝汽器水側(cè)放氣門而在循環(huán)水泵打開后需要關(guān)閉該放氣門。輔汽聯(lián)箱的作用是什么，目前我校仿真機組在初始投運時輔汽聯(lián)箱的汽源是哪個？為何鍋爐上水過程對除氧器內(nèi)水的溫升速率有限制等一系列實際問題進行。通過課堂討論，觀察并記錄同學們的表現(xiàn)，有效跟蹤學生仿真實習的參與熱情與學習態(tài)度。采用雨課堂測試方式，在仿真操作到不同階段時對相應系統(tǒng)進行考察，評價學生對前期發(fā)布的實習微課的掌握程度。通過上述兩種過程性考核可以及時評價學生的實習效果，基于過程性評價的考核結(jié)果可以適時調(diào)整仿真授課方式與策略，提升虛擬仿真型生產(chǎn)實習的教學質(zhì)量。

要注意的是過程性考核評價要有定量的標準，不宜通過定性的方式來進行，否則無法可靠、客觀地給出過程性考核成績。我院學生在虛擬仿真型生產(chǎn)實習學生實習成績評價目前包括5項：課堂討論、雨課堂測試、操盤考試、實習筆記和實習報告，占比分別為15%、15%、40%、15%和15%。

3?教學主回路分析

由于教學主回路評價周期長，除常規(guī)學期末學生成績評價之外也包括畢業(yè)5年內(nèi)學生是否達到培養(yǎng)目標的要求。因此在教學主回路分析中可將教學副回路視為一個簡單環(huán)節(jié)。教學主回路簡化分析如圖2所示。

3.1?教學主回路給定值分析

教學主回路的給定值應是學生培養(yǎng)目標，也即學生畢業(yè)5年內(nèi)應該能達到的能力。該目標作為教學主回路的給定值應由學院教學指導委員會邀請企業(yè)專家參與制定。經(jīng)企業(yè)專家參與討論并制定的我院生產(chǎn)實習課程學生培養(yǎng)目標如下：（1）能夠站在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的角度思考能源與動力工程實踐的可持續(xù)性，評價能源與動力工程實踐可能對人類和環(huán)境等方面產(chǎn)生的積極意義和不利影響；（2）能與其他學科的成員有效溝通，合作共事，勝任團隊成員的角色與責任；（3）針對能源與動力工程領(lǐng)域的復雜工程問題，能夠通過撰寫書面報告、設(shè)計匯報文稿、口頭交流等多種方式，準確表達個人觀點，回應質(zhì)疑，與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通與交流，理解與業(yè)界同行和社會公眾交流的差異性；（4）掌握能源與動力工程項目中涉及的管理與經(jīng)濟決策方法，了解工程及產(chǎn)品全周期、全流程的成本構(gòu)成，理解其中涉及的工程管理與經(jīng)濟決策問題。上述培養(yǎng)目標作為虛擬仿真型生產(chǎn)實習課程串級控制教學理念主回路的給定值，由學院教學指導委員會進行評價學生是否達到了培養(yǎng)目標的要求。

3.2?教學指導委員會承擔功能分析

主回路中教學指導委員會承擔主調(diào)節(jié)器功能，當課程培養(yǎng)目標的給定值和最終輸出的測量值不匹配時，教學指導委員會應對教學副回路即教學團隊提出指導性意見，以改善教學效果，達到培養(yǎng)目標的需求。學院層面的教學指導委員會不應僅僅承擔職稱評級考核過程中的教學結(jié)果評價，還應該把教學督導職能納入其中，主動結(jié)合學生成績的達成度情況分析對教師授課效果進行評價。在培養(yǎng)目標有偏差或課程教學目標有偏差時，應指導課程教學團隊積極應對目標偏差，找出偏差的原因，為教學質(zhì)量的提升提供有益指導。如何優(yōu)化基層教學指導委員會的職能與工作機制應該是學校教務主管部門積極探索的方向。

3.3?教學主回路被控對象特性分析

串級教學主回路的被控對象雖然也是學生的學習情況，但是時間跨度較大，既包括課程學習結(jié)束后學生的課程達成度情況，也包括畢業(yè)5年內(nèi)學生的表現(xiàn)情況。只有包含了這兩個方面才能真正考核學生畢業(yè)培養(yǎng)目標是否達成。課程結(jié)束后的學生課程達成情況分析由授課教師上報到學院教學指導委員會，畢業(yè)5年內(nèi)的學生表現(xiàn)情況由院團委輔導室的教師聯(lián)系相關(guān)學生就業(yè)單位，發(fā)放學生工作情況統(tǒng)計表進行統(tǒng)計工作。我院2023年度的統(tǒng)計結(jié)果表明，虛擬仿真型生產(chǎn)實習的4個培養(yǎng)目標達成度情況良好，獲得在校和已畢業(yè)同學及學生就業(yè)單位的認可。

3.4?學生培養(yǎng)目標評價

學生培養(yǎng)目標評價是教學主回路的反饋環(huán)節(jié)，包括教學督導考核評價和就業(yè)單位評價兩部分。教學督導考核由教學指導委員會任命的院級教學督導來進行，既考察分析授課教師提交的課程達成度情況分析表，也要考察過程性考核是否客觀、合理。就業(yè)單位評價部分應在學院團委設(shè)置專門的對外聯(lián)絡(luò)辦公室，由相應年級的輔導員教師兼任，積極做好與就業(yè)單位的溝通交流工作，為獲得可靠的培養(yǎng)目標達成度數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。我院的教學運行實踐表明，做好上述兩項工作，對學生培養(yǎng)目標的達成有明顯積極作用。

結(jié)語

本文基于串級教學控制理念對虛擬仿真型生產(chǎn)實習教學進行了實踐研究。研究表明為提高學生實習效果，應增強過程性考核在學生實習評價過程的占比。同時應突出教學指導委員會在教學中的指導作用，應結(jié)合課程目標達成情況對授課教師給予相應指導和建議，由此實現(xiàn)教學由教師主導的單回路控制轉(zhuǎn)向更為科學合理的串級教學控制。

參考文獻：

［1］張書增.以產(chǎn)出為導向理念的生產(chǎn)實習模式探索與實踐——以交通設(shè)備與控制工程專業(yè)生產(chǎn)實習改革為例［J］.大學教育，2023（05）：146148.

［2］趙建立，程菲，李英杰.能源與動力工程專業(yè)虛擬仿真型生產(chǎn)實習教學模式研究［J］.教育教學論壇，2020（12）：4142.

［3］張海軍，楊天華，李延吉，等.虛擬仿真在能源與環(huán)境系統(tǒng)工程生產(chǎn)實習中的應用［J］.高等工程教育研究，2023（S1）：156158+162.

［4］田密霞，姜愛麗，冮潔，等.虛擬仿真實驗在食品工程專業(yè)“生產(chǎn)實習”課程中的應用［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2023（10）：114116+120.

［5］劉寧.虛擬仿真實踐訓練在化工生產(chǎn)實習中的探索［J］.教育現(xiàn)代化，2016，3（21）：121122+131.

［6］邊立秀，周俊霞，趙勁松，等.熱工控制系統(tǒng)［M］.中國電力出版社，2012.

基金項目：山東大學教改項目——工程教育創(chuàng)新背景下能源與動力工程專業(yè)虛擬仿真型生產(chǎn)實習教學模式改革研究（2022Y160）；能源與動力工程學院教改項目：1000MW火電機組仿真培訓指導教材

作者簡介：趙建立（1977—?），男，漢族，山東聊城人，博士，講師，研究方向：碳捕集與儲能。