过程控制及仪表课程案例教学方法的实践与反思

王玉昆 张 勇 徐少川 谢 磊

辽宁科技大学电子与信息工程学院 辽宁鞍山 114000

过程控制及仪表课程案例教学方法的实践与反思

王玉昆 张 勇 徐少川 谢 磊

辽宁科技大学电子与信息工程学院 辽宁鞍山 114000

提出了过程控制及仪表课程案例教学的教学改革方法。对案例教学实施的意义、教学案例的选取及实施方法进行了实践研究，对案例教学的效果进行了分析，对其不足之处进行了反思。

过程控制及仪表课程；案例教学；效果与反思

过程控制及仪表课程是自动化专业中一门非常重要的专业课程，课程具有很强的理论性和实践性。目前国家需要大量的具有自动化专业知识的工程应用型人才来支撑国家经济的发展，因此如何采用有效的教学方法，提高该课程的教学效果，使学生迅速成长为自动化仪表及过程控制相关行业的“卓越工程师”的问题就成了摆在该课程教学任务中不可回避的重要问题。本文提出了基于案例教学的课程改革方法，使学生能够在相关教学案例的分析、思考与讨论中积极思考、主动探索，培养其解决问题的能力和工程实践能力。

1 课程特点及教学现状分析

过程控制及仪表课程学时多（64学时），内容涉及自动化仪表、数学建模、自动控制算法及应用等众多方面，是一门综合性、实践性很强的课程。其特点是：容量大、知识面广，既有深奥的理论知识，又有大量的工程经验的归纳总结；既有严紧地数学公式，也有粗略的经验参数估计。在课程的教学过程中如果教学方法不得当，就会使学生思维混乱并产生厌学情绪，难以获得理想的教学效果。目前该课程的教学存在着很多不尽人意的地方，主要表现在：

（1）教学理念上仍然采用教师教，学生学，以教师为中心的传统填鸭式教学理念，教师注重知识的传授却忽略了学生独立分析问题、思考问题和解决问题能力的培养。

（2）教学内容上对于理论知识的传授偏重于数学公式的推导与证明，不注重理论的应用，导致学生学了理论知识感觉没有用，丧失了学习兴趣；对于工程应用知识的传授偏重于一般性、原则性方法的讲解，对于工业现场大量的实际问题并没有通过实例进行讲解，教学针对性差，学生不了解实际工程背景，对一般性、原则性的东西理解比较困难。

（3）试卷考核主要以概念性、理论性的计算考核为主，很少有针对学生独立思考能力和实践能力培养的考核项目，阻碍了学生能力的提高。

总之，过程控制及仪表课程的传统教学方式与国家的人才培养目标和市场的人才需求不相符。为了改变这种现状，我们在该课程中引入了案例教学方法，以改善教学效果，提高人才培养质量。

2 实施案例教学的意义

（1）有利于加深学生对课程的理解，提高学生学习兴趣。传统教学模式下，课程采用的是以教师为主的满堂灌式的理论教学，很少有实际的案例，大多是教师枯燥的讲解。学生对所学的知识不理解，不知道怎么用，学习兴趣低下。而采用案例式教学，学生可以完全在实际的工程背景下进行学习，所学的知识有什么用、怎么用一目了然。学生在教师设置的实际工程背景下，可以进行充分的讨论、分析和判断，从而激发他们的思考和钻研行为，学生成了课堂的主角，积极性和主动性自然就提高了。

（2）有利于学生分析问题、解决问题和工程实践能力的培养。传统的教学方式下，学生是在还没有感性认识的情况下，就进行理性知识的学习。学生对一些深奥的理论知识很难理解，更没有应用理论解决实际问题的能力。而案例教学是通过具体的工程实例，将课本的理论知识与生产实际结合起来，使抽象的理论具体化、形象化。通过教师对案例的讲解和学生对案例的分析，学生能够达到身临其境的运用课本理论知识去分析问题和解决问题的能力，从而提高学生的工程实践能力。［1，2］

3 教学案例选取的一般原则

要进行课程的案例教学，就必须合理地选择教学案例，这样才能取得良好的教学效果，在教学案例选取过程中，我们遵循了如下原则。

（1）真实性原则。所选的教学案例全部是真实的，从工业现场实际生产过程中提炼出来的，而不是教师随意臆造出来的。因为只有在真实的案例中才能提升学生工程实践的体会和感受，激发他们的学习兴趣。

（2）贴近教学内容原则。案例教学的目的就是为了提升教学效果，达到书本知识的更好传授。因此教学案例必须贴近教学大纲、与书本实际教学内容相符。否则会使学生产生教师不按大纲教学的想法，使学生搞不清楚到底按照教师讲的学，还是按照书本内容学的为难情绪。因此只有教学案例贴近教学大纲，才能起到促进教学的目的。

（3）难度适中原则。选取的案例过于简单，学生思维难于调动起来，学习积极性就会下降；选取的案例过于复杂，难度较大，学生难以接受，就失去了案例教学的意义，反而会使学生产生自卑情绪。

（4）参与性原则。引入案例教学，就是为了提升学生学习兴趣，如果不让学生参与其中，仍然采取传统的讲授式教学方法，学生的兴趣仍然激发不起来。所以在教学案例中必须设计学生参与的环节。［3-4］

4 案例教学的实施

合理的选取教学案例，完成教案的编写后，就进入了教学案例的实施阶段，下面我们以4个具体实例来说明案例教学在过程控制及仪表课程中是如何实施的。

案例1：二线制信号与四线制信号的区别和使用方法。二线制信号和四线制信号是自动化工程中经常遇到和经常使用的，但过程控制及仪表类教材中对二线制信号和四线制信号的阐述大多数停留在二线制信号电源线和信号线是合并在一起的，四线制信号电源线和信号线是独立分开的。这样的阐述并不能使学生深刻理解二线制信号和四线制信号的区别和使用方法。因此在讲述这个知识点的时候，在课堂上我们拿来了两线制的温度变送器、四线制的电流变送器、配电器和西门子200PLC。详细给学生讲解如何将两线制变送器通过配电器配电输出4线制信号后接入PLC；如何将四线制的电流变送器直接接入PLC。通过具体的实例让学生知道二线制信号需要配电才能输出4 mA～20 mA的电流信号接入其他检测设备（PLC），而四线制信号由于存在供电电源，能够发出4 mA～20 mA的电流信号，可以直接接入检测仪表。这样就使学生深刻理解两线制信号和四线制信号的区别和不同的使用方法，即：大多数没有独立电源的变送器输出的信号都是二线制信号，使用时需要对其进行配电；而有独立电源供电的设备，如变频器输出的频率反馈信号、电动执行器输出的角度反馈信号为四线制信号，使用时不需要配电电源即可输出4 mA～20 mA的电流信号。通过这样的案例讲解，学生既掌握了两种信号制的区别，也学会了如何对这两种信号进行检测。

案例2：蒸汽流量信号的检测（案例如下：烧结余热炉产生饱和蒸汽，蒸汽通过管道向外输送，供生产生活使用。管道中蒸汽温度240℃左右，流量4 t/h～10 t/h。请选择合适的检测仪表，测量管道蒸汽流量）。本案例主要是培养学生运用学过的温度变送器、流量变送器、蒸汽温度压力补正等相关知识，来搭建一个饱和蒸汽流量检测系统，对学生的知识综合运用能力进行考察。学生在得到案例后，首先进行分组讨论，讨论的内容包括采用什么原理进行蒸汽流量的测量、蒸汽流量需要哪种补正，那种补正更准确，实施更简单等问题。讨论后每组学生给出一个设计方案并进行讲解。最后教师对学生提出的方案进行分析，得出最优的方案。学生通过分组讨论、方案设计加深了对蒸汽流量信号检测方法的深入理解，通过教师分析，学生的理解会更加深刻。

案例3：单回路PID控制。PID在自动化领域中是非常重要的一个知识点，课程在理论讲解时只有复杂的数学公式，学生理解比较困难。在讲解这个知识点时，我们首先录制了单容水箱实验设备在不同PID控制参数下的水箱液位的响应过程的视频给学生观看，让学生对PID控制的作用，PID的参数P，I，D对系统的控制有什么影响建立感性的认识。然后进入讨论环节，让学生根据观察到的现象讨论PID参数的作用，带动他们的学习兴趣。最后通过理论分析给学生讲清楚P，I，D这三个参数的作用和它们是如何对控制系统产生影响的。通过这样的案例讲解，学生对理论的理解更加深刻，对PID控制的作用、应用场合和应用方法也有了深入的了解。

案例4：蒸汽锅炉汽包液位的串级前馈控制。串级前馈控制是本课程中学生比较难于理解、难于接受但却又很重要的一个知识点。单纯的讲解理论知识和控制算法组成框图学生很难掌握该算法的理论知识和应用方法。在这个知识点讲解时，我们设计了一个工业上最常用的蒸汽锅炉汽包液位串级前馈控制案例。首先通过案例给学生讲解蒸汽锅炉的生产工艺，锅炉汽包液位控制的重要性和控制的难点，然后让学生应用学过的单回路控制和串级控制的知识设计锅炉汽包液位控制系统。教师通过分析学生设计的系统，说明为什么单回路控制和串级控制在锅炉汽包液位控制中达不到最佳的效果，从而引出串级前馈控制方法。这样教师结合实际案例，通过逐步深入的理论分析来讲解串级前馈控制系统，学生就能更好的理解该算法的精髓、应用的场合以及应用的方法。

除了上述案例外，我们在过程控制及仪表课程中还设置了单容水箱对象特性测试、锅炉炉膛压力控制（讲解单回路控制和控制器的正反作用）、磨煤机解耦控制、烧结余热锅炉给水管道压力的选择性控制等20几个教学案例，这里我们不一一详细叙述。

5 案例教学的效果分析与反思

目前这种案例教学方式在过程控制及仪表课程的教学中已经实施了2学年，学生普遍反映较好，学生的学习兴趣明显提高。大多数学生表示这种教学方式能够使他们知道这门课程到底传授什么知识、这些知识有什么用、能够应用到哪些工业场合解决哪些问题等。从毕业后从事过程控制及仪表相关行业毕业生的反馈可以看出，这种案例教学对他们工程实践能力的培养起到了良好的促进作用，他们能够比较轻松地进入这个行业并从事一些相关的专业工作。

虽然过程控制及仪表课程案例教学取得了不错的教学效果，但也存在着一些问题，主要表现在：

（1）这门课程是合班上课，学生容量大，进行案例讨论难以做到面面俱到，照顾到所有学生，部分不积极参与的学生学习效果没有明显提升。

（2）案例教学会消耗部分的课堂时间进行讨论，授课计划的按期完成有一定难度，需要调整原有授课计划，适量缩减不必要的教学内容。

（3）有些知识点进行案例教学效果并不好，如何更好地选择教学案例和什么时候适合使用案例教学方法还需要进一步深入研究。

6 结束语

在过程控制及仪表课程中进行案例教学可以提高学生学习兴趣，培养学生独立分析问题、解决问题的能力，有利于培养学生的工程实践能力。随着这门课程案例教学的广泛推广，我们对教学案例的选择和案例教学的具体实施方法的研究会更加深入，以后会获得更好的教学效果。

［1］ 魏永祥.案例教学在化工仪表及自动化课程中的探索与实践［J］.中国现代教育装备，2010（13）：118-119.

［2］ 周飞舟.实施案例教学应注意的几个问题［J］.职业技术教育：教育版，2006（29）：65-66.

［3］ 韩利红，陈爱祖，齐会宁.基于自主开发的案例教学与实践［J］.教育理论与实践，2009（12）：49-51.

［4］ 石青辉.案例教学实施工程中应注意的若干问题［J］.湖南商学院学报，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，硕士，讲师。