新工科背景下《化工仪表及自动化》教学改革探索

李彦君，韩晓莉，杜玉朋

(烟台大学 化学化工学院，山东 烟台)

一 引言

《化工仪表及自动化》是一门基于自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论实现化工生产中过程控制管理的应用实践类课程。学习和掌握必要的仪表检测及自动化方面的知识可使学生理解现代复杂的化学工业过程中单元设备和控制系统运行的基本原理，并与相关专业人员共同协商完成新工艺的控制方案设计和现有工艺的改进工作。

随着工程教育认证工作的持续推进，基于成果导向教育（Outcome Based Education, 简称OBE）[1]的教学改革理念已成为现阶段我国高等教育发展的重要指导思想。为适应新兴技术在科技及产业升级方面的变革，2017 年教育部提出了发展新工科专业的倡导[2]，对工程教育工作提出了新的要求，旨在促进工程教育变革新理念、创生新形态、构建新模式和生产新质量，改变现有的后发“跟跑”方式，实现自主“领跑”的现代化转型，赋能高质量人才强国建设[3]，这使工程教育认证工作进入了新工科时期。在新工科的背景下，为顺应时代的发展，如何转变《化工仪表及自动化》传统的教学模式，培养学生的创新实践能力和工程意识以满足化工专业发展和企业对于人才的需求是当前该门课程教学改革的重点[4-6]。

本文在总结我校《化工仪表及自动化》课程现阶段教学过程中存在的问题和笔者近年来教学实践的基础上，阐述了新工科建设背景下，课程融合实践与新技术改革的思路和方法，以促进该门课程教学效果的提升，构建能够适应新工科发展要求的有质量有内涵的课程体系，实现新工科人才培养效益的最大化。

二 目前的教学现状及问题

《化工仪表及自动化》是化学工程与工艺专业的一门基础理论课程，包含了高等数学、化工原理、电子电工学和自控理论等交叉领域的内容[7]，课程内容与实际应用密切相关，可为学生今后从事相关领域的生产工作提供一定的基本技能。然而，由于课程中涉及一些物理模型和数学公式，加之偏多的教学内容和较少的课时安排，使得学生学习该门课程的难度有所加大，难以在短时间内消化和理解所学内容。在新工科建设的背景驱动下，传统的教学模型已无法满足化工专业对未来关键性、前沿性和创新性工程科技人才的培养需要。该课程目前在教学过程中存在的主要问题有以下几个方面：

（一） 培养方案和教学大纲中未突出工程教育

工程教育是大学与社会深度交融的产物，是将科学技术知识应用到社会生产活动中时所衍生出的专业特色教育，其需求与经济生产同向同行，培养具有工程意识的人才是各专业工程教育的核心任务[8]。传统的授课方式多注重理论教学，侧重于数学模型的推导和介绍，忽视了工厂的实际应用，从而使整个授课过程枯燥无趣。同时，学生缺少对化工系统过程及单元设备的了解，无法真实感受到该课程的实际应用价值，导致对专业知识的学习动力不足，产生迷茫感。

（二） “教”“学”分离情况严重

传统教学范式重知识轻能力、重课堂轻实践、重成绩轻育人的情况较为普遍，教师往往拘泥于填鸭式教育，认为学生对化工仪表及自动化的学习过程就是将课本知识进行简单的加工和应用，无法体现学生的积极性和主体性，导致其课堂参与度较低，造成“教”与“学”相隔离的现象发生。此外，在这种教学范式下，由于学生全程缺少对化工设备的实际体验感，不能培养其工程实践能力和创新精神，这也违背了工程教育的初衷。

（三） 课程内容更新程度低

新工科是工程教育发展的新态势，囊括了新型工科（传统工程学科专业的转型、改造和升级）、新生工科（不同科学交叉催生的新学科专业）和新兴工科（新出现的学科专业）[8]。《化工仪表及自动化》作为一门传统的化工类专业课程，在新工科建设的要求下就是要盘活其“存量改革”，将当今一些新兴技术包含在授课内容中，使其进行必要的改造和升级，使学生对课程内容产生新鲜感和浓厚的兴趣，这会增强课程的新颖性和时代性，引发学生的关注度，拓宽视野，使其摆脱传统化工生产的落后印象，塑造未来化学工业绿色化、智能化和集约化的生产模式，增强职业荣誉感和认同感。

（四） 课程实践内容少

相比于其他学校，我校《化工仪表及自动化》的课时数共32 学时，这些课时数通常只用于理论教学，无法安排专门的基础实验教学环节，因此学生在学习过程中缺少接触和参与基础性和综合性实验的机会，不利于实践创新能力的培养。

（五） 课程考核形式单一

课程基本以试卷和平时作业等反映知识掌握程度的简单考核为主，关注学生对知识的积累和简单应用，这种考核方式具有一定的片面性，会造成学生在考前进行突击学习，应付考试过程。平时作业方面，由于作业所需知识点相同，区分度不大，无法反映学生实际应用知识的水平。

针对目前课程教学过程中出现的问题，需以新工科建设要求为导向，通过对教学方法、教学内容和考核方式等方面进行改革，以培养学生的工程实践和创新能力。

三 课程教学改革措施

（一） 做好顶层设计，创新教学方法

顶层设计是教学过程有法可依的重要制度保障，可体现出工程教育在《化工仪表及自动化》课程中的关键作用。在新工科背景下，为了能突出学生的工程意识和创新实践能力，就需要不断的创新和完善教学方法以满足新形势下课程不断发展的要求，具体可从以下几个方面展开：

（1）通过调整培养方案和教学大纲，将工程教育落实到课程教学过程中。在工程教育认证的要求下，我们对培养方案进行了及时的调整。在原培养方案中，理论课程的课时数偏多，造成实践类课程课时数不足，无法充分地培养学生的工程意识。在新的培养方案中，增加了一些具有实践类性质的课程，如《化工课程设计》《仿真工厂实习》等，这些课程的加入可提高学生对于化工过程的认识，引导学生积极思考，增加主体能动性。此外，培养方案中也对设课时间进行了调整，将《化工仪表及自动化》由原来的第七学期调整到第六学期开课，在该学期中还增加了《化工课程设计》课程，这样安排可使学生将《化工仪表及自动化》中关于仪表检测和系统控制等方面的内容应用到《化工课程设计》课程中，而《化工课程设计》课程也可作为《化工仪表及自动化》的理想载体让学生对该课程的实用性有较为明确的认知，这种及时的相互反馈可积极的促进两种课程的教学效果，达到1+1 ＞2 的目的。另一方面，在教学大纲中适当地增加实践类的内容也可促进本课程的教学，实现工程教育的课程化目标。教学大纲的改变为教师的教学过程提供了明确的指导和具体的要求，教师可准确地把握课程内容中的重难点，充分发挥自身的创造性设计教学内容，培养学生的工程思维能力。

（2）灵活教学手段，提高授课效率。目前，我校《化工仪表及自动化》课程基本上仍以课堂理论教学为主，繁多的知识点、公式以及较为抽象的理论概念，增加了学习中的难度。《化工仪表及自动化》作为一门极具实践性的应用型课程，将这些抽象的理论实物化、应用化、立体化是学生易于接受的方式。因此，在有限的教学时间内，如何把枯燥的问题讲得生动，把难以理解的晦涩问题讲得通透，把每节课程中的重难点讲得突出，做到主题明确，逻辑顺畅，理论联系实际，引导学生的发散思维，锻炼其创新能力是每位教师努力的方向。为更好地配合教学，充分调到学生的积极性，在课程教学中，通过多媒体的图片、动画、声音等信息加工模式将知识点描述的更加直观、形象、具体，有利于学生对于课程内容的掌握。同时将常用的仪表类实物（如热电偶、压力表、压力传感器等）可带到课堂中进行辅助教学，并通过电路的链接实现基本功能展示，进而使学生切实感受基本检测仪表等知识点的实用性，了解其结构原理。此外，由于课程时间的限制，在课程上我们将更加突出该门课程的实践性，其理论性部分借助慕课、雨课堂、课程派、微课等手机APP 软件让学生进行自主的线上学习和随机测试，利用视频时间的灵活性满足各主要知识点的独立完整性，以改善板书加课件的授课模式，激发学生的主动探索欲望。

（3）赛教融合，拓展知识延展性。学科竞赛为学生将理论知识用于实际生产过程提供了良好的融会贯通的机会，通过参加学科竞赛，可以培养当代大学生的独立创新精神，调动他们的学习积极性和动手能力，塑造其科学和工程思维，有助于提高对工程教育的理解[9]。近年来，我校化工专业十分重视学生对于各项赛事的参与情况，积极鼓励本专业学生报名参加各类专业竞赛，例如全国大学生化工设计大赛，全国化工实验大赛，三创（创新、创意和创业）大赛等。其中，全国大学生化工设计大赛与本门课程密切相关，学生在参与设计竞赛的过程中，需要综合应用所学的仪器仪表及控制系统等相关知识，并由专业教师对参赛作品进行指导和完善，然后通过校内答辩择优推荐参加华北赛区及全国比赛。在此机制的保障下，我校学生屡获佳绩，拿到过全国竞赛一等奖（2018 年）的好成绩。竞赛结束后，部分专业教师会对这些参赛作品的内容进行挑选，如本课程较为关注作品中工艺仪表控制部分的内容，并将其作为教学案列在课程上进行讲解。参加竞赛不仅能够加深参赛的部分同学对化工仪表与自动控制原理的理解和认识，而且通过对本专业学生参赛作品在课堂上的再分析，可以拉近不同年级学生间的距离，让学习本课程的学生感受往届学生的创新精神和知识的实用性，不抗拒对化工仪表知识的学习，从而实现赛教融合的和谐发展。

（二） 改善教学内容，提高学习兴趣

随着自动化控制水平的不断提高，一些新技术逐渐应用于生产过程中，因此为满足现代化工生产的需求，需要对课程内容进行适当的调整和编排。去掉课程中一些陈旧的内容，减少对理论方法的分析，将内容做精；同时也要增加一些新兴技术在自动控制系统中应用的研究成果和实例，将当今热门的一些技术如智能制造、人工智能、大数据及智能工厂等与自动化相关的内容逐步加入到课堂教学中，增加课程内容的广度，拓宽学生的视野，提高其学习本门课程的兴趣，增强今后从事化工相关类行业的信心。然后将新兴技术遇到的一些问题和课程的知识联系在一起分析和讲解，给课堂教学注入新鲜感，吸引学生的注意力，提高教学质量。重新整合和编排的课程知识模块如图1 所示，在各个主要的知识模块中，通过分析其内容特性，将智能制造等热点技术及最新的研究成果融入到传统仪表课程的内容中，建立两者间的联系，使学生既能体会到新技术所带来的变革红利又能感受到传统学科未来发展的勃勃生机，实现在新工科背景下新旧交融、求实创新、与时俱进的课程改革新目标。

图1 课程教学内容知识模块

另一方面，《化工仪表及自动化》是一门理论与实践兼备的课程，其实践部分是培养学生工程思维和动手能力的重要载体。由于我校课时数的限制，该门课程并未安排实验教学，这在一定程度上减少了学生及时参与课程实践的机会。为了能够提高学生对本课程实际应用的认识，我们在有限的课时数下，依托与东方仿真控制技术有限公司合作建立的煤制甲醇半实物仿真教学工厂（2019 年建成）这一新的教学平台，从课堂教学中拿出4 个课时的时间安排学生分批分组进入仿真工厂进行初步的实践教学活动（图2），了解检测仪表和执行器的类型和结构，以及各检测点的排布等实际情况，结合仿真工厂的工艺流程，通过课前预习- 实习参观- 现场问答- 课后谈论等一系列举措，借助这种看得见、摸得着的教学过程让学生能够对化工仪表及自动控制系统在实际生产中的应用背景和实现方式有更加深刻的认识，有助于对所学知识的消化和吸收。此外，通过培养方案的调整，在同一学期还开设了《化工课程设计》课程。在此课程中，学生自由组队分成几个设计小组，在给定设计题目后，通过讨论交流，根据化工仪表和自动控制的要求和标准，绘制管道及仪表流程图（Piping and Instrumention Diagram,简称PID 图）。此课程的开设将本课程中的基础知识及时应用到实践教学当中，通过多课程间的协作，拓展了教学空间，锻炼了学生解决实际工程问题的能力。

图2 煤制甲醇半实物仿真教学工厂

（三） 强化过程考核，丰富考核方式

为提高学生综合应用课程知识的能力，根据《化工仪表及自动化》课程性质及工程教育认证的要求，在本课程的考核中增加了过程考核的比重，加大了学生平时对课程内容掌握程度的关注，建立了多元化考核的长效机制（表1）。在此考核中，不但强调课程基础知识的积累，还要注意培养学生的工程化思路及实践创新能力，考核内容将期末考试（考察基础知识）、平时表现（考察基础知识）、课后讨论（考察工程化思维及实践创新能力）、仿真工厂实习（考察实践创新能力）紧密结合在一起，以达到全面衡量学生综合能力的目的。通过考核方式的改革，学生对本门课程的热情明显提升，肯定了课程的实用性，更愿意参与到课程教学的互动过程中，对于工艺和控制等相关概念的兴趣也得到了增强，使学生不仅能更好的掌握所需的基础理论知识，还增加了实践的机会，有效地促进了本课程的教学效果。

表1 多元化考核构成及占比

四 结语

在新工科建设背景下，工程教育进入了新的发展时期，为顺应高等教育新形势下的发展需求，《化工仪表及自动化》的课程改革已在不断地进行和探索中。本文针对目前课程教学的问题，从教学方法、教学内容和考核方式等三个方面进行了课程改革的分析和讨论，以期为传统化工课程改革提供思路。通过上述改革，明显提高了教学效果和教学质量，锻炼了当代大学生的创新能力和综合素质，为培养具有现代工程思维和全局观的高层次应用型人才贡献力量。