自动化专业本科教学中的案例设计与实践

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  摘要:案例教学有利于提高学生学习的主动性和积极性,有利于培养学生的探索意识和科研能力,有利于增强学生的职业综合能力。在自动化专业课程中,要更好地利用案例教学的优势,必须合理设计教学案例,体现学生为主体的教学理念,深入分析探讨工程实践机理,真正做到理论与实际相结合,实现更好的教学效果。
  关键词:案例教学;自动化专业;案例设计
  作者简介:孙宇贞(1975-),女,山东栖霞人,上海电力学院电力与自动化学院,副教授;黄福珍(1976-),女,湖北武汉人,上海电力学院电力与自动化学院,副教授。(上海 200090)
  基金项目:本文系上海市重点课程建设“计算机测控技术”项目(项目编号:20095303)、上海电力学院2010年度教学改革项目“专业课程教学中的案例设计与实践”(项目编号:20101405)的研究成果。
  中图分类号:G642.4     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2011)09-0144-02
  
  在课程的教学过程中如果适当采用一些实际工程项目案例,可以将理论知识和工程实践相结合,提高学生学习积极性和主动性,激发学生学习兴趣,进一步培养学生技术应用能力,增强解决生产一线问题的能力,进而提高教学质量。笔者多年从事自动化专业课程的教学工作,在针对自动化专业的教学过程中,将各种案例穿插于专业基础课程和专业课程教学过程中,收到了一定成效。下面就教学中案例设计中一些应注意的问题进行探讨。
  一、教学案例设计由浅入深,由易到难,使之贯穿教学全过程
  一般的专业课程如“过程控制系统设计”、“计算机测控技术”、“电厂控制系统”等课程比较容易将教学案例引入。但是在诸如“自动控制原理”等理论课程中,教师容易仅仅关注定理公式推导和教学理论知识讲解,没有把理论知识与实际工程相结合,就容易造成学生理论知识和实际应用脱离,也形成了所学的知识考完了就忘的应试方法,这样知识点无法牢固掌握,也难以在实际中应用。其实在理论课程的讲解时,可以把知识点对应于一些实际的案例进行讲授,以加深学生的理解。
  例如,在“自动控制原理”的绪论课中,可以举出诸如抽水箱水位控制、空调的自动控制系统等实例,让学生一下子对于自动控制的理论在真实生活中的广泛应用有直观了解,也发现单调的理论知识与各种实际产品有着密切联系。随着学习的深入,介绍到PID控制器时,可以启发学生进一步探讨水箱水位控制系统的控制器到底是什么,通过课堂上进一步讨论,分析出该系统是利用杠杆原理实现的比例控制。再学到稳态误差部分,就有学生好奇地想进一步了解,抽水箱水位控制系统如果仅仅采用的是比例控制器,为什么每次抽完水后水位仍然能够回到设定值。进一步对这个系统的机理进行分析后,学生明白抽水的过程是一个外扰,而且这个外扰不是阶跃扰动,而是脉冲扰动。通过广泛采取案例并对其深入理解,让学生能够充分理解理论知识和实际应用的联系,提高学生的知识应用能力。
  二、教学案例设计具有专业特色,为学生就业和工作指引方向
  过程控制系统课程教材中一般采用比较多的化工、石油行业生产过程控制系统作为各种类型控制系统的示例。而上海电力学院为具有电力特色的学校,今后学生就业方向以电力方面的行业为主,包括发电、输配电行业以及其相关设备和系统配套单位。考虑到上述情况,教学过程中在保留经典的石油化工行业案例外,增加了很多相应的电力行业案例。例如过热汽温的串级控制、汽包水位的前馈—串级三冲量控制、燃料和送风的比值控制、磨煤机出口温度和一次风流量的解耦控制、凝结水流量的分程控制等,这些都是电厂控制系统中非常典型的复杂控制系统应用实例。再如在自动控制原理中,通过发电机自动电压控制系统驱动励磁电压不同的变化,对比了开环控制、前馈控制和负反馈控制系统不同控制方法和系统特点,一方面解释了控制系统的分类和区别,另一方面也展示了自动控制知识在电力生产过程和电力系统中的应用。
  三、教学案例设计能够涵盖课程各种知识点,改灌输式教育为激励式教育
  “计算机测控技术”课程中过程通道和人机接口的基础知识在“微机原理”以及“单片机原理”等课程中有相关介绍,而在计算机测控技术中着重要求学生理解如何将接口技术应用于实际测控系统中。如果仅单一要求学生掌握硬件电路和对应接口程序,没有相关具体事例则难以吸引学生学习兴趣、提高学习积极性。而如何设计好实例,让学生从中能全面充分地掌握对应知识也是非常重要的。对此选取了8通道的工业加热炉温度控制系统和生产流水线自动装箱系统作为其软硬件系统示例。其中,加热炉温度控制系统采用了12位8路模拟量输入通道、8位8路模拟量输出通道、矩阵式非编码键盘、LED数码管显示、LED报警灯报警等人机接口电路。自动装箱系统中采用了光耦的开关量输入通道、固态继电器驱动电机的开关量输出通道、独立总线按键和矩阵编码键盘、LED显示。在这两个生产过程实例中,包括了大纲要求掌握的所有类型过程通道,其多通道的输入输出模块中既有多通道多转换器的模式,也有多通道共享转换器的模式。而键盘涵盖了独立总线键盘、矩阵式非编码键盘和矩阵式编码键盘,同时还有LED显示和LED报警不同的LED应用模式,其软件部分包括了参数的字长处理,一次参数预处理和数字式PID控制算法等内容。基本将计算机测控技术中微计算机测控系统主要的教学知识点涵盖在内,通过对这两个应用实例的逐步深入设计分析,也让学生学会了实际工程中系统分析和设计方法。
  四、教学案例设计应体现“教师为主导、学生为主体”的理念
  在教学案例的实施中应“以学生为本”,通过案例的设计和实现,让学生充分参与到学习过程中去,使学生真正享受到学习的乐趣。可以采用分组讨论式的教学法组织教学活动。由教师提出现实工程中常见的对象和控制要求,由学生分组选题,独立查找资料,分析系统和对象特性,提出解决方案,并且在课堂上由小组代表阐述其设计观点和设计思想,交由全班学生共同讨论质疑。在这个过程中教师始终担任对学生引导和启发的角色,而学生在其中沿“提出问题→分析问题→查询资料→解决问题→提出新的问题”循环前进模式,始终积极参与到教学全过程中,保持了学生浓厚的学习兴趣。
  这一方法在自动化专业各个课程设计中都得到了很好的应用,也大幅度锻炼了学生独立思考、自主学习、自主寻求答案的能力。而作为大四学生的专业课,在“计算机测控技术”的课堂教学中,也采用了提出项目目标、分组分析设计、班级集中讨论的模式,得到了学生积极的响应。例如,学生在中水处理系统的设计中,就在小组讨论中提出了不同方案,有的学生认为该系统适合用PLC系统,有的学生认为可以采用DCS或FCS系统,还有的学生考虑采用工业PC的方案,在随后的班级讨论中,大家讨论的异常激烈,按照指导教师的引导,学生分组分别查找资料,比较几种不同控制系统方案的特点,并且对应作出成本预算和施工难易程度评估,找出最佳方案。通过这样的分析讨论,所有学生感到对于不同类型的计算机控制系统特点和适用场合都能牢牢记住,并且也掌握了现实工作过程中解决问题的方法。在学习中既有乐趣,又学会了大量知识和方法,提高了逻辑推理能力。
  五、教学案例设计应“以学生为本”,通过在案例讲解中的引导和启发式教育,提高学生的学习主动性和积极性
  通过针对案例的深入分析,对于各种方案进行选型对比、分析具体实施步骤、完成详细设计,逐步激发学生的学习热情,并且牢固掌握工程设计知识理念。
  在前述加热炉温度控制系统和自动装箱流水线控制系统的设计分析中,设计过程不仅介绍计算机测控系统软、硬件组成的不同方法,而且分析在不同的情况下为何选用不同实现系统。如为什么选用了十二位A/D转换器而不用八位D/A转换器;A/D通道为什么是用共享式的,而D/A通道为什么采用了多转换器的;同样是DO通道,为什么电机采用固态继电器驱动而报警灯指示采用达林顿管驱动;为何逐步逼近法的A/D应该采用查询法,而双积分式的A/D可以选用中断法;也分析了编码器键盘和非编码器键盘技术的优缺点,静态显示LED和动态显示LED分别适用于哪些场合。通过课堂上不断的提问以及学生进一步的探讨,不仅授予了学生“鱼”,而且也授予学生“渔”,也进一步提高了学生的知识应用能力、创新能力和独立工作能力。
  六、教学案例设计应深入工程项目实现的机理,提高学生工作能力和创新能力
  在上海电力学院自动化专业教学过程中,很多课程都选取了电厂锅炉控制系统中过热汽温控制作为其中示例。在最初的“自动控制原理”课程中,考虑教学目标和教学体系的需要,主要介绍过热汽温对象的特性,所采用的串级控制系统特点以及主副控制器的PID参数整定方法和过程,并且在“自动控制原理”课程设计中可以选做相应的过热汽温串级控制系统设计与simulink仿真。而在其后的过程控制系统设计课程中,将电厂过热汽温控制系统作为复杂控制系统中串级系统的主要实例,在授课过程中主要以分析采用串级控制系统的原因、串级系统结构配置的特点、串级系统与单回路系统的对比、克服扰动一次扰动和二次扰动不同的特性以及控制系统参数配置中需注意的事项等作为着重点。在计算机测控系统的教学过程中,过热汽温串级控制也是其中关于火电厂DCS系统的主要教学案例,其中就以该系统的检测设备、执行机构、过程通道等配置,一次参数预处理的方法、软件程序中数字式PID的实现以及手自动无扰切换的方式、人机界面设计的特点等内容作为教学侧重点。对应在分散控制系统课程介绍了一些主流DCS系统如OVATION、Symphony、T3000中实现过热汽温控制的硬件配置以及软件组态方法和技术。同时在电厂控制系统课程中,还介绍了过热汽温控制系统中全程控制的概念、汽温设定值的变化、亚临界600MW机组和新型300MW机组在两级喷水减温控制中所采用的前馈信号和喷水阀级联控制方法。目前,超临界和超超临界火电厂中配合基于微过热汽温修正或焓值修正燃水比控制而采用的过热汽温调节方法。这样,随着专业课程的不断深入,学生由浅入深,由机理到具体实现逐步掌握了过热汽温的控制方案和方法,进而也就掌握了电厂中控制系统设计原理和方法。
  七、教学案例应合理选择、深入分析、学生参与设计,以完善教学内容、增强教学效果、提高教学质量
  如果在专业课程中案例设计恰当,并且有正确的引导和透彻的分析,就能更好为教学服务。
  通过教学案例的引入,可以提高学生的学习兴趣和热情。利用联系实际的各种类型应用实例,加上图文并茂的多媒体教学手段以及让学生积极参与其中的教学方法,让教学活动更加生动有趣,调动学生学习的主动性和积极性。
  通过全面的教学案例设计,全面整合一系列专业课程的教学安排,强化专业课程的体系特色。可以使学生在专业课程中掌握由理论到系统设计最终具体实施的一系列知识和技能,让知识体系构建得更加全面,知识技术掌握得更加牢固。
  通过学生在教学案例中的全面参与设计,提高学生的工程实践能力和综合职业技能,真正培养符合社会需求的实用型人才。
  通过学生参与在案例的设计与实现中加强学生创新能力的培养。在案例安排中,充分调动学生的能力,首先提出一些案例中的系统设计要求,要求学生自己通过各方面材料的收集整理,提出解决方案,然后再进行分析讲解,并且各种案例的解决方法不局限于书本,加强学生的创新能力。
  通过分组讨论设计的方式,培养学生团队协作精神,有利于增强学生今后就业和工作中的竞争力。在学生设计部分,让学生分组讨论,每个小组分别去设计不同系统解决不同问题,然后集中汇总,共同探讨,加强学生的协调能力和团队合作精神。
  在掌握对应工程案例基础上,进一步让学生在本科学习过程中就参与到一些科研和工程项目中。一方面可以提高学生的能力,更好掌握知识点,为今后的工作和研究打下良好的基础,另一方面也能够督促专业教师提高自身科研能力,有利于加强学校科研实力,促进学校综合实力发展。
  
  参考文献:
  [1]王修岩,等.“计算机控制技术”课程教学改革研究[J].中国电力教育,2009,(12):137-138.
  [2]余洁,杨平,王新刚.提高“自动控制原理”课程教学质量的探讨[J].教育与职业,2010,(29):128-129.
  [3]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京:电子工业出版社,2003.
  [4]肖大雏.控制设备及系统/国产600MW超临界火力发电机组技术丛书[M].北京:中国电力出版社,2008.
  (责任编辑:刘俊卿)
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