“热工过程自动调节”课程实验实践教学改革和实践

“热工过程自动调节”课程实验实践教学改革和实践摘要：实验实践教学环节是“热工过程自动调节”课程教学过程的关键。以该课程教学内容、课程体系和教学方法改革为核心，开展了相应的实验实践教学研究工作，针对目前该课程实验实践教学存在的问题，提出了课程实验实践教学改革的设计思想和方法。通过教学实践证明，改革设计思想的实施既能满足课程教学的要求，也能满足后续课程对热工过程自动调节知识的需求，还能因材施教满足部分优秀学生对该课程知识的需求，效果较好。关键词：热工过程；自动调节；教学改革作者简介：陈毕胜（1977-），女，湖北崇阳人，山东科技大学机械电子工程学院，讲师；郭兰兰（1979-），女，山东昌邑人，山东科技大学机械电子工程学院，讲师。（山东青岛266590）基金项目：本文系2010年山东科技大学教育教学研究“群星计划”项目（项目编号：qx102031）的研究成果。中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）05-0103-02“热工过程自动调节”课程是热能与动力工程、火电厂集控运行和生产过程自动化等专业或专业方向的一门专业基础课，主要内容是结合热工过程自动化技术及其发展，应用火力发电厂中自动调节实例加以分析，有较强的工程实用性。开设本课程的目的是使学生掌握自动调节的基本理论，了解火力发电厂热工过程中主要的自动调节系统，掌握发电厂自动调节系统的基本分析、整定方法，培养学生分析问题与解决问题的能力，为学生学习后续相关专业课程、拓宽专业知识面、开拓新的技术领域以及从事专业工作打下必要的基础。注重工程实际的交叉与关联，是教好该课程的关键，因此该课程的实验实践教学环节必不可少，且尤为重要。一般该课程设置为23学分，3660学时，其中课内实验教学46学时。以期通过实验实践教学环节巩固学生所学理论知识，培养学生的观察能力和实践能力，完成对实际工程状态的熟悉及工程操作的学习，把知识真正融入实践。因此，在全面了解相关院校该课程实验设置情况和社会对该专业的需求的情况下，在发扬传统学科特色的基础上，融入了高新技术知识，以本课程教学内容、课程体系和教学方法改革为核心，开展了相应的实验实践教学研究工作。一、实验实践教学现况在教学过程中进行实验教学是教学实践的基本手段，是对课堂知识的检验和巩固，是培养学生技能的重要手段。实验教学从形式上分为演示型实验和仿真型实验两种，而实验类型又分为基础型实验、专业技能型实验和综合性实验。基础型实验主要为应知应会等原理性实验，一般由教师演示讲解、学生观摩验证即可；专业技能型实验主要训练学生的动手能力，由教师指导学生按步骤要求操作完成即可；综合性实验是难度较大的实验教学环节，需要学生或在教师指导下按实验项目和要求自行设计实验方案并完成实验过程，包括实际应用创新性实验等。“热工过程自动调节”课程教学内容涵括自动控制、自动调节的基本理论，火电厂主要热工过程的调节整定过程，电厂集散控制系统（DCS）等。本课程实践教学目前主要是开设课内基础型实验和专业技能型实验，课内基础型实验的主要内容为基本调节过程（如P、PI、PID等调节）的动态特性及基本整定方法，教师通过课堂演示讲解来实现；专业技能型实验具体可选实验内容有单容水箱动态特性测取、双容水箱动态特性测取、双容水箱对象的控制整定与串级控制系统整定等。目前学生实际操作的实验有两个：单容水箱对象的动态特性测取以及控制参数整定、单回路控制和串级控制系统整定。通过调研发现，尽管现有的实验教学使学生对自动控制系统动态特性有了较深入理解，且能根据实验结果分析系统动态参数的选取对系统性能的影响，还能对一般控制系统进行实验整定，学生分析、解决实际问题的能力得到了锻炼，但还存在一些不足：第一，学生所进行的实验仍然是传统的应知应会等原理性实验，实验模型和过程已经搭建、约定俗成，由实验指导教师统一准备、介绍、讲解、分析和指导，学生只要按照固定的实验操作规程一步一步去完成、记录相关数据、进行数据处理和计算，然后依照模板写出实验报告并上交，最后由实验指导教师批改报告并给出实验分数即可。这种实验教学模式在很大程度上限制了学生的学习积极性，缺乏实验的设计和准备等，不利于学生分析问题、解决问题和创新思维能力的培养。1第二，现有实验是由一套实验台结合组态软件来完成，学生分成若干小组，部分学生对实验数据进行记录，实验效果不明显，还有许多如为什么要这么做、如何来做等问题需要解决。第三，目前未开设实际热力系统的自动调节过程和参数整定实验，有能力、有兴趣的学生得不到锻炼，无法发挥其创造力和实际动手操作能力。针对现有实验教学中存在的问题，通过课程教学组的讨论分析，对原有实验教学进行了整合，提出了实验实践教学改革的设计思想和方案。二、实验实践教学改革的设计思想在现有教学条件基础上，按照“高等教育要拓宽专业业务范围，加强实践环节的教学训练”的精神，创建了综合实验实践教学体系，即创建由课堂演示实验、课外操作实验、综合应用设计组成的多层次的综合实验实践教学体系。将课程实验教学过程分为三部分：1.课堂演示实验在教学过程中根据教学内容进行原理性验证演示实验，使学生深入直观掌握课程基本理论、基本知识、基本技能，为将来能熟练地应用这些基本技能和方法奠定基础。2.课外操作实验开设开放式自主实验，利用现有实验设备和条件，一方面可继续完成原实验安排，另一方面可由学生通过学习现有实验台配套组态软件，自行组态设计相关控制调节系统并进行实验，以加深学生专业基础应用能力。3.综合应用设计通过应用专业基础知识和已掌握的专业方法和技能，结合实际工程应用进行设计，检验所学知识与实践能力，培养学生分析问题、解决问题的能力和综合素质。该类实验项目要求与实际工程应用相结合，这类实验由指导教师给定设计目标和设计思路，由学生分组完成。在综合实验实践教学体系的基础上，还补充开展了学生自主性、研究性学习。在课堂教学之余，支持学生参与教师相关课题科研项目，参加课外科技实践活动，鼓励学生参加“挑战杯”设计大赛、专利设计申请等。这样不仅可以提高学生的基本实验技能，还可以引导学生学习科学研究的基本方法，努力创造条件培养学生进行实验实践的能力。2三、实验实践教学改革的实践与优化根据实验教学过程中学生普遍出现的现象和反映的问题，为使学生在较短的时间里掌握相关的知识，在课程讲授内容和方法、实验实践过程安排、评价体系等方面进行了不断完善。在“热工过程自动调节”课程教学中，为强化实验实践教学环节，具体将课程实验实践教学体系设计为三个模块，即：热工过程自动调节的验证性实验、热工过程自动调节的工程性实验、热工过程自动调节的综合性实践。1.热工过程自动调节的验证性实验这个模块主要实现课程基本理论的特性演示实验，由任课教师在课堂教学过程中借助MATLAB软件完成。学生在课堂就可观察典型环节的动态特性以及环节中各参数对动态特性曲线的影响。从简单的P调节、PI、PD调节到PID调节，从单回路控制系统到串级控制系统等，使学生对基本原理部分有感性和直观的认识，以加深对基本知识点的理解。课下学生也可以自己上机通过MATLAB软件自行验证，熟悉基本控制、调节原理。2.热工过程自动调节的工程性实验这个模块主要实现课程中基本自动调节过程的参数整定，由教师指导，学生利用热能实验室现有的实验平台和组态软件MCGS，按原则性调节过程要求设计并完成单回路调节系统和串级调节系统的动态特性测取以及调节器的参数整定实验。使学生对电厂基本调节过程调节器参数整定方法和参数选取对控制系统性能的影响有直观认识，加深学生对课程教学内容的理解和掌握。3.热工过程自动调节的综合性实践这个模块完全以生产实际为对象，实现课程理论知识与实际应用的结合，不仅考察学生的动手能力，要求学生能够综合利用所学的知识，分析、解决生产实际过程中遇到的问题，而且要协调同组人员共同努力才能完成实验任务，锻炼了团结协作的能力。在该环节中，笔者结合课程设计或毕业设计，将学生分成了若干小组，并借助北京恒河大风软件提供的热力发电厂教学型仿真软件，完成了工程实际的自动调节过程（如300MW机组汽包水位控制系统、锅炉再热、过热汽温控制系统等）。在该实践过程中，学生从分析调节过程被控对象被调量的动态特性入手，提出了控制调节方案，进行了不同方案的比较，以论证方案的可行性，总结被控对象的特点和实际可行的控制策略，并完成该控制系统仿真建模和系统控制器的参数整定过程，为工程应用提供参考。图1、图2为学生在课程设计过程中开发的300MW机组串级过热汽温系统原则性方案和整定曲线。“热工过程自动调节”课程实验实践教学体系从结构上遵循由浅入深、由易到难的原则，使学生从被动学习过渡到主动思考。在实践之初，首先由教师介绍原则性的基本方案，并采用提出问题、解决问题，不断提出问题、不断解决问题的启发式和讨论式教学方法来组织课堂教学，传授给学生的是一个自动调节系统的基本原则，让学生充分认识基本方案的设计思想，培养学生举一反三的能力，为了解熟悉现场的调节系统打下良好的基础。然后在课程的实验实践教学环节中由学生分组讨论、设计某一热力系统实验方案，完成控制调节过程，以提高学生分析和解决实际问题的能力。实验教学从层次上分为基本实验和设计型实验两个层次，前者对全部学生开设，后者则对部分优秀学生开设。在教师的指导下，学生可充分利用热能专业实验室现有的仪器设备，自己查阅资料，确定实验项目并设计实验内容，以培养学生的创新意识和科研能力。在评价方法上，不再以学生实验过程中对参数的准确度控制为标准，而是通过综合性实验过程，使学生能够比较系统的、宏观的掌握电厂热力控制系统，能够理论联系实际来分析、解决所遇到的问题，同组学生之间能够协调完成仿真实验过程。3四、总结学生通过贯穿于“热工过程自动调节”课程教学全过程的三个实验实践性教学模块的学习，加深了对课程重点和难点的理解，充分调动了学习的主动性和自觉性。在循序渐进的分层次的实验实践教学环节中，使学生从掌握单一知识到掌握综合知识；从单纯的理论知识到实际的工程知识；从被动地接受知识到主动地学习知识。实验实践教学的设计达到了课程教学的目的。学生对能源动力系统（发电厂）的主要控制调节过程及控制方案等有了更深入的了解，能从系统的、宏观的角度去了解本专业的相关基本知识。通过这两年的教学实践证明，上述设计思想的实施，既能满足课程教学的要求，也能满足后续课程对热工过程自动调节知识的需求，通过因材施教，还能满足部分优秀学生对热工自动调节知识的需求，收到了