案例教学模式在化工仪表及自动化教学中的应用

周冬菊 董铁有

摘要：化工仪表及自动化是化学工程与工艺专业的专业基础课，案例教学法是现今大学教育中比较先进的教学方法之一，本文基于化工仪表及自动化课程的特点，就案例教学法在该课程教学中的应用问题和实践进行讨论。本文论述了案例教学在化工仪表及自动化的实施步骤，包括设计精选案例、演示和分析案例及总结和评价案例。

关键词：化工仪表及自动化；案例教学；应用

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2012）11-0009-02

为促进化工生产的高效、连续及科学进行，以人为本的管理观念，须将化工生产中各项工艺参数合理维持于某一最适当的范围内，生产过程实现自动化[1]。对于化工专业的学生而言，在掌握化工专业知识的同时掌握工业过程检测、控制方面有关知识，能在今后从事工艺技术开发、设计和生产时更好地解决有关技术问题。案例教学法是大学教育中比较先进的教学方法之一，基于化工仪表及自动化课程的特点，将案例教学法应用在该课程的教学中，能有效地提高学生的学习兴趣，培养学生自主学习的能力以及独立解决问题的能力。

一、化工仪表及自动化教学现状分析

化工仪表及自动化是化学工程与工艺专业学生的一门必修专业基础课，该课程要求学生掌握一定的机械、计算机、电子电路和化工工艺学等基础知识，是一门综合性和实践性非常强的课程。该课程具有一定的抽象性，且由于学生的实际生产知识较为缺乏，在学习该课程时存在一定的难度。目前在《化工仪表及自动化》课程教学中存在的问题主要有以下两个方面。

（一）教学模式的问题

在传统的教学模式中，教师是知识的传授者，学生是知识的接受者，教材是教的内容。学生是被动地接受知识，在课堂上教师和学生之间的互动不够，导致大多数学生不爱问、不想问，也不知道要问的习惯，学习主动性丧失，产生倦怠情绪，体会不到学习课程的重要性。在传统教学模式下，学生缺乏想象力和创新精神，难以升华所学的知识，在今后的工作中不能将所学知识和实践相结合，难以为自控设计提供正确的工艺条件和数据。因此，在教学模式上应该必须改变传统教学模式，提高学生的学习主动性，培养高素质的创造性人才。

（二）教学内容的改革

随着检测与控制技术的发展，老式仪表逐渐被新型的检测仪表所代替，控制理论不断更新，但目前所使用的教材比较滞后。在教学过程中应顺应时代发展，不断调整充实学习材料，要学生了解检测技术和控制技术的发展趋势和最新发展动态，使教学内容的组织体现应用性和开放性，让学生解决一些简单的工程实践实例，体验学习化工仪表及自动化课程的价值，学会分析问题和解决问题的策略。

二、案例教学法与传统教学法的比较

案例教学法是一种以生产实际案例为基础的教学法（case-based teaching）[2]，案例本质上是提出一种教育的两难情境，没有特定的解决之道，教师扮演着设计者和激励者的角色，鼓励学生积极参与讨论，不像传统教学法，教师是有学问的人，扮演着传授知识的角色。与传统教学方法相比，在培养学生分析和解决实际问题的能力方面，案例教学因独有的优势而受到重视，近年来在工学专业课教学所占比例逐渐扩大[3]。课堂上通过设置案例，同学们没事先查阅文献，会天马行空地进行分析，不仅能激发学生对课程的兴趣，对教师而言，在教学中还能通过共同研讨，从学生那里了解大量感性材料。

课程中有部分内容对学生而言较抽象，通过案例教学能够调动学生对抽象知识的学习兴趣。在案例教学过程中，由于教学内容是具体的实例，加之采用的是形象、直观、生动的形式，，易于学习和理解。在案例教学过程中，教师在课堂上不是“独唱”，而是和大家一起讨论思考，学员在课堂上也不是忙于记笔记，而是共同探讨问题。

案例教学法也存在一定的缺点，案例在编写时需要技能和经验，研究和编制一个好案例需要两三个月的时间。案例教学法在实际的教学过程中会花费大量的课时，同时需要学生掌握坚实的理论基础，对教师而言，案例选择要精，案例中要尽量摒弃主观臆想的成分，在整个教学过程中要十分注意培养学生的能力。

三、案例教学法在教学中的应用

（一）被控变量的选择

在讲解简单控制系统的被控变量选择时，以糖化工段被控变量的选取案例进行教学的说明和示范。在课堂上首先讲解工业糖化的基本工艺流程[4]。

组织学生对糖化工艺分析，找出工艺的影响因素，讨论得到被控变量的选择原则。在讨论的过程中，学生发现糖化工艺的影响因素有很多，主要是温度、pH值、时间、糖化酶用量、压力等。教师点评要点：被控变量在选择时，需要综合考虑选取其关键因素，不需对每个因素进行控制；应是对提高产量和质量、节能等具有决定性因素的工艺变量；所选变量应能直接测定，且测量和变送环节的滞后是比较小的因素；若不能选择直接变量作为被控变量，则应选择与之有单值函数关系的间接工艺参数；被控变量必须是独立可控的；选择被控变量必须考虑工艺的合理性，以及目前的仪表现状是否能满足要求等。这些评论要点都是课本的重点内容，通过案例分析，可加深学生的理解与记忆。教师还可根据实际情况，举出其他被控变量选择相关的案例让学生分析，进一步强化教学效果。

（二）反应釜控制系统的设计

反应釜是化工生产关键设备之一，反应釜内部化学反应机理较为复杂，外界条件、原料添加量的变化、加热及冷却用水温度的变化等对系统影响较大，使系统本身具有较大的时变性、非线性和时滞性，因而是过程控制领域备受关注的因素[5]。学生通过对反应釜工艺的分析，发现对产品质量有影响的关键因素为温度、压力，并确定温度为被控变量。对控制系统的设计也各抒己见，在活跃课堂气氛的同时也充分调动了学生对自动控制理论学习的积极性。

总结学生讨论结果，在实际的操作过程中是如何进行控制以满足工业生产对产品质量和节能等方面的要求。在实际的生产中，对反应釜的温度控制进行两部分的控制，一是升温控制，二是保温控制，控制系统的方块图如下所示。在升温阶段，需控制温度上升速率，同时由于温度具有一定的滞后性，可采用前馈和反馈联合控制的方式。另外，在升温阶段，冷却水的用量会发生变化，从而影响温度，为了确保升温速率，需要同时调节夹套冷却水量和蛇形管冷却水量，可采用温度—流量串级控制体系，已达到控制要求。在保温阶段，由于温度的滞后性，采用简单控制系统达不到系统对温度变化的要求。通过对反应体系的分析和研究可知，压力的变化超前于温度的变化，为达到较好的控制效果，采用温度—压力串级控制系统。另外，在温度不变的前提条件下，物料B的百分比含量越高，系统的压力越低，所以将物料B的流量加到压力控制器的输出作为静态前馈控制，补偿物料B的流量变化对压力的干扰[6]。通过对其进行详细讲解，使学生知道实际生产采用的是较为复杂的控制系统，而不是课本中的简单控制系统。这样能提高学生对复杂控制系统有进一步了解的兴趣，同时达到案例教学的目的。

图1控制系统的方块图

四、体会

1.选择和纂写优秀的案例是案例教学法开展的前

提。案例本身要具备与教学内容的相关性，在教学过程中案例必须要能引起学生的兴趣积极参与到案例讨论中。教师在教学前必须对案例进行深入研究，对教学过程中可能出现的问题有充分准备。2.角色的定位是案例教学法的关键。教师要充分尊重学生的主观能动性，对学生的不同说法要加以肯定，应注重学生创造性的想法，培养学生分析问题和解决问题的能力。3.案例教学能够在一定程度上解决化工仪表教材的滞后，能较好地反映检测与控制学科的发展与化工技术的进步。

参考文献：

[1]李旭辉，申轶华.化工生产中自动化控制仪表探讨[J].化学工程与装备，2011，（11）.

[2]周川.简明高等教育学[M].南京：南京河海大学出版社，2006：155-156.

[3]朱涛，马恒，刘强.专业技术课程案例教学方法研究[J].高等教育研究学报，2010，（1）.

[4]王志坚.糖化工艺对啤酒发酵度的影响[J].酿酒科技，2004，（2）.

[5]刘研.反应釜的进料控制设计与实现[J].仪表技术与传感器，2010，（3）.

[6]李新卫.连续反应釜温度控制系统的设计与仿真[J].化工自动化及仪表，2010，（11）.