炉温仪表与热控制实验教学改革探索

张克勤　王鹏　于鹏飞　于金库　李伟　曹宏强

【收稿日期】 2019-01-18   【基金项目】 国家自然科学基金青年基金（51601166）;河北省教改项目（JG2017PY10）

【作者简介】 张克勤（1962-），女，辽宁朝阳人。硕士，高级工程师，主要研究方向为材料物理性能分析。

【摘 要】随着工程教育体系的快速发展，传统的实验教学模式已经不能很好地满足培养目标的需求，提高工程实验教学质量，推进工程实验教学改革势在必行。《炉温仪表与热控制》是材料科学领域中相关专业的一门专业必修课，具有理论与实践并重的特点，针对传统实验教学模式存在的问题，通过对综合设计实验的教学改革，探索出一套全方位培养、考核学生综合能力的实验方法。合理的教学内容、优质的教学条件、完善的考核机制是提高实验教学质量的有效途径。

【关键词】 炉温仪表;热控制;综合设计实验;教学改革

【中图分类号】 G642.0  【文献标识码】 A  【文章编号】 1005-4634（2019）06-0115-04

0 引言

实验教学是高校教学的重要组成部分，它是以学生为主体，教师为主导，将理论与实践密切配合的过程【1】。提高工程实践教学质量是高等工程教育体系中培养高素质工程科技人才的关键【2】。在实施素质教育的现代高等教育中，实验教学在巩固学生理论知识、培养学生综合能力和创新意识方面发挥着非常重要的作用。然而，当人们审视和反思传统实验教学模式时，就会发现“过分强调验证理论”的传统实验教学远远不能达到其应有的培养目标【3】，要想从根本上提高实验教学质量就必须借助于综合性实验和设计性实验。为了适应新时期材料专业培养新型高科技人才的需求，提高学生运用所掌握的知识分析、解决实际问题的能力，燕山大学材料科学与工程学院不断地对实验教学体系进行改革，先后进行了材料物理、高分子、金属材料、无机材料等专业实验教学大纲的重新修订，围绕实验项目的设置、实验方法的改进、实验指导书的撰写等完成了一系列改革措施，改革后的实验课程取得了很好的教学效果。通过实验的感性认识，学生既能加深对所学专业理论的理解，掌握本专业的基本实验仪器和实验能力，又能培养其发现、提出、解决问题的综合能力与素质。

然而，依据细化专业方向设置的单一课程相关实验，还存在体系不够完善、内容较零散、团队合作少等问题，不能满足工程创新型人才培养的要求。本文以《炉温仪表与热控制》综合设计实验为例，在剖析教学改革前课程现状的基础上，从优化实验教学内容、改变实验教学模式、改善实验教学条件和完善实验教学手段等环节阐述改革方法【4】。在整个实验教学过程中，通过构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）和运作（operate）紧密结合的形式，使学生利用实践与课程之间有机联系的方式学习，最终达到落实工程对能力培养要求的预定目标【5-7】。

1 传统的实验教学模式反思

1.1 实验方法僵化

传统的《炉温仪表与热控制》实验，根据理论课的内容大致分为以下6个独立的实验项目：热电偶的原理及使用;热电偶的鉴别与校验;控温仪表的使用及误差标定;炉温控制系统整体误差的分析与标定;位式控温实验;PID控温实验【8】。每个实验内容相对独立，学生不能对所学课程有一个系统的全面的消化吸收过程，并且对每一个实验，从实验内容、所需仪器设备材料到实验过程都是由教师规定的。实验教材将实验原理、步骤甚至某些实验现象等写得很清楚。学生只能被动地实验，按要求机械操作、按部就班地完成任务。由于整个实验过程中的大部分细节都由教师事先设计确定，大部分可能发生的问题都由教師安排了解决方案，因而限制了学生独立思考与独立设计、进一步探索的空间。这种教学方式无疑束缚了学生的想象和思维，窒息了学生的创造力。实验中没有失败的体验和成功的喜悦，学生很难从实验中领会知识的真谛。

1.2 实验形式单一

传统的《炉温仪表与热控制》实验，在实验时间、实验学时数上全班齐步走，不仅规定学生同时进入实验室，而且要求所有学生在同一时间段完成实验任务。这样基础差的学生消化不了，能力强的学生不能深入研究。这种无视学生能力差异和个性发展的实验教学，不能充分体现学生在实验教学中的主体地位，难以调动学生做实验的主动性和积极性，使教学效果大打折扣。

1.3 实验资源浪费

高等学校的实验室，一般是除基建外投资最大的部分，在人才培养中发挥着重要作用。实验教学使用的仪器设备是实验教学的资源主体。然而，在传统的实验教学中，这些实验仪器设备学生只能在固定的实验课中使用，其他时间基本闲置，实验设备的利用率不高，造成实验资源的隐性浪费。

2 《炉温仪表与热控制》综合设计实验改革探索

2.1 合理编排实验模式，优化实验内容

针对传统实验教学模式存在的问题，燕山大学材料科学与工程学院积极发挥实验教师的主导地位，成立课程改革小组，对《炉温仪表与热控制》实验课进行了包括优化实验内容、改善实验条件、综合考核评定等全方位的实验教学改革。改革后的综合设计实验将以往6个独立的实验项目，通过合理编排实验模式、优化实验内容，将有关温度测量与控制的元器件、测温仪表、热控制电路等方面的基础知识有机地联系起来，以控制目标（电炉温度）的要求为参考点，整个实验过程学生从热电偶及控温仪表的认识鉴别入手，首先了解各种元器件性能，熟悉各种仪表的原理、使用及其误差校验方法，然后在教师指导下由学生根据自己选定的实验题目、实验内容，独立完成确定实验方案、拟定实验程序、选择实验仪器，自己动手设计一个完整的控温电路并进行元件安装、系统调试、观察实验现象、验证自己的设计方案的科学性和可行性，之后完成误差标定、数据处理，写出实验报告或科学短文等。整个实验安排从简单到复杂，从局部到整体，从孤立到综合，从理论到实践，与原有的实验内容相比，新改进的实验提高了学生主动参与、互动、合作交流的积极性，提高了学生的学习兴趣，培养了学生独立思考、严谨认真的科学态度。调整前后教学模式与内容的变化如表1所示。

该系统由组合电路板、连接导线和温度调节仪、中间继电器、可控硅、固态继电器、各种类型热电偶、电炉等多个控温元器件组成。将以往复杂笨重的温度测量与控制系统浓缩在一个小小的实验箱中，用清晰明了的组合电路板完成控温过程的线路安装。学生通过使用该系统，将有关温度测量与控制的元器件、测温仪表、热控制电路等方面的基础知识有机地联系起来，通过实验实现既定目标。该系统用先进的自动化仪表与设备组成自动化系统，对温度实行精确的、自动的测量与控制，体现了科学知识与科学方法的统一，有利于学生系统的掌握相关知识，提高实验操作技能，有利于推广素质教育，培养创新精神和实践能力。该系统自重5kg左右，体积400*400*150（单位mm）。设计简洁，易于携带，操作规范，安全可靠，价格合理，便于推广。

2.2 自制实验设备，改善实验条件

为加强实验课程的系统性，考虑非电类专业学生的特点及要求，燕山大学材料科学与工程学院设计制作了10套温度控制实验系统。

2.3 合理利用资源，实行开放式教学管理

为了充分利用实验室现有资源，实验室在课程运行时间段，面向相关学生全天开放，并为学生提供相应的实验平台和辅助设备。为了帮助学生更好地完成实验内容，燕山大学材料科学与工程学院把整个实验分成3个阶段，如图1所示。

1） 实验准备，即构思（conceive）、设计（design）阶段。在此阶段学生首先根据自己的实际情况到实验室选择实验题目，并结合题目认真学习相关的理论知识、查阅一定的科技资料，自己动手设计一个完整的控温电路，写出包括具体方案、实施手段、测试方法、工作计划与日程安排等的设计报告;然后将设计报告交指导教师审阅，指导教师辅助学生进行可行性分析和设备应用的指导，准备充分后方可进行实验。

图1 炉温仪表与热控制实验过程

2） 实验实施，即实现（implement）和运作（operate）阶段。在此阶段，学生在教师的协助指导下准备实验所需的原材料、设备、仪器及工具，并进一步结合理论知识了解掌握仪器设备的原理、性能、使用方法，同时对所选的元件、仪器进行必要的鉴别、校验，然后分组讨论确定实验方案，把选好并标定好误差的元件和仪表按自己设计的电路组装控温回路并运行，以进一步验证设计方案的可行性与科学性，并根据实验情况不断修改方案、补充实验、完善所需的资料或数据。在条件允许的情况下，对学有余力的同学，可以增加实验难度，设计若干控温电路并根据情况安装调试，充分调动每个学生的学习积极性。

3） 实验总结。在此阶段学生要根据观察到的实验现象，分析讨论出现的问题，整理归纳实验数据，并对实验进行总结，提出改进措施，形成完整的总结报告，在写总结报告的过程中培养概括科学实验的能力。

2.4 全方位考核学生的综合能力

由于开放性综合设计实验更加注重学生综合素质的提高，所以考核方法也应该与传统实验教学的考核方法有所不同。为了更好地对学生进行理论知识、实验技能等多方面的综合评定，《炉温仪表与热控制》实验中教师安排3人一组，每人一套设计方案，该部分主要考查学生理论知识准备情况和科技资料查询情况（占总成绩的30%）。进入实验室后，学生分组讨论个人设计方案的合理性和可行性，并进行安装调试。在整个安装调试过程中，小组同学之间互相督促进度、检查错误，保障设计方案的顺利完成，该部分主要考查学生操作是否规范认真， 是否充分体现团队协作精神（占总成绩的40%）。完成安装调试后，学生根据实验操作时观察到的实验现象，逐步形成一个比较完整的总结报告。该部分主要考查学生独立思考、严谨认真的科学态度和概括科学实验的能力（占总成绩的30%）。

3 改革效果梳理

为了检验实验教学的改革效果，学院选择2016～2018年连续3年开设《炉温仪表与热控制》综合设计实验的12个班级，共365份实验报告进行了重新梳理（见图2）。结果显示，57%的同学认为强化了理论知识;86%的同学认为提高了动手能力;93%的同学提到对实验产生浓厚的学习兴趣。很多同学在实验报告中都谈了自己的感想，并对综合设计实验的改进提出了很好的建议。大部分同学都认为改革后的综合设计实验无论是对理论知识的掌握，还是对动手能力的培养都有很大作用，特别是培养了自身的团队合作精神和学习兴趣。

图2 改革效果柱形图

4 结束语

改革后的《炉温仪表与热控制》综合设计实验，从實验准备到安装调试，从能力考核到总结报告，都充分体现了以学生为主体、教师为主导的高校实验教学改革的教学理念。实践证明，实验教学的改革，不仅使学生的自主性、能动性得到充分发挥，而且动手能力、独立思考能力都得到明显的提升，也培养了学生的团体合作精神和严谨认真的科学态度。

参考文献

【1】 王玲玲，富立.基于CDIO的自动化及电气工程专业课程设计与综合实验教学改革【J】.教学研究，2018（5）：88-92.

【2】李善寿.“CDIO”工程教学模式在实践教学中的实施方法研究【J】.重庆科技学院学报（社会科学版），2010（20）：164-166.

【3】朱元春，深化实验教学改革的思考与实践【J】.实验室研究与探索，2007（12）：137-139.

【4】黄凌君，曾武华，郑仁亮.基于IEET工程教育认证的应用型本科土木工程测量教改研究【J】.湖北第二师范学院学报，2018（8）：106-109.

【5】胡文龙.基于CDIO的工科探究式教学改革研究【J】.高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

【6】刘凤春，牟宪民，陈希有.“电子技术”课程工程教学案例设计实例【J】.电气电子教学学报，2012（4）：101-104.

【7】秦磊華，石柯，甘早斌.基于CDIO的物联网工程专业实践教学体系【J】.高等工程教育研究，2013（5）：168-172.

【8】李均宜.炉温仪表与热控制【M】.北京：机械工业出版社，1981：5-90.

【责任编辑 孙菊】

Exploration on experimental teaching innovation of furnace

temperature instrument and heat controlling

ZHANG Ke-qin1，2，3，WANG Peng1，2，3，YU Peng-fei1，2，3，YU Jin-ku1，2，3，LI Wei1，2，3，CAO Hong-qiang4

（1. Metastable Materials Science & Techhology SKL，Qinhuangdao，Hebei 066004，China;

2. Material Comprehensive Experimental Teaching Demonstration Center，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China;

3. College of Materials Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China;

4. School of Mechaincal Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

Abstract

With the rapid development of engineering education system， the traditional experimental teaching mode cannot meet the needs of training objectives. It is imperative to promote the reform of engineering experimental teaching in order to improve the experimental teaching quality. "Furnace Temperature Instrument and Thermal Control" is a compulsory course for related majors in the field of material science， with the characteristics of laying equal emphasis on theory and practice. In view of the problems existing in the traditional experimental teaching mode， this paper explores a set of experimental methods for cultivating and assessing students′ comprehensive ability in an all-round way through the teaching reform of comprehensive design experiment. The results show that reasonable teaching content， high quality teaching conditions and perfect assessment mechanism are effective ways to improve the quality of experimental teaching.

Keywords

furnace temperature instrument; thermal control; comprehensive design experiments; teaching reform