基于串级控制理念的虚拟仿真型生产实习教学实践与研究

赵建立 李英杰 程菲

摘 要：传统教学方式中无论以教师为主体还是学生为主体的单回路教学方式对学生培养目标存在响应速度慢、迟延大的缺点。本文针对虚拟仿真型生产实习教学构建了基于串级控制理念的教学方式并进行实践研究。结果表明串级控制理念的教学方式既能发挥授课教师教学响应速度快的优点，也有助于发挥教学指导委员会的指导作用，有利于学生培养目标的达成。

关键词：串级控制；教学实践；虚拟仿真；生产实习

生产实习作为高校实践教学的重要组成部分［12］，随着工程认证和教学评估的进行，越来越受到学校和社会的重视。为满足增强学生动手能力的要求，避免现场实习中因企业安全生产要求无法参与实际操作而出现的走马观花现象，教育部积极倡导各高校采用虚拟仿真技术进行生产实习［35］。在虚拟仿真技术应用于生产实习教学过程中，多数高校教师在虚拟仿真生产实习过程中无论是教师为主体还是学生为主体，都体现了单回路教学方式为主的特征。然而学生学习过程具有响应速度慢、迟延较大的大惯性对象特性，仅采用单回路教学方式无法更好地促进生产实习教学质量的提升。为此本文针对虚拟仿真型生产实习教学基于串级控制理念进行研究，以提升生产实习教学质量。

1 串级控制理念教学方式分析

基于串级控制教学理念的虚拟仿真型生产实习示意图如图1所示。

在串级控制理念教学方式下实习教学分为主、副两个回路进行。副回路以授课教师为副调节器，以学生学习过程为副对象，主要引导学生学习，评价学生学习过程中的表现，达到课程教学目标。主回路以学院教学指导委员会为主调节器，学生实习结课成绩和毕业5年内工作单位评价为主对象，主要评价实习效果是否达到学生毕业培养目标的要求。副回路动作速度快，起粗调作用；主回路动作速度慢，起细调作用。主参数“培养达成度”是系统控制的核心，主参数是否等于给定值是评价系统最终是否稳定、达标的标志，该参数由主调节器控制；副参数“课程教学达成度”是在大惯性对象中找到的反应速度快的参数，控制好该参数可初步实现主参数的精确控制，该参数由副调节器控制。

2 教学副回路分析

2.1 教学副回路给定值的确定

教学副回路的给定值实际上是课程教学目标。课程教学目标应由课程教学团队在基层教学指导委员会指导下依据学生毕业培养目标而确定。以本文虚拟仿真型生产实习为例，火力发电虚拟仿真实习教学团队在山东大学能源与动力工程学院（以下简称“我院”）教学指导委员会指导下确定了如下课程教学目标：（1）通过虚拟仿真生产实习教学使学生掌握火力发电厂生产过程中所涉及的基于朗肯循环、再热循环、回热循环的热力系统在企业现场所涉及的主要系统及设备；（2）掌握锅炉、汽轮机及发电机等发电厂主体设备所涉及的辅助系统与设备，构建发电厂全局观；（3）通过生产实习中主、副值班员岗位锻炼，增强团队合作意识；通过燃烧过程运行调整理解电厂作为电网的局部单元在电网全局中的角色与作用，并能评价火力发电对能源安全和人类环境的积极意义和不利影响；（4）通过对电厂生产全局的了解，熟悉电力生产全周期过程，掌握火力发电全流程成本构成，理解火力发电与新能源发电、储能电站在经济性之间的耦合影响关系。

2.2 授课教师承担功能分析

授课教师在实习过程中承担控制系统副调节器的作用，是串级教学控制系统的重要组成部分。在串级控制教学理念下副调节器的功能要求是动作速度快，能实现副回路偏差消除为最佳。授课教师应使副回路的输出即学生的表现达到给定值要求。基于课程教学目标，授课教师应依据被控对象特性即学生学习情况制定相应的教学方法。在实习开展之前授课教师应掌握学生已开设的专业课程有哪些，明确这些课程与生产实习之间的关系，并建立与专业课教师之间的联络机制，了解专业课授课过程中的侧重点，掌握学生对火力发电厂设备与生产过程的认识程度。目前能源动力类综合性大学普遍采用宽口径、重基础的学生培养模式，在此模式下，专业课数量和学时都减少。火力发电虚拟仿真教学团队讨论后认为应采用先进的教学方法，如翻转课堂、微课等方式在实习初期针对学生认识和理解火电厂全局系统和设备进行教学。实习微课涉及的系统主要有：循环水系统、开式水系统、闭式水系统、发电机冷却系统、润滑油系统、EH油系统、电厂旁路系统、主蒸汽系统、抽汽系统、回热加热系统、凝结水系统、凝结水精处理、汽封系统、轴封系统、疏放水系统及风烟系统等。同时结合目前火电机组的灵活性改造问题，采用启发式教学法，由学生自主思考并采用报告的形式回答火电机组进行灵活性改造的原因，火电机组加强灵活性改造对火力发电生产效率、能源生产全局影响之间的关系，使学生深入理解能源生产全局与电力生产之间的关系。

火力发电虚拟仿真型生产实习的优点是可以再现电力生产过程，通过生产过程的设备操作，使学生加深对电厂全局的认识与理解。为加强学生对现场实际的认识，促进学生沟通与交流，增强遇到实际问题的表述能力，实习授课教师设置主、副值班员岗位，学生按照自由组合原则，组成主、副值班员团队，一人主操作，一人辅助，并在不同的系统运行操作中进行角色互换。

为加强学生对电力生产全流程成本的理解，在实习报告环节中设置相关问题，要求学生从电力产品全周期角度理解电力生产全局，结合新能源和储能理解火力发电在能源生产过程中的优缺点，提升学生对专业的整体认知，养成生产过程全局观。

2.3 被控对象特性分析

无论采用以教师为主的授课方式还是以学生为主的教学方式，了解并掌握副回路系统中被控对象特性即学生学习特性是授課教师要做的主要工作。学生的学习特性包括前期专业课程的掌握情况，该情况可由仿真实习授课教师与专业课教师交流获得，通过分析学生在专业课中的成绩可掌握学生对火电厂主体设备和系统的理解程度，为制定适应该级学生实际学习水平的生产实习教学方法奠定基础。

在指导虚拟仿真实习过程中授课教师需根据学生表现情况，适时调整教学方法。如学生协作、沟通能力较差，则应加强互动型操作项目，如在直流锅炉升负荷过程中如何加强燃料、风、水的协同配合，这种操作项目仅依靠没有任何运行经验的单个学生不可能实现，只能由操作团队的交流、协同配合才能顺利进行，由此可极大促进学生的交流及表达能力。

2.4 学生实习效果评价

在教学副回路中，学生实习效果评价是该回路的反馈环节，也是检验学生实习效果的环节，该环节的特征是反应速度相对较快，教师可以根据学生表现及时得到教学效果的反馈信息。我院原有虚拟仿真型生产实习的考核方式是结课考核方式，主要包括：仿真机操盘考试、实习笔记和实习报告，分别占最终成绩的60%、20%和20%。上述考核方式虽然能较为全面地反映学生的实习效果和表现。但由于考查的时间是在实习末期和结束以后，因此无法体现教学副回路的快速性特征。为更快地掌握学生实习效果，教学团队增加了实习课堂讨论和雨课堂测试两部分平时考察环节。课堂讨论以仿真操作中面临的实际问题为主进行，如循环水投运时为何先打开凝汽器水侧放气门而在循环水泵打开后需要关闭该放气门。辅汽联箱的作用是什么，目前我校仿真机组在初始投运时辅汽联箱的汽源是哪个？为何锅炉上水过程对除氧器内水的温升速率有限制等一系列实际问题进行。通过课堂讨论，观察并记录同学们的表现，有效跟踪学生仿真实习的参与热情与学习态度。采用雨课堂测试方式，在仿真操作到不同阶段时对相应系统进行考察，评价学生对前期发布的实习微课的掌握程度。通过上述两种过程性考核可以及时评价学生的实习效果，基于过程性评价的考核结果可以适时调整仿真授课方式与策略，提升虚拟仿真型生产实习的教学质量。

要注意的是过程性考核评价要有定量的标准，不宜通过定性的方式来进行，否则无法可靠、客观地给出过程性考核成绩。我院学生在虚拟仿真型生产实习学生实习成绩评价目前包括5项：课堂讨论、雨课堂测试、操盘考试、实习笔记和实习报告，占比分别为15%、15%、40%、15%和15%。

3 教学主回路分析

由于教学主回路评价周期长，除常规学期末学生成绩评价之外也包括毕业5年内学生是否达到培养目标的要求。因此在教學主回路分析中可将教学副回路视为一个简单环节。教学主回路简化分析如图2所示。

3.1 教学主回路给定值分析

教学主回路的给定值应是学生培养目标，也即学生毕业5年内应该能达到的能力。该目标作为教学主回路的给定值应由学院教学指导委员会邀请企业专家参与制定。经企业专家参与讨论并制定的我院生产实习课程学生培养目标如下：（1）能够站在环境保护和可持续发展的角度思考能源与动力工程实践的可持续性，评价能源与动力工程实践可能对人类和环境等方面产生的积极意义和不利影响；（2）能与其他学科的成员有效沟通，合作共事，胜任团队成员的角色与责任；（3）针对能源与动力工程领域的复杂工程问题，能够通过撰写书面报告、设计汇报文稿、口头交流等多种方式，准确表达个人观点，回应质疑，与业界同行及社会公众进行有效沟通与交流，理解与业界同行和社会公众交流的差异性；（4）掌握能源与动力工程项目中涉及的管理与经济决策方法，了解工程及产品全周期、全流程的成本构成，理解其中涉及的工程管理与经济决策问题。上述培养目标作为虚拟仿真型生产实习课程串级控制教学理念主回路的给定值，由学院教学指导委员会进行评价学生是否达到了培养目标的要求。

3.2 教学指导委员会承担功能分析

主回路中教学指导委员会承担主调节器功能，当课程培养目标的给定值和最终输出的测量值不匹配时，教学指导委员会应对教学副回路即教学团队提出指导性意见，以改善教学效果，达到培养目标的需求。学院层面的教学指导委员会不应仅仅承担职称评级考核过程中的教学结果评价，还应该把教学督导职能纳入其中，主动结合学生成绩的达成度情况分析对教师授课效果进行评价。在培养目标有偏差或课程教学目标有偏差时，应指导课程教学团队积极应对目标偏差，找出偏差的原因，为教学质量的提升提供有益指导。如何优化基层教学指导委员会的职能与工作机制应该是学校教务主管部门积极探索的方向。

3.3 教学主回路被控对象特性分析

串级教学主回路的被控对象虽然也是学生的学习情况，但是时间跨度较大，既包括课程学习结束后学生的课程达成度情况，也包括毕业5年内学生的表现情况。只有包含了这两个方面才能真正考核学生毕业培养目标是否达成。课程结束后的学生课程达成情况分析由授课教师上报到学院教学指导委员会，毕业5年内的学生表现情况由院团委辅导室的教师联系相关学生就业单位，发放学生工作情况统计表进行统计工作。我院2023年度的统计结果表明，虚拟仿真型生产实习的4个培养目标达成度情况良好，获得在校和已毕业同学及学生就业单位的认可。

3.4 学生培养目标评价

学生培养目标评价是教学主回路的反馈环节，包括教学督导考核评价和就业单位评价两部分。教学督导考核由教学指导委员会任命的院级教学督导来进行，既考察分析授课教师提交的课程达成度情况分析表，也要考察过程性考核是否客观、合理。就业单位评价部分应在学院团委设置专门的对外联络办公室，由相应年级的辅导员教师兼任，积极做好与就业单位的沟通交流工作，为获得可靠的培养目标达成度数据奠定基础。我院的教学运行实践表明，做好上述两项工作，对学生培养目标的达成有明显积极作用。

结语

本文基于串级教学控制理念对虚拟仿真型生产实习教学进行了实践研究。研究表明为提高学生实习效果，应增强过程性考核在学生实习评价过程的占比。同时应突出教学指导委员会在教学中的指导作用，应结合课程目标达成情况对授课教师给予相应指导和建议，由此实现教学由教师主导的单回路控制转向更为科学合理的串级教学控制。

参考文献：

［1］张书增.以产出为导向理念的生产实习模式探索与实践——以交通设备与控制工程专业生产实习改革为例［J］.大学教育，2023（05）：146148.

［2］赵建立，程菲，李英杰.能源与动力工程专业虚拟仿真型生产实习教学模式研究［J］.教育教学论坛，2020（12）：4142.

［3］张海军，杨天华，李延吉，等.虚拟仿真在能源与环境系统工程生产实习中的应用［J］.高等工程教育研究，2023（S1）：156158+162.

［4］田密霞，姜爱丽，冮洁，等.虚拟仿真实验在食品工程专业“生产实习”课程中的应用［J］.农产品加工，2023（10）：114116+120.

［5］刘宁.虚拟仿真实践训练在化工生产实习中的探索［J］.教育现代化，2016，3（21）：121122+131.

［6］边立秀，周俊霞，赵劲松，等.热工控制系统［M］.中国电力出版社，2012.

基金项目：山东大学教改项目——工程教育创新背景下能源与动力工程专业虚拟仿真型生产实习教学模式改革研究（2022Y160）；能源与动力工程学院教改项目：1000MW火电机组仿真培训指导教材

作者简介：赵建立（1977— ），男，汉族，山东聊城人，博士，讲师，研究方向：碳捕集与储能。