温度控制课程中项目对象的设计及项目化教学的实施

　　摘要：项目教学法已得到众多职业院校老师的认可，但如果教学时选择的项目是不切实际的，那项目化教学就难以完成原定的教学目标，一个可操作的项目对象是项目化教学能否有效开展的前提和保证。本文详细介绍了温度控制课程中项目对象实训装置的设计方案及项目化教学实施的情况。
　　关键词：项目教学 温度控制 实训装置 教学有效性
　　化工仪表及自动化专业核心内容是四大参数——压力、液位、流量及温度的检测与自动控制，以往在自动控制专业的教学方案设计和实施过程中，通常是以过程检测技术、过程控制装置和过程控制技术三门课程的经典设计来构成专业课程教学平台，课程内容主要以传统的学科体系安排。
　　为了体现中等职业教育的特征，2016年全国化工中职仪电专委会对这些课程的内容按四大参数重新进行整合，形成了温度控制、流量控制、液位控制和压力控制四门核心课程。
　　1、温度控制课程的重要性
　　整合后的温度控制课程主要介绍温度的概念、温度的测量原理、测温元件的安装和显示；温度控制系统的组成、基本控制原理、系统控制方案的确定、绘制和识读带控制点的工艺流程图；简单温度控制系统和复杂温度控制系统的组成、仪表选用和投运、参数整定等。
　　温度的检测与控制在化工生产过程中占有极其重要的地位，在许多化工生产过程中温度控制是否精准和稳定将直接影响产品质量能否合格，但要做到温度的精准、稳定控制又是比较困难的。所以对化工仪表及自动化专业的学生来说，学好这门课就显得尤为重要。
　　但近年来中等职业学校生源质量逐步下降，任课老师普遍感到采用传统的教学方法难以有效开展课堂教学。为此，必须针对当前中职学生的特点进行教学方法改革，以提高课程教学的有效性。
　　二、项目教学法可以提高课程教学的有效性
　　基于上述分析，要提高温度控制等课程课堂教学有效性，必须进行大刀阔斧的改革。为此，我们召集仪表自动化专业的老师进行了讨论，最后确定选择项目教学法作为改革突破口。
　　项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。
　　传统教学方法注重教师的讲授，学生只是听课，因此信息的传递是单向的；项目教学法不仅重视知识的传授，而且更重视知识的应用。
　　项目教学法把学生作为教学的中心，强调学生在教学中发挥主观能动作用，注意调动学生的学习自觉性和主动性，教师和学生之间的活动是互动式的。
　　项目教学法的关键是设计和制定一个项目的工作任务，一个由学员组成的小组有一项确定的工作，他们可以自己计划并且完成工作。这样的教学法肯定会受到学生们的认可，只要任课老师能遵循項目教学法的教学流程组织教学，想必会收到较好的教学效果。
　　三、温度控制课程项目化教学实施过程中存在的问题
　　开展项目化教学需要一定条件的支撑。一方面是老师要具备这方面的素质，另一方面要有合适的教材。在老师方面，仪表自动化专业的老师经过前期的培训，大部分都取得了高级工或技师职业资格证书，同时也参与过项目教学法的理论学习，基本能胜任这一工作；在教材方面，我们选用了化工出版社出版的《温度控制系统》一书。
　　该教材是一本项目化教材，围绕圆筒炉的温度控制任务展开，分为几个子任务。把这几个子任务完成了，也就实现了温度控制这门课程的教学目标。
　　但在实施过程中发现其最大的问题是项目难以落实。书中的项目是围绕圆筒炉的温度控制任务展开，项目对象是圆筒炉。工艺过程大致是：燃料在炉膛里燃烧后产生1000～1500℃的高温烟气，在辐射室内主要以辐射传热的方式将一部分热量传送给管内流体。烟道气沿着辐射室上升到对流室，温度约降到600～800℃。在对流室内烟气主要以对流方式将热量传给了管内流体。其控制任务是要求设计的自动控制系统能快速、准确地克服干扰对加热炉物料出口温度的影响，以保持管内流体出口温度稳定在指定（设定）值上。
　　编者总体思路顺应当前职业教育教学改革，打破了传统的学科体系，通过项目引领把相关的知识和技能由一个个子项目或小任务加以消化、理解、掌握及提高。看似是一个很好的项目化教材，通过一个项目实现温度控制系统这门课程的基本教学要求，设想是很好的。但学校的同事在使用此教材进行教学的过程中，发现它只能停留在理论层面——可以按项目来组织理论教学，却无法真正实施。原因之一是学校不可能有这样的一个圆筒炉，原因之二是这样高的温度对学生实训来说既危险又不现实，这样的项目化教学只能是伪项目化教学。显然，要在温度控制等课程中开展项目化教学，前提是要有一个合理的项目对象，即可以让学生进行实训的装置。
　　四、项目对象实训装置的设计
　　1.项目对象实训装置设计基本思想
　　一个可操作的项目对象是项目化教学能否有效开展的前提和保证。结合温度控制这门课程，该项目对象实训装置应能实现如下基本要求：温度的不同测量方法、测温元件的安装；温度的测量和显示；简单温度控制系统和串级温度控制系统的创建、系统的安装、调试、投运、调节器调节规律和参数整定；系统故障的分析和排除；安全联锁控制等。
　　2.项目对象装置设计方案
　　根据上面的设计思想，本着安全、可行、节能和环保的意识，结合工厂锅炉热能的回收，构思了一个烘干加热循环温度实训装置。
　　为了保证锅炉热效率，提高经济性，通常是把锅炉上方的热空气通过一个喇叭形状的集气罩，经过管道接入送风机的入口，与直接进入的冷空气混合。通过这种方法来达到节能的目的。
　　本项目对象装置就是以工业锅炉燃烧的送风系统为模型而设计的，它主要包括设备部分、测量部分、仪表控制柜和联锁系统等四大部分。
　　（1）设备部分。主要由风机、加热器、电动执行器、蝶阀、送风管道、烘干塔、电磁阀、手动旁路阀等组成。
　　工艺流程是经风机后的进口空气通过蝶阀送到加热器，加热后的热风经过送风管道送到烘干器内，用于加热干燥剂（再生变色硅胶）并消耗一部分热量，另一部分热量由循环风管道送回风机入口二次利用，再循环达到节能的目的。
　　此外还增加两个附设装置，一是恒温加热水槽，其上可装热电阻、热电偶，用作热电阻、热电偶比对校验；二是安装管段，其上可实现测温热电阻、热电偶、双金属温度计等常用温度测量仪表的不同安装方式的实训。
　　（2）测量部分。主要有空气进口温度、加热器表面温度、加热器出口温度、送风管道夹套温度、循环风管温度、烘干塔顶部温度、烘干塔中心温度、烘干塔内部温度的温度测量仪表等组成，如图所示（图中附设装置省略了测量仪表标记）。
　　（3）控制系统部分。控制系统部分主要包括：多种智能数字显示仪表（用于各个测量点温度显示）、多个智能数字显示控制仪表（可做主调节器和副调节器）、报警器声音试验按钮和消除按钮、闪光报警器等。
　　有了这些仪表设备，可以实现多种温度控制方案，如烘干器中心温度控制子系统；烘干器中心温度与进口温度串级控制子系统等，便于学生自主发挥。
　　（4）安全仪表系统。安全仪表系统（简称SIS），又称为安全联锁系统。对应工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作、联锁控制，是工厂企业自动控制中的重要组成部分。
　　本装置中的联锁主要包括两个部分；一是送电顺序联锁。在操作顺序错误的情况下，送电不通（加热系统正常送电顺序：送风机通电使风机运行，然后才能接通电加热器电源），以保护设备的安全。二是加热器本体温度报警联锁功能。即在送风机因故障不能运行时加热器本体温度升高到设定值时将自动切断加热器电源，以保护人身和设备安全。
　　利用这一部分可实施安全联锁方面的实训操作，以提高学生对安全操作方面的认识。
　　本实训装置方案在全国化工仪表教学研讨会上进行了介绍，得到了与会代表的积极评价，对存在的一些不足他们也提出了宝贵的意见。参会的企业行家对该实训装置的方案也给予了肯定，一年之后他们就把项目装置设计方案的模型变成了现实。
　　之后企业还以我们这些有参与实训装置设计和讨论的人员为发明人，于2016年2月向中华人民共和国国家知识产权局申请了＂温度控制系统安装实训装置＂的实用新型专利，同年7月正式获得了此项专利证书。
　　五、利用此套实训装置实施项目化教学的过程
　　2014年全国化工中等职业学校、化工技师学校以及化工高职院校相继向厂家订购此套实训装置，笔者学校也以优惠的价格采购了一批，并于2015年投入使用，同时笔者亲自尝试以此实训装置为项目对象实施项目化教学。
　　依据温度控制系统课程的教学大纲要求，结合本项目对象实训装置，对教学内容进行了重新整合，把本课程内容由浅入深分解成以下相对独立又前后关联的任务。任务一，温度的测量和显示；任务二：烘干加热循环温度的简单控制；任务三：烘干加热循环温度的串级系统。
　　每个任务又由若干小任务组成，每个小任务一般用时4个课时。任务分小组进行，每个小组成员为4～5人，设一名小组长，分配一套设备。
　　下面以任务一中的子任务2——＂热电偶测量烘干器顶部温度＂作为示例简介每个子任务的实施过程。
　　老师提出任务后先对任务进行操作演示（明确任务、激发兴趣）；学生们观看、阅读老师提供的相关素材并进行小组讨论，老师巡堂以了解学生们讨论的情况，并回答他们提出的问题；老师简单介绍热电偶的测温原理，再对本任务中要用到的数字显示仪表的功能、接线端、安装注意事项和操作使用进行讲解、演示；小组成员确定实现任务的方案，与此同时老师对存在的问题给予点拨（在此过程，组员要互相表述基本思路，以提高学生的表达能力）；方案审核通过的小组就可以动手实施，需要通电的在通电之前务必先由老师（实验员）进行检查；小组观察、自查任务实施效果，再由老师进行检查，也可由其他小组互查；最后老师考核点评。点评时往往对任务完成好的和相对差的各选一组进行，同时对实训过程中存在的问题、基本的概念和知识点加以归纳。
　　在项目和任务的实施过程中，过程性评价贯穿整个教学过程，也推动了教学评价的改革。
　　每个小任务完成后一般另外安排2个课时进行知识点的概括、总结以及知识和技能的延伸，此过程也是以探究的方式进行。还是以上述任务为例，概括、总结环节可以让学生探究不同环境下的热电偶的选用、不同安装方式对测温的影响、为何要使用补偿导线、为什么要进行热电偶的冷端温度补偿等问题，同时还可以通过实例和实验进行验证，以加深学生们的理解。
　　六、教学效果与体会
　　通过一个学期几个任务的实现，所教班级的学生在对温度控制课程基本知识和基本技能目标要求进行考核时，达到优等的学生比例约为20%，良好的学生比例约为40%，合格的学生比例约为35%，不合格学生比例不到6%。同时在安全、规范、节能、环保、协作以及责任、细心、表达能力等职业素养方面，学生们也都得到了锻炼，综合能力得到了提升。
　　實践证明利用所设计的新型温度控制实训装置作为项目教学的项目对象，在实际教学中收到了明显的成效，提高了课堂教学的有效性，主要体现在以下几个方面。
　　第一，可以把项目教学落到实处，体现了职业教育＂学中做、做中学＂的现代理念，做到了认识一实践一再认识的这一螺旋上升的过程，教学效果明显提升。
　　第二，项目对象实训装置可以实现控制方案的多种选择，这有利于学生们的自由发挥，可以培养他们的独立性和创新意识。
　　第三，可以培养学生关于工程的概念和思想。方案设计、绘制带控制点的工艺流程图、按信号呼应法进行接线、系统投运（手动-自动无拢动）、调节器调节规律的选择和参数整定、完成实训报告书等。
　　按照此过程实施的教学基本上遵循了基于建构主义的项目教学法，能使学生的创新能力和实践能力得到极大的提升。当然整个流程还有待进一步完善。
　　在实训装置方面今后还需进一步的改造。如加热器部分可增加一个晶闸管控制，这样就可以实现更多控制方案的选择。