仿真教學課程設計行動導向

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一、課程設計的改革思路

本課程遵循教育部“工學結合”的課程改革理念,積極探索,大膽創新,改革高職層次原理類課程的舊有理論教學模式,摒棄“自動控制原理”課程中繁瑣的理論計算和公式推導,以必須、夠用為原則,以火電廠大機組運行過程中的實際控制任務為導向,以學院自主研制開發的300MW、600MW火電廠集控運行仿真系統為載體,引入先進的仿真控制技術,采用先進的仿真教學手段,將自動控制原理的理論知識融入各種控制任務中,學習火電廠熱工自動控制問題,使學生理論知識與實踐技能兼備。

1.“基于生產過程分析”的課程設計

根據企業調研及組織專家座談,結合“集控值班員”工種的職業標準,把火電廠生產過程中所運用熱工控制的知識點和能力點進行分類羅列和分析,選取火電廠生產過程中對設備和生產流程進行順序控制和自動保護的開關量控制、運行參數的模擬量調節等典型控制任務,將完成這些控制任務所需的“自動控制原理”中的控制系統數學模型、控制系統時域分析等方法融入各個控制任務中。按照火電廠集控運行整機冷態啟動的生產過程,即從輔助系統啟動、鍋爐點火、升溫升壓、汽輪機沖轉升速到并網帶負荷以致單元機組滿負荷運行全過程,對課程內容進行重組,設計了7個學習情境。將鍋爐、汽輪機、泵與風機等幾大專業課程相關知識互相融合,理論與實踐有機結合起來,使學生在學習的過程中能站在全局控制的高度進行仿真運行操作。7個學習情境的開展和深入,既符合從開關量的開環控制方式到模擬量的閉環控制方式;從火電廠輔助系統到鍋爐、汽機本體設備到單元機組整體控制;從簡單到復雜,從單一到綜合,由易到難,由淺入深的認知規律,同時符合運行人員從輔崗到主崗的崗位認知順序。

2.“以工作過程為導向、任務驅動”的教學模式

以上學習情境中,采用“以工作過程為導向、任務驅動”的教學模式,以能力培養為本位,強調以學生為教學做的中心。按“由簡單到復雜,由單一到綜合”的認知規律,把課程內容進一步分解成接近于生產實際的18個教學單元,即控制任務單元,實踐教學與理論教學實現一體化。在每個控制任務的教學設計中,以大量現場設備及系統的系統圖、視頻、FLASH動畫、設備模型、運行規程作資訊內容,引導學生認識現場的控制設備和控制對象,結合運行要求分析并明確熱工自動控制應實現的控制任務。與學生一起進行分析和討論后,引入相應的控制技術,補充所需的自動控制原理的理論知識,確定控制方案。由學生利用仿真軟件仿真實現控制功能。最后在所學的控制內容的指導下,結合運行操作規程完成仿真機上的運行操作和控制。整個教學過程中,課堂和實訓地點一體化。校內自動控制原理實訓室和仿真實訓室具備多媒體教學條件,并且設備臺套數充足,均配備所需的仿真軟件。教師在實訓室采取基于行動導向的教學方法,及時指導學生的“工作”,在仿真軟件上進行訓練,在仿真機上完成考核,使教、學、做、訓、考有機地成為一個整體,教學過程銜接良好,實施流暢。教學考核采取過程考核的辦法,除依據學生所實現的控制功能仿真效果以及仿真機運行操作的完成情況來評價學生學習之外,更注重考核學生在真實任務的實施中表現出的態度嚴謹、工作踏實、團結協作、做事積極認真的精神風貌和工作作風,以培養學生在計劃、做事、交流、表達、溝通、協作等方面的能力和素質,促進關鍵能力的培養。學生每完成一項工作任務,自豪感和自信心都得到進一步提升,激發學生學習的主動性。通過不斷積累知識,提高技能,培養學生的綜合職業能力,形成良好的職業素養,使學生畢業后能更快地適應社會和企業的實際工作。

二、多重仿真、虛擬技術做教學支撐

本課程大量使用實用、先進的仿真教學手段,各種類型的控制任務均有相應的仿真技術做支撐。學生能很快熟悉機組運行過程及其對自動控制的要求,使生產過程自動控制與運行人員集控操作有機結合起來。多元化的仿真教學,有效地激發了學生的學習興趣,教學效果明顯得到增強。

1.數字仿真技術的應用,化抽象為具體

火電廠順序控制和自動保護采用的是開關量邏輯控制系統,大量復雜、抽象的邏輯關系難以理解,分析較困難,因而設備動作之間的關系和順序僅憑簡單記憶,難以把握。針對此問題,我們創新引入ElectronicsWorkbench(EWB,現multiSIM)專用于電子線路仿真的軟件工具,如圖2。該軟件仿真功能強大、直觀的圖形化界面與電廠分散控制系統中的邏輯功能圖非常接近,仿真儀器、元器件的選擇、仿真的手段等均與實際控制相符,因而模擬開關量的邏輯控制有效而實用,使得復雜、抽象、難以理解的邏輯關系能通過過程仿真具體地反映出來,設備動作順序及條件直觀可見,有效地解決了順控和保護中邏輯實現的問題。并且該軟件簡單易學、學生軟件操作上手快、不增加學習負擔,在增強學生分析控制邏輯及邏輯設計能力的基礎上,從實現機組穩定、安全及經濟運行的角度進一步理解設備操作的條件和順序,使學生能站在全局控制的高度完成對運行設備進行啟、停和開、關的準確操作,而不是簡單背誦操作規程的機械操作,有效指導學生在機組運行中碰到的大量設備順控操作的問題,教學效果非常好。針對模擬量參數閉環控制,我們采用MATLAB仿真軟件,利用該軟件在數值計算、數據分析、控制系統設計和仿真方面的強大功能,完成自動控制原理中控制對象數學模型分析以及控制系統的時域分析,實現對參數調節的各種控制方案。

2.大型火電機組仿真系統,與企業零距離接軌

針對集控運行專業對電廠進行集控運行操作的要求,我們以學院自主研制開發的300MW、600MW火電廠集控運行仿真系統為載體,作為集控專業講練一體化教學和運行操作綜合訓練的多功能教培實訓基地。學生在仿真機上可真實模擬集控運行值班員的全過程操作。仿真系統中一臺仿真機可對應現場一臺操作員站,可以根據教學需要選取所需運行工況,結合教學內容完成特定仿真操作,參加仿真運行考核。并能采用角色扮演的教學方法體驗運行崗位職責和管理模式,與企業實現零距離接軌。

三、采用基于“行動導向”的教學

為突破傳統的職業教育方法,注重理論知識的傳授和操作技能的訓練,對實踐能力、解決問題的能力、合作能力以及創新能力等方面的培養不足,我們采用基于“行動導向”的教學。大量使用案例教學法、模擬仿真教學法、頭腦風暴法、角色扮演法等,以學生為學習過程的中心,教師是學習過程的組織者和咨詢者,在教學中與學生互動,讓學生在做中學、在學中做。學生在自己動手的實踐中,學到專業知識,掌握職業技能,獲得職業能力,構建自己的經驗和知識體系。

1.案例教學法

在具有典型意義的控制任務上,采用案例教學方法。如在輔助系統并列運行設備的順序控制中,我們選取典型凝結水泵的控制做案例分析,引入開關量控制技術,并結合運行中如何防止水泵出現汽蝕來進行正確的順序控制。以此為案例學習可指導其它水泵的控制和操作,具有一定的普遍性。

2.仿真教學法

仿真教學法使抽象的控制理論和控制邏輯變得直觀、易懂、可操作,為教師展示新知識時提供多樣化的呈現方法,使原理學習、邏輯分析不再枯燥無味、艱澀難懂,增強教學的有效性。選擇使用的仿真軟件功能強大,使用簡單,學生易掌握,在加深知識理解的基礎上,對提高學生的控制功能的設計能力提供了有效的訓練手段。

3.角色扮演法

在各控制任務的仿真機運行操作中,采用角色扮演,由同學們分別擔任機組運行的值長、機長、主控、副控、司爐、司機等角色,分工合作,明確工作職責和任務,熟悉電廠運行崗位的要求,加強學生職業素質的培養。

四、總結

通過集控專業06211班的教學中,實施“自動控制原理及系統”課程工學結合的課程改革,“基于生產過程分析”的教學模式很好的契合了現場生產過程的運行實際,教學目標結合職業技能的培養要求,課程內容重新得到整合選取,相關專業知識技能得到融合,理論知識與實踐能力有機結合,突出了高職教育的職業性、實踐性和開放性教學特點。采用實用、先進的仿真技術,更新教學手段,極大地激發了學生的學習積極性和主動性,增強了教學效果。集控專業學生能快速熟悉機組運行過程中自動控制的要求,將生產過程自動控制與運行人員集控操作有機結合起來,在學習的過程中才能站在全局高度、整體的控制角度去進行仿真運行操作,該班學生在2009年學院第一屆技能運動會華科能源杯火電機組仿真運行技能大賽上獲得了優異成績。同時,為完善該課程的教學改革,專業教師還需拓寬專業知識,增強仿真機教學能力,加強行動導向教學的實踐能力,將行動導向教學中各種教學活動扎實而細致地組織到位。