仿真教学课程设计行动导向

一、课程设计的改革思路

本课程遵循教育部“工学结合”的课程改革理念,积极探索,大胆创新,改革高职层次原理类课程的旧有理论教学模式,摒弃“自动控制原理”课程中繁琐的理论计算和公式推导,以必须、够用为原则,以火电厂大机组运行过程中的实际控制任务为导向,以学院自主研制开发的300MW、600MW火电厂集控运行仿真系统为载体,引入先进的仿真控制技术,采用先进的仿真教学手段,将自动控制原理的理论知识融入各种控制任务中,学习火电厂热工自动控制问题,使学生理论知识与实践技能兼备。

1.“基于生产过程分析”的课程设计

根据企业调研及组织专家座谈,结合“集控值班员”工种的职业标准,把火电厂生产过程中所运用热工控制的知识点和能力点进行分类罗列和分析,选取火电厂生产过程中对设备和生产流程进行顺序控制和自动保护的开关量控制、运行参数的模拟量调节等典型控制任务,将完成这些控制任务所需的“自动控制原理”中的控制系统数学模型、控制系统时域分析等方法融入各个控制任务中。按照火电厂集控运行整机冷态启动的生产过程,即从辅助系统启动、锅炉点火、升温升压、汽轮机冲转升速到并网带负荷以致单元机组满负荷运行全过程,对课程内容进行重组,设计了7个学习情境。将锅炉、汽轮机、泵与风机等几大专业课程相关知识互相融合,理论与实践有机结合起来,使学生在学习的过程中能站在全局控制的高度进行仿真运行操作。7个学习情境的开展和深入,既符合从开关量的开环控制方式到模拟量的闭环控制方式;从火电厂辅助系统到锅炉、汽机本体设备到单元机组整体控制;从简单到复杂,从单一到综合,由易到难,由浅入深的认知规律,同时符合运行人员从辅岗到主岗的岗位认知顺序。

2.“以工作过程为导向、任务驱动”的教学模式

以上学习情境中,采用“以工作过程为导向、任务驱动”的教学模式,以能力培养为本位,强调以学生为教学做的中心。按“由简单到复杂,由单一到综合”的认知规律,把课程内容进一步分解成接近于生产实际的18个教学单元,即控制任务单元,实践教学与理论教学实现一体化。在每个控制任务的教学设计中,以大量现场设备及系统的系统图、视频、FLASH动画、设备模型、运行规程作资讯内容,引导学生认识现场的控制设备和控制对象,结合运行要求分析并明确热工自动控制应实现的控制任务。与学生一起进行分析和讨论后,引入相应的控制技术,补充所需的自动控制原理的理论知识,确定控制方案。由学生利用仿真软件仿真实现控制功能。最后在所学的控制内容的指导下,结合运行操作规程完成仿真机上的运行操作和控制。整个教学过程中,课堂和实训地点一体化。校内自动控制原理实训室和仿真实训室具备多媒体教学条件,并且设备台套数充足,均配备所需的仿真软件。教师在实训室采取基于行动导向的教学方法,及时指导学生的“工作”,在仿真软件上进行训练,在仿真机上完成考核,使教、学、做、训、考有机地成为一个整体,教学过程衔接良好,实施流畅。教学考核采取过程考核的办法,除依据学生所实现的控制功能仿真效果以及仿真机运行操作的完成情况来评价学生学习之外,更注重考核学生在真实任务的实施中表现出的态度严谨、工作踏实、团结协作、做事积极认真的精神风貌和工作作风,以培养学生在计划、做事、交流、表达、沟通、协作等方面的能力和素质,促进关键能力的培养。学生每完成一项工作任务,自豪感和自信心都得到进一步提升,激发学生学习的主动性。通过不断积累知识,提高技能,培养学生的综合职业能力,形成良好的职业素养,使学生毕业后能更快地适应社会和企业的实际工作。

二、多重仿真、虚拟技术做教学支撑

本课程大量使用实用、先进的仿真教学手段,各种类型的控制任务均有相应的仿真技术做支撑。学生能很快熟悉机组运行过程及其对自动控制的要求,使生产过程自动控制与运行人员集控操作有机结合起来。多元化的仿真教学,有效地激发了学生的学习兴趣,教学效果明显得到增强。

1.数字仿真技术的应用,化抽象为具体

火电厂顺序控制和自动保护采用的是开关量逻辑控制系统,大量复杂、抽象的逻辑关系难以理解,分析较困难,因而设备动作之间的关系和顺序仅凭简单记忆,难以把握。针对此问题,我们创新引入ElectronicsWorkbench(EWB,现multiSIM)专用于电子线路仿真的软件工具,如图2。该软件仿真功能强大、直观的图形化界面与电厂分散控制系统中的逻辑功能图非常接近,仿真仪器、元器件的选择、仿真的手段等均与实际控制相符,因而模拟开关量的逻辑控制有效而实用,使得复杂、抽象、难以理解的逻辑关系能通过过程仿真具体地反映出来,设备动作顺序及条件直观可见,有效地解决了顺控和保护中逻辑实现的问题。并且该软件简单易学、学生软件操作上手快、不增加学习负担,在增强学生分析控制逻辑及逻辑设计能力的基础上,从实现机组稳定、安全及经济运行的角度进一步理解设备操作的条件和顺序,使学生能站在全局控制的高度完成对运行设备进行启、停和开、关的准确操作,而不是简单背诵操作规程的机械操作,有效指导学生在机组运行中碰到的大量设备顺控操作的问题,教学效果非常好。针对模拟量参数闭环控制,我们采用MATLAB仿真软件,利用该软件在数值计算、数据分析、控制系统设计和仿真方面的强大功能,完成自动控制原理中控制对象数学模型分析以及控制系统的时域分析,实现对参数调节的各种控制方案。

2.大型火电机组仿真系统,与企业零距离接轨

针对集控运行专业对电厂进行集控运行操作的要求,我们以学院自主研制开发的300MW、600MW火电厂集控运行仿真系统为载体,作为集控专业讲练一体化教学和运行操作综合训练的多功能教培实训基地。学生在仿真机上可真实模拟集控运行值班员的全过程操作。仿真系统中一台仿真机可对应现场一台操作员站,可以根据教学需要选取所需运行工况,结合教学内容完成特定仿真操作,参加仿真运行考核。并能采用角色扮演的教学方法体验运行岗位职责和管理模式,与企业实现零距离接轨。

三、采用基于“行动导向”的教学

为突破传统的职业教育方法,注重理论知识的传授和操作技能的训练,对实践能力、解决问题的能力、合作能力以及创新能力等方面的培养不足,我们采用基于“行动导向”的教学。大量使用案例教学法、模拟仿真教学法、头脑风暴法、角色扮演法等,以学生为学习过程的中心,教师是学习过程的组织者和咨询者,在教学中与学生互动,让学生在做中学、在学中做。学生在自己动手的实践中,学到专业知识,掌握职业技能,获得职业能力,构建自己的经验和知识体系。

1.案例教学法

在具有典型意义的控制任务上,采用案例教学方法。如在辅助系统并列运行设备的顺序控制中,我们选取典型凝结水泵的控制做案例分析,引入开关量控制技术,并结合运行中如何防止水泵出现汽蚀来进行正确的顺序控制。以此为案例学习可指导其它水泵的控制和操作,具有一定的普遍性。

2.仿真教学法

仿真教学法使抽象的控制理论和控制逻辑变得直观、易懂、可操作,为教师展示新知识时提供多样化的呈现方法,使原理学习、逻辑分析不再枯燥无味、艰涩难懂,增强教学的有效性。选择使用的仿真软件功能强大,使用简单,学生易掌握,在加深知识理解的基础上,对提高学生的控制功能的设计能力提供了有效的训练手段。

3.角色扮演法

在各控制任务的仿真机运行操作中,采用角色扮演,由同学们分别担任机组运行的值长、机长、主控、副控、司炉、司机等角色,分工合作,明确工作职责和任务,熟悉电厂运行岗位的要求,加强学生职业素质的培养。

四、总结

通过集控专业06211班的教学中,实施“自动控制原理及系统”课程工学结合的课程改革,“基于生产过程分析”的教学模式很好的契合了现场生产过程的运行实际,教学目标结合职业技能的培养要求,课程内容重新得到整合选取,相关专业知识技能得到融合,理论知识与实践能力有机结合,突出了高职教育的职业性、实践性和开放性教学特点。采用实用、先进的仿真技术,更新教学手段,极大地激发了学生的学习积极性和主动性,增强了教学效果。集控专业学生能快速熟悉机组运行过程中自动控制的要求,将生产过程自动控制与运行人员集控操作有机结合起来,在学习的过程中才能站在全局高度、整体的控制角度去进行仿真运行操作,该班学生在2009年学院第一届技能运动会华科能源杯火电机组仿真运行技能大赛上获得了优异成绩。同时,为完善该课程的教学改革,专业教师还需拓宽专业知识,增强仿真机教学能力,加强行动导向教学的实践能力,将行动导向教学中各种教学活动扎实而细致地组织到位。