導(dǎo)語：專業(yè)學(xué)位研究生化工裝備與控制研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]案例教學(xué)是提升工程類專業(yè)學(xué)位研究生工程實踐和創(chuàng)新能力的重要方法。通過對課程案例庫建設(shè)背景和意義的分析，構(gòu)建了包含10個典型案例的化工自動化案例庫，并將其應(yīng)用于專業(yè)學(xué)位研究生課堂教學(xué)實踐，提出了案例庫需要改進(jìn)的建議，為專業(yè)學(xué)位研究生工程案例教學(xué)提供實踐經(jīng)驗。

[關(guān)鍵詞]專業(yè)學(xué)位；研究生教育；化工裝備與控制；案例教學(xué)；案例庫

案例教學(xué)法是以案例為核心的教學(xué)方法。國內(nèi)早在春秋戰(zhàn)國時期就有大量的民間故事可以看做是最早的案例，比如“紙上談兵”、“朝秦暮楚”、“臥薪嘗膽”等眾多廣為流傳的典故。國外使用案例教學(xué)大致可以追溯到古希臘羅馬時期，代表人物如蘇格拉底、柏拉圖等。現(xiàn)代意義的案例教學(xué)法特指20世紀(jì)初由美國哈佛大學(xué)商學(xué)院倡導(dǎo)的一種廣受學(xué)生好評的教學(xué)方法，沿用至今[1]。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，案例教學(xué)法具有探究性的特點，還具有如下作用：(1)可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力；(2)可以提高學(xué)生分析和解決問題的能力；(3)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性[2]。案例教學(xué)法通常在管理學(xué)、法學(xué)等人文管理類學(xué)科廣泛應(yīng)用，進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著我國教育事業(yè)的不斷發(fā)展，工程類案例教學(xué)法在高等院校工科類課程，如《化工原理》[3]和《化工過程控制》[4]，也獲得了較大的成功。專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)近年來得到國家的高度重視[5]，《教育部關(guān)于加強專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》(教研[2015]1號)指出：提高工程碩士工程實踐能力的一個重要途徑是在實踐教學(xué)中積極引入和重視案例教學(xué)，大力加強案例庫建設(shè)[6]。通過化工自動化案例庫的開發(fā)和建設(shè)，可以加深學(xué)生對重要知識和基礎(chǔ)概念的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。案例教學(xué)通過案例來深入展示各知識點之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析、歸納和整理資料的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手解決問題的能力。此外，以學(xué)生為中心開展案例教學(xué)對于提高教師的授課水平和授課內(nèi)容的深度具有積極的推動作用。南京林業(yè)大學(xué)全日制專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)方案涵蓋林業(yè)、機(jī)械、電子信息和材料與化工等15個專業(yè)類別，其中材料與化工專業(yè)包含材料工程、林業(yè)工程、木竹結(jié)構(gòu)材料與工程、生物質(zhì)材料與工程、化學(xué)工程、輕工技術(shù)與工程6個領(lǐng)域方向。化工裝備與控制是輕工技術(shù)與工程下屬的一個重要研究方向，滿足輕化工程行業(yè)發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求，主要研究化工裝備、自動控制、設(shè)備監(jiān)測、故障診斷。本文就化工裝備與控制方向?qū)I(yè)學(xué)位研究生課程案例庫的建設(shè)思路和經(jīng)驗做法介紹如下。

1化工自動化案例庫介紹

1.1化工自動化案例庫相關(guān)的研究生課程介紹

化工自動化案例庫涉及到的研究生課程主要有《化工過程計算機(jī)仿真》、《化工過程動態(tài)分析與控制》、《現(xiàn)代造紙機(jī)械監(jiān)診學(xué)》、《多元統(tǒng)計過程監(jiān)測》。這些課程(1)集成了化工原理、控制理論、計算機(jī)仿真等學(xué)科知識，是現(xiàn)代化工、輕工及環(huán)境等相關(guān)學(xué)科工藝控制、設(shè)計的基礎(chǔ)，具有應(yīng)用范圍廣、實踐性強等特點；(2)較全面地覆蓋到了化工過程的建模、仿真、控制、監(jiān)測以及故障診斷等主要知識模塊。建模模塊要求學(xué)生掌握典型化工過程動態(tài)數(shù)學(xué)模型的建模方法，一階過程、二階過程以及復(fù)雜過程的動態(tài)特性，Matlab/Simulink仿真等；控制模塊要求學(xué)生重點掌握PID控制器的參數(shù)對控制性能的影響及其整定方法，在此基礎(chǔ)之上，還要求學(xué)生掌握前饋控制、比值控制、串級控制、多回路和多變量控制等復(fù)雜、先進(jìn)的控制策略；監(jiān)測及故障診斷模塊要求學(xué)生掌握傳統(tǒng)單變量質(zhì)量控制圖方法(如休哈特控制圖、累積和控制圖)、多元統(tǒng)計過程監(jiān)測技術(shù)(比如主成分分析法、偏最小二乘法)等。

1.2化工自動化案例庫與雙語教學(xué)相互促進(jìn)

提升雙語教學(xué)效果是高等教育研究中的一個重要課題，本教學(xué)團(tuán)隊在已有的本科雙語課程教學(xué)經(jīng)驗[7,8]基礎(chǔ)之上，在研究生課程教學(xué)中積極引入國外優(yōu)秀教材，主動開展雙語授課。經(jīng)過幾個學(xué)期的探索，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生英語水平和專業(yè)知識都得到了明顯的提升，雙語教學(xué)的經(jīng)歷對其今后從事的科研工作也起到了較大的促進(jìn)作用。化工自動化案例庫在開發(fā)的過程中借鑒了大量國外優(yōu)秀教材中的經(jīng)典例題。比如，《化工過程動態(tài)分析與控制》課程采用Seborg教授等編著的ProcessDynamicsandControl第二版[9]。化工自動化案例庫中關(guān)于PID控制器參數(shù)整定的部分案例即來自于書中的例題。在實際教學(xué)講解例題的時候，學(xué)生不但可以親自動手研究、觀察例題中的默認(rèn)參數(shù)對結(jié)果的影響，還可以隨意改動模型參數(shù)，觀察現(xiàn)象，總結(jié)規(guī)律。通過案例的學(xué)習(xí)，可以加深學(xué)生對于PID控制器參數(shù)整定知識的理解，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2化工自動化案例庫內(nèi)容及典型案例分析

2.1化工自動化案例庫內(nèi)容

通過化工自動化案例庫的開發(fā)及其在教學(xué)實踐中的使用和逐步完善，引導(dǎo)學(xué)生對化工典型過程的建模、優(yōu)化、控制及監(jiān)測等方面進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對實際問題的分析判斷和處理能力。案例的來源主要有國內(nèi)外經(jīng)典化工自動化教科書上的重要例題以及化工自動化領(lǐng)域參考文獻(xiàn)中的經(jīng)典論文。經(jīng)過一個學(xué)期的開發(fā)，教學(xué)團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出10個應(yīng)用案例(表1)。

2.2化工自動化典型案例分析

廢水處理過程多元統(tǒng)計分析現(xiàn)代廢水處理過程是一個集合多變量、強耦合、強非線性、強動態(tài)多種特性于一身的復(fù)雜系統(tǒng)。廢水處理工藝復(fù)雜、設(shè)備繁多、參數(shù)相互關(guān)聯(lián)度高，在實驗教學(xué)中難以全方位、多角度地展示參數(shù)設(shè)置對生產(chǎn)過程與產(chǎn)品質(zhì)量的影響。隨著活性污泥數(shù)學(xué)模型的成熟和計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，可以通過計算機(jī)仿真來模擬活性污泥污水處理過程，研究活性污泥法污水處理工藝、過程控制算法和控制策略。仿真模擬是污水處理系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的步驟，通過仿真模擬可以大大縮短工藝設(shè)計的周期和難度，也可以降低工藝設(shè)計的成本。此外，通過模擬仿真也可以為工藝的改造以及控制系統(tǒng)的設(shè)計提供有益的參考，模擬仿真還可以輔助維持污水處理的運行，預(yù)測可能發(fā)生的事故。受實驗條件及教學(xué)課時的限制，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)只能選取參觀、實習(xí)的學(xué)習(xí)方式，難以對整個工藝過程及主要設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，無法直觀形象地認(rèn)知各工段技術(shù)參數(shù)調(diào)整對產(chǎn)品性能指標(biāo)的影響。此外，由于部分設(shè)備操作危險性高，實際教學(xué)無法開設(shè)相關(guān)實驗內(nèi)容，學(xué)生參與度低，實踐動手能力弱，造成教學(xué)和生產(chǎn)實踐的脫節(jié)。開發(fā)針對廢水處理過程的虛擬仿真案例，將廢水處理過程中的大型設(shè)備、工藝流程、參數(shù)調(diào)節(jié)等融入到虛擬環(huán)境中，學(xué)生在虛擬環(huán)境下進(jìn)行實驗操作，可以有效避免實驗的危險性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新思維，實現(xiàn)從理論知識學(xué)習(xí)到實踐能力鍛煉的升華。本案例以Matlab和Simulink為仿真平臺，使用活性污泥基準(zhǔn)仿真1號模型(BSM1)對城市污水處理過程進(jìn)行模擬仿真。BSM1由歐盟科學(xué)技術(shù)與合作組織的研究人員與國際水質(zhì)協(xié)會“基于呼吸運動計量法來控制活性污泥過程”課題組共同提出。BSM1提供了設(shè)備布局、生物過程和沉淀過程的數(shù)學(xué)模型、過程參數(shù)、入水?dāng)?shù)據(jù)，為活性污泥法污水處理過程的仿真提供了完整的方法。BSM1由5個生化反應(yīng)池和1個二沉池構(gòu)成(圖1)。污水在經(jīng)過兩個串聯(lián)的反硝化反應(yīng)池處理后，進(jìn)入3個串聯(lián)的硝化反應(yīng)器繼續(xù)降解有機(jī)營養(yǎng)物。前兩個反應(yīng)池?zé)o通風(fēng)曝氣裝置，后3個反應(yīng)池通過調(diào)整通風(fēng)量來控制溶解氧濃度。BSM1的這種布局特點可以保證系統(tǒng)中的污水有足夠的污泥停留時間和水利停留時間。BSM1平均每天可處理2萬噸COD濃度為300g/m3的污水。過程故障診斷技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)過程中提升安全性的重要方法，具有重要的理論研究和實際應(yīng)用價值。故障數(shù)據(jù)對于驗證故障診斷算法的性能具有重要作用。流程工業(yè)過程中的故障數(shù)據(jù)通常較難獲得，而采用計算機(jī)仿真的方法可以輕易生成符合流程工業(yè)實際情況的多種類型的故障數(shù)據(jù)。本案例是在BSM1的基礎(chǔ)上，通過改變過程變量參數(shù)，產(chǎn)生7種故障數(shù)據(jù)：(1)天氣故障；(2)自養(yǎng)菌最大比增長速率變化故障；(3)異養(yǎng)菌最大比增長速率變化故障；(4)二沉池沉降速率變化故障；(5)硝酸鹽執(zhí)行器輸出故障；(6)溶解氧控制器設(shè)定值改變“故障”；(7)溶解氧傳感器的漂移故障、偏移故障和完全失效故障。使用多元統(tǒng)計過程監(jiān)測中的主成分分析對這7種故障數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測(圖1)。

2.3持續(xù)改進(jìn)的建議

化工自動化案例庫建立的時間比較短，可以在如下兩個方面加以改進(jìn)：第一：案例庫的界面太簡單，可以進(jìn)一步優(yōu)化。例如，可以嘗試將Matlab與組態(tài)王軟件配合使用，利用組態(tài)王的組件來優(yōu)化案例庫的界面[10]。第二：案例庫覆蓋面窄，案例數(shù)量需要增加。比如PID參數(shù)整定方法只涉及到課本中的部分方法，過程監(jiān)測和故障診斷模塊的案例只使用了主成分分析法。后期可以考慮：(1)在建模模塊中增加卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)方面的案例；(2)在控制模塊中將課本提到的其他PID參數(shù)整定方法都集成到案例庫中，并增加模型預(yù)測控制、模糊控制等案例；(3)在故障診斷模塊增加偏最小二乘、小波分析等案例。

3結(jié)語

案例教學(xué)法對于提高化工裝備與控制方向?qū)I(yè)學(xué)位研究生的教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。化工自動化案例庫的建設(shè)不僅是保證案例教學(xué)法有效實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是研究生一流課程建設(shè)的重要內(nèi)容，對于強化研究生實踐及創(chuàng)新能力具有重要作用。本文對化工自動化案例庫建設(shè)的背景、意義、內(nèi)容及改進(jìn)措施等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，為工程類案例庫建設(shè)提供了有益的參考，為提升我國專業(yè)學(xué)位研究生課程案例庫的建設(shè)水平提供新的思路。

作者：劉鴻斌 卞輝洋 戴紅旗 單位：南京林業(yè)大學(xué) 輕工與食品學(xué)院 陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院