“在线分析仪器及应用”教学模式研究与实践

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　　摘 要 如何提高本科生运用理论知识解决实际工程问题的能力是应用型本科人才培养的关键问题。本文采用问题导向教学模式，将在线分析仪器的理论、方法和工程技术有机结合， 采用案例教学、线上线下混合教学、现场仿真实验等教学方法培养学生的创新思维与实践能力。实践表明问题导向教学模式是培养学生创新能力和工程实践能力的有效途径。
　　关键词 问题导向 在线分析仪器 工程技术 教学模式 工程实践能力
　　中图分类号：G424                                       文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.12.048
　　Research and Practice on Teaching Mode of Online Analytical
　　Instrument and Application
　　ZHONG Bingxiang， GU Xiaohua， NIE Ling， YANG Junling
　　（School of Electrical Engineering， Chongqing University of Science & Technology， Chongqing 401331）
　　Abstract How to improve the ability of undergraduates to use theoretical knowledge to solve practical engineering problems is the key to the cultivation of applied undergraduate talents. In this paper， the problem-based teaching mode is adopted， which combines the theory， method and engineering technology of on-line analytical instrument organically. Case teaching， online and offline mixed teaching， field simulation experiment and other teaching methods are used to cultivate students' innovative thinking and practical ability. Practice shows that the problem-based teaching mode is an effective way to cultivate students' innovation ability and engineering practice ability.
　　Keywords problem oriented; on line analytical instrument; engineering technology; teaching mode; engineering practice ability
　　1 概述
　　在线分析仪器广泛应用于石油、化工、钢铁、水泥、电力、环保等领域，仪器提供的成分量信息是流程工业、环境监测及其他过程分析等领域的重要信息源，为国家节能、减排、安全、环保以及为推进循环经济、绿色经济、低碳排放等发挥了重要作用。[1-2]“在线分析仪器及应用”作为测控技术与仪器专业的一门专业课程，要求学生掌握常用在线分析仪器的基本原理和结构组成，熟练掌握各种分析方法、使用条件及使用范围。
　　气体在线分析技术在我国的应用与研究已有几十年的历史了，国内企业自主研发能力得到较快发展。但作为一门本科专业课程在院校开设并不多见，无论是教材、教学内容、教学方法，还是教学过程设计都不够完善，无法满足我国在线分析技术领域应用型技术人才培养的需求。我校于2013年在测控技术与仪器专业开设“在线分析仪器及应用”课程，目前教学中存在两个主要问题：一是授课内容比较陈旧，主要讲授在线分析仪器的基本原理，包括光学、电化学、色谱、质谱、热学、磁学、物性分析仪器的测量原理、结构组成、性能特性和适用场合，缺乏对学生运用理论知识解决实际工程问题的能力的培养。二是从课程教学模式来看，教学仍在很大程度上以教材为主线、以课堂和教师为中心采取讲授式教学，授课往往注重现成理论灌输，学生在课堂上多是被动听课，难于激发学生独立思考和主动学习的热情。
　　美國精神病学教授霍华德·巴罗斯于1969年首创问题导向学习法（problem-based learning），它是以解决问题为中心的教学方法，[3]本文将改进目前知识本位的课程体系结构，将问题导向学习模式引入课程中，以“解决工程实际问题”作为课程内容的切入点，分析问题产生的原因，查阅文献资料和技术资料，提出解决问题的思路和方案，采用开放式的教学方式，将理论知识、工程技术有机结合，通过仿真现场的实验环境对问题的解决方案进行实验验证，提高学生的学习兴趣，增强学生工程实践能力的培养，对本科课程教学质量的提升具有积极意义。
　　2 教学内容设计
　　教学内容设计的整体思路是将内容分为两大部分，一是在线分析仪器的基本概念和基本知识，二是各类在线分析仪器的基本原理、结构组成和应用，这部分也是教学改革的主要内容。每种在线分析仪器的教学内容按照“具体问题—在线分析理论—技术应用—技术推广” 的思路进行组织和整合。[4]教学内容设计包括三个步骤：首先，教师以工程实际作为背景，引入实际工程问题，快速吸引学生的注意力，引导学生思考并进入相关在线分析理论知识领域;然后，系统地学习理论基础，深入分析其工作原理;最后将分析技术理论和方法应用到实际工程中，并加以推广，从一个问题推广到一类问题中，使学生明白在线分析理论和方法的应用范围，从而增强学生运用理论知识分析工程问题的能力，使其建立起“具体问题—在线分析理论—在线分析仪器原理—在线分析仪器应用—推广应用”的思维方法。 　　例如在学习激光在线分析仪器时，分为 3 个步骤教学，首先，引入实际工程案例：某中型合成氨厂，测量合成气中的氧含量，测量范围 0～1%O2。用户发现某国产激光分析仪示值稍低，进口磁氧分析仪示值较高，二者相差约 0.2%O2，认为国产的激光分析仪表不准，磁氧分析仪测量值可靠，2 种氧分析仪到底哪个分析更准确呢。第二步，引入激光在线分析仪器理论基础，分析激光分析仪器的工作原理、结构和实际应用场合，结合实际现场情况，通零点气和量程气时，两块表示值相同（零点气是高纯氮，量程气是以氮为底气的氧气），但通样品气时，两表示值就出现了差异，说明由于背景气组分对磁氧分析仪表示值的影响较大，找到磁氧分析仪产生误差的原因是煤气发生炉送来的半水煤气是一种混合气，其中以 H2 和 CO 含量居多，这两种组分都是顺磁性气体，用户使用零点气高纯氮校准零点时未作零点迁移，所以导致测量值偏高;激光分析仪表属于光学仪器，不受样气组分顺磁性或逆磁性的影响，激光分析仪表测量结果是准确的。第三步，进一步推广应用在合成氨厂的尿素工段， 当用激光和磁氧分析仪同时测量 CO2原料气中的含氧量时，如果用高纯氮校准磁氧表的零点后未作零点迁移，也会出现磁氧表示值偏低，而激光表示值较高的现象。因为 CO2为逆磁性气体，会将磁氧表的测氧示值下拉，用高纯氮校零后，应将零点向上遷移。这样，通过实际工程案例引入，分析理论基础和工作原理，分析案例产生原因，并可以进一步推广到冶金、环境监测等应用领域。
　　3 教学模式研究
　　学生缺乏运用理论知识解决实际工程问题的能力的主要原因是：（1）缺乏实际的工程实践经验，难于将实际工程问题与理论知识结合起来;（2）课程内容涉及到仪器仪表、分析化学、计算机、通讯等技术领域，知识交叉，具有综合性、实践性的特点，目前教学资源不多， 实验教学设备几乎没有，仅仅凭借传统课堂讲授等教学方法只能让学生觉得学起来枯燥乏味，知识点繁多，上课听懂下课就忘的局面，教学方法需要针对这些问题进行研究和实践。
　　3.1 资源建设
　　为了通过教学内容和教学方法的改革培养学生的工程实践能力，改变传统的教学方式， 需要建设培养学生工程素养的教学资源，包括工程案例库、在线视频及相关资源和仿真工程现场的实验设备。案例库建设有助于提高学生对工程问题的认识和理解，帮助其理解工程问题的理论基础和解决办法，逐渐培养解决复杂工程问题的能力。任课教师深入石油、天然气、环保企业调研，收集在线分析仪器及系统的应用案例，经过分析整理，提炼其中典型的在线分析理论、分析仪表相关的内容，形成课程案例库。
　　由于课程现有的教学资源有限，根据课程教学大纲，确定建设在线课程教学资源，主要包括课件、视频、习题库等资源建设。视频的制作是关键，需要认真分析大纲教学要求，问题导入合理，分解章节知识点，编写教案，完成 PPT 制作，制作视频，本课程选取石油天然气行业应用较多的红外气体分析仪、紫外气体分析仪、激光气体分析仪、氧分析仪、气相色谱分析仪、热导式气体分析仪、微量水气体分析仪等十余种在线分析仪器，制作了视频，由案例导入，分析在线分析理论和方法。
　　为了密切结合工程实际，课程的实验环节直接仿真实际工程现场，将天然气净化工艺过程中采用的在线色谱分析仪、微量水分析仪、H2S 分析仪等以及锅炉烟气检测系统中采用的红外分析仪及样品处理系统作为课程的实验设备，让学生在实验中身临其境，充分理解和掌握油气在线分析理论和方法。
　　3.2 教学实施
　　首先由任课教师根据教学大纲要求，结合实际工程案例或科研课题提出问题，能够体现教学内容的探究性和创新性，尤其是提出并讨论一些工程应用的问题，潜移默化地在课程教学中培养学生解决实际工程问题的能力。学生根据教师提出的工程技术问题，查找资料，观看在线资源，收集整理资料，参与在线讨论，获得理论知识和解决问题的各种办法。在仿真现场实验条件下，将课堂中学习、讨论的理论和方法在实验中实现，在实践中将理论知识、工程技术有机结合。
　　例如在学习在线微量水分析器时，首先引入某天然气净化厂采用美国 AMETEK 3050 水露点分析仪分析净化处理后的天然气水分，但是测量数据不准确的案例。学生课前在网上查找类似案例，在课程网站上学习在线微量水分析器的分析原理、内部结构、样品处理过程等。在课堂中任课教师积极开展各种形式的专题讨论，学生以组别形式进行专题讨论，针对专题中出现的问题展开讨论。在研究讨论过程中，对比气质条件和其它生产厂同类微量水分析器的应用情况，发现样气在送入水露点分析仪前未处理干净，天然气中含有的微量醇类、重烃蒸气污染石英晶体传感器吸湿涂层，造成水露点示值偏高，属于样品处理系统未将杂质过滤干净。测量数据不准确还有未采取伴热保温措施，样气中水分随环境温度的升降，在管壁上吸附、解吸，造成测量值忽高忽低等问题。课堂讨论后又在实验室进行工程现场仿真的天然气微量水检测实验，学生在实验中不仅学习微量水分仪的操作，同时学习样气的实际预处理过程，培养学生对实际工程问题的分析和解决能力。
　　4 结论
　　“在线分析仪器及应用”课程通过问题导向的教学模式，旨在培养学生掌握在线分析仪器的理论及分析方法，培养创新思维，解决工程实际问题的能力。教学内容的组织方 面，根据教学大纲要求，任课教师积极参与行业企业调研，获取现场第一手资料，在教学中通过各种典型案例实施问题导向教学模式。教学方式的改革是通过案例教学、线上线下混合教学、现场仿真实验等教学模式，促进学生积极思考，发现并解决问题，着力提高学生的工程实践能力，实践表明在课程教学中引入问题导向教学模式是培养学生创新能力和工程实践能力的有效途径。
　　 基金项目：重庆科技学院本科教育教学改革研究项目： 测控技术与仪器专业《在线分析仪器及应用》在线课程建设与实践，项目编号201824
　　参考文献
　　[1] 高喜奎.在线分析系统工程技术[M].化学工业出版社，2014.
　　[2] 王森.烟气排放连续监测系统（CEMS）[M].化学工业出版社，2014.
　　[3] 马真.美国PBL教学模式及在我国高校研究生教学中的应用研究[D].山东师范大学，2011.
　　[4] 张土乔.问题和工程案例为导向的工程流体力学课堂教学改革[J].教育教学论坛，2019（8）：105-107.
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