基于仿真系统的教学模式研究

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  摘要:本文对火电厂集控运行专业的核心课程“单元机组集控运行”的教学模式进行研讨,建立了基于仿真系统模拟情境下的角色扮演,以任务为驱动、项目为导向的行动导向教学法,阐述了该教学模式的设计理念、基本内容和教学方法。
  关键词:仿真系统;项目导向;学习情境
  作者简介:谢新(1970-),男,湖北武汉人,武汉电力职业技术学院动力工程系,副教授,管理学硕士,主要研究方向:火电机组运行及经济性;叶海军(1967-),男,湖北钟祥人,武汉电力职业技术学院动力工程系,讲师,主要研究方向:火电机组运行及经济性。(湖北 武汉 430079)
  基金项目:本文系教育部高职高专电力专业技术指导委员会“火电厂集控运行专业建设方案研究与实践”课题(课题编号:教育部高职高专电力技术类专业教职委2008-8)的研究成果。
  
  一、火力发电与火电仿真技术
  1.火力发电现状
  随着国民经济的快速发展,我国电力工业也取得了高速增长。截止到2009年,全国的发电机组装机容量结构如图1所示(单位:万千瓦),火力发电所占比例很高。①
  从技术和产业结构的角度看,火电机组正向大容量、高参数、集中控制方向发展。目前超临界机组的净效率约为40%~41%,超超临界机组的净效率约为44%~45%,它们已成为电力生产的主力。通过提高蒸汽参数提高整机效率可降低煤耗,每年节约煤炭资源所带来的经济效益是相当可观的。同时机组效率的提高,污染物的排放也相应减少,降低了对环境的污染。
  2.火力发电企业对运行人员的要求
  大机组的特点之一是监视点多,目前一台600MW单元机组的I/O量往往已超过7000点,参数变化速度快、控制对象特性复杂,各个控制对象之间又相互关联。所以传统的炉、机、电分别监控的方式已不能适应大型机组运行的要求,必须采用高度自动化的单元机组的运行模式。事实证明,大型火电机组离开了高度自动化就不可能做到安全、经济运行。自动化系统在一般情况下虽不需要人的更高层次的干预,但离不开人工参与,特别是在异常工况下。统计资料表明:火电厂发生事故的70%至80%与运行人员的操作有关。由于火电机组向大容量、高参数、集中控制方向发展,技术日益复杂,对安全、经济运行的要求越来越高,对运行人员的素质提出了更高的要求,因此运行人员的岗位技能是影响电力系统安全运行的重要因素。
  3.火电机组仿真系统的应用
  由于大型火电机组设备的高成本投入,机组运行事故导致的经济损失不可估量,保证人身、设备安全是火电机组运行的第一要务。为提高运行人员的操作技能,火电机组仿真系统应运而生。火电厂实时仿真系统是多学科技术的结晶,是以计算机软件为主的智力密集型产品,通过仿真训练可提高运行人员的操作水平与处理事故的能力,从而提高电力生产的安全性。由于信息技术的不断发展,电厂运行人员逐步从以往的面向仪表、盘台转为面向计算机屏幕,仿真机也由原来的软、硬件仿真过渡到了全软件仿真,采用人机交互界面系统完全模拟现场操作(就地站)以及集控室远程操控(OIS站),具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可重复使用等优点。
  在《火电厂集控运行专业教学改革与实践》研究课题的问卷调查中,有如下几个问题:Q8:您现在是否拥有仿真机培训证书?Q41:如果开放仿真实验室,您是否愿意利用业余时间参加练习培训?Q43:您是否愿意参加培训以取得仿真机培训证书?
  调查反馈表明,火电机组仿真系统是一个良好的教学培训载体,受到学生和企业员工普遍欢迎,具有十分广阔的应用前景。
  二、基于仿真系统的教学模式的构建
  火电厂集控运行专业的人才培养目标主要定位于大中型火力发电机组设备运行维护、系统调试的高素质技能型应用人才。职业岗位对实际运行经验的高要求和学生在真实工作环境中操作机会的缺乏,是本专业学生所面临的最大困难。由于电力生产的特殊性,学生在企业的实习仅仅局限于参观模式,不可能有亲自动手操作的机会。“百闻不如一见,百见不如一干”,如何推行“工学结合”,突出实践能力培养是教学模式改革的关键。通过对专业核心课程“单元机组集控运行”的重构,探索了基于仿真系统的“工学结合”的教学模式:基于仿真系统模拟情境下的角色扮演,以任务为驱动、项目为导向的行动导向教学法。
  1.仿真系统——优质的教学平台
  工学结合的本质是教育通过企业与社会需求紧密结合。仿真系统可实现对火电机组全范围、全过程、高逼真度的仿真,它提供了本课程最主要的学习平台,从对火电机组的厂用电设备送电等真实任务入手,由浅入深,循序渐进,直至机组满负荷额定参数运行,可以模拟真实机组启停运行操作的全过程。通过仿真教学,可体现教学过程的实践性、开放性和职业性,实现课堂与实习地点的一体化。
  2.仿真系统——良好的教学工具
  仿真系统就是一个很好的虚拟机组,学生就是火力发电机组的运行值班员,学生在仿真机上操作,与在真实机组上操作感觉完全一致,学生通过仿真操作演练,实现其职业能力的培养和提高。
  基于火电机组仿真系统,模拟真实的工作环境,设置学习情境,每个学习情境引入了不同的学习问题和任务目标,从而激发学生学习的自主性和积极性。在任务布置过程中,由教师向学生提供解决该问题的有关线索,特别注意发展学生的“自主学习”能力。注重学生情绪感受,引导学生主动发现问题,自主学习相关知识,克服困难,完成任务,在学习过程中获取乐趣。
  基于火电机组仿真系统,让学生进行角色扮演、情境模拟活动,培养职业技能,培育职业素养,尽可能零距离贴近现实的职业岗位,明了职业岗位规范和职责,从课程开始要求学生组成相对稳定的学习团队——模拟现场一台机组的一个运行值。通过角色扮演使学生在贴近真实的模拟情境中,模拟扮演某一角色进行技能训练,体验职业技能的具体实践。让他们体验机组启停的具体操作过程,体验操作的失败与成功,激发其热情,主动改进其不足。
  3.仿真系统——项目导向的载体
  以任务为驱动、项目为导向的行动导向教学法是基于建构主义学习理论的一种教学方法。要求在教学过程中,以完成一个个具体的任务为线索,把教学内容巧妙地隐含在每个任务之中,让学生自己提出问题,并经过思考和教师的点拨自己解决问题。它强调学生要在真实情境中的任务驱动下,在探索任务和完成任务的过程中,在自主学习和协作的环境下,在讨论和对话的氛围中进行学习活动。学生在完成任务的过程中始终处于主体地位。教师的角色是学习情境的创设者、学习任务的设计者、学习资源的提供者、学习活动的组织者和学习方法的指导者。它改变了“教师讲、学生听”的传统的以教定学的教学模式,创造了以学定教、学生主动参与、自主合作、探索创新的新型的学习方式。
  任务驱动教学法中的任务应该密切联系要求学生巩固的技能点和相关的知识点,但任务不能只停留在掌握技能的层面上。仅以某些操作性的任务去驱动学生学习也有悖于教学的目标。任务的设计要以学生为中心,根据学生的实际情况和学生的兴趣方向来设置任务;任务的设计要注意知识点的系统性连贯性、软件基本功能的递进性;任务的布置要遵循循序渐进原则,使学生在完成任务的过程中,既巩固已学过的内容,又探索新知识,逐步提高,并通过一个个任务的完成最终实现总体的教学目标,从而形成一个系统的知识体系。
  课程教学模拟单元机组运行,4人一组构建学习团队,以完成火电机组全冷态滑参数启动的生产过程为主线,提炼典型工作任务转化为七个学习情境。在每个情境中,分成若干子任务(项目),整个工作过程将基本知识点贯穿。项目教学包括信息、计划、实施和评价四个部分,整个过程在教师的引导下由学生自己来完成,真正以学生为主体,由学生自主查找资料,将分析问题、解决问题及团队协作始终融入到教学全过程。在解决任务中相应问题的过程里,掌握机组各系统设备的操控方法,掌握机组启停流程与启停条件,培养机组安全、经济运行的能力,初步培养机组典型事故的处理能力。校企合作携手共同开发完成课程学习任务,举行学生技能竞赛,配合单元机组集控运行仿真综合实训,使学生牢固掌握专业技能,最终能够通过相关职业资格技能鉴定,为就业提供有力保障。
  三、仿真教学环节的具体实施和反馈
  武汉电力职业技术学院动力工程系在2007级“电厂集控运行”专业对火电仿真教学进行了试点。首先在专业课程“电厂锅炉及运行”和“汽轮机设备及运行”中增加仿真实验环节,让学生熟悉仿真系统及操作方法,进行各相关的单项操作练习(如辅助系统启动、锅炉点火、汽轮机冲转等);然后在“单元机组集控运行”教学中,采用讲练结合的方式进行,把课堂放在仿真实验室,让学生在“学中做、做中学”,把600MW火电机组运行内容分成七个教学情境18个操作项目。通过这项教学环节,使学生熟悉了电厂辅助系统操作和机组冷态启动操作方法。最后通过六周的仿真实习,让学生上仿真机练习,达到熟悉机组整机启动和运行的目的。通过测评,学生对专业技能掌握的熟练程度如图4所示。
  通过这些环节的实施,我们就教学效果在学生中进行了抽样调查,学生反映“通过仿真运行环节,我们才真正明白了集控专业是做什么的,集控运行是怎么做的”;“我们从对专业一无所知到可以实习整机的冷态启动,甚至可以实现一些简单的事故处理”;“我们通过老师深刻的讲解和引导以及自己慢慢探索和尝试,获得了很多参数的设定和控制的经验,能够符合生产要求,安全、经济地启动到带满负荷”;“我们通过自己动手,进行水位控制、燃烧控制,对启动升温升压曲线的控制,加上过程中老师的讲解,更清楚了安全、经济运行应该怎么做,为什么这样做”。总的来说,大多数学生认为“在仿真机上我们不仅可以看,还可以亲自动手操作,加上毕业实习现场对系统和实际设备的感性认识,我们对火电运行的技能大大增强了,使我们能拿到集控运行值班员技能证书,对到工作单位尽快上岗运行更有信心了”。
  四、仿真教学模式的进一步思考
  1.项目教学对教师的知识结构要求高
  课程设计“以就业为导向,以能力为本位”。由于教学内容的组织突破了原知识体系顺序,按火电机组的生产工作过程重组、序化内容,因此教学内容和工作任务的安排组织符合实际生产过程,知识点的掌握符合学生由浅及深、由简单到复杂的认知规律,操作技能的掌握循序渐进由初级到高级、由简单到繁琐,专业能力由按部就班的机械操作到能主动调节控制、能解决突发的故障问题。这样,在每一个学习情境、每一个工作任务甚至一个项目中都会包含很多的知识点。很多情况下一项操作的完成、一个问题的解决,要涉及机、炉、电、控的各方面的知识。这就需要专业教师努力学习,一方面跟进专业知识技术的发展新趋势,另一方面还要拓展知识领域,朝“一专多能”的方向发展。因此可以考虑团队教学,充分发挥教学团队内各教师的专长,对学生的知识传授、技能训练等各方面进行专题式教学。
  2.项目教学宜采用小班
  虽然整个项目教学过程是在教师的引导下由学生自己来完成的,但是,教师的指导作用不可忽视。尤其是“单元机组集控运行”课程,所需的前导知识很多,涉及锅炉、汽轮机、电气设备及系统、热工控制等诸多方面。在项目初期需教师的引导甚至亲手演示,在项目中期也需要教师的点拨和集中指导。因此,宜采用“讲、练”一体化、多媒体讲授功能和操作实训功能为一体的实训室。考虑到教学、演示效果和实训设备的布置,一个实训室以容纳16~20人为宜。按4~5人一个学习团队计算,教师教学指导的学习团队约为4~5个。这样教学效果较好,但是对教学设施要求较高。
  3.学习团队中的表率作用
  鼓励团队进行协作学习,在讨论、交流的过程中,共同讨论研究解决问题的办法,充分利用标准化实训室,鼓励学生在“做”中“学”,在工作过程中寻求解决问题的办法,提升职业技能,培育职业素养。
  如何调动学生学习的主动性,如何让学生在“做”中“学”,是引领学生自主学习的关键。实施情境教学、角色扮演模拟教学,引入具有一定情感色彩的具体生动的场景,以引起学生一定的情感体验,刺激学生思考的积极性,通过创设特定的问题情境,培养他们独立探求问题的本领。如模拟电厂的运行岗位,鼓励学生在训练操作过程中不断“晋级”,如“晋升”为“主值班员”、“机长”,甚至“晋升”为“值长”等,还可让优秀者担任教师的“助教”。对优秀学生的肯定可树立学习团队中的表率,进一步锻炼学生自主学习、体验如何与“同事”共同协作解决问题、如何与有经验的“长者”(教师或同学)进行技术沟通等社会能力,同时对后进者也是一种督促。可以考虑引入类似机制,对优秀者实施学分奖励或者颁发仿真机培训证书等。
  五、结束语
  通过对“单元机组集控运行”课程的教学改革,以火电机组仿真系统为载体,实施“教、学、做”一体化的教学模式,使学生在“做”中“学”,真正做到“工学结合”,能够突出职业技能的培养,促进职业素质的提高。
  
  注释:
  ①数据来源:中国电力企业联合会网,http://www.cec.org.cn/。
  (责任编辑:麻剑飞)
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