在线分析仪器及应用教学模式研究与实践

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。

美国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，应将零点向上迁移。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。

文章来源：《农业工程技术》 网址: http://www.gcjszzs.cn/qikandaodu/2021/0510/1842.html