基于OBE理念的化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)改革研究

翟 哲，楊 浩，趙玉潮

（煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，化工生產(chǎn)過(guò)程逐漸呈現(xiàn)大型化、智能化和自動(dòng)化等特點(diǎn)［1］。這對(duì)化工領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)人員提出了更高要求，不僅需要了解基本的生產(chǎn)工藝，還要掌握各種化工儀表的使用方法及工作原理、自動(dòng)化組成及控制方案。培養(yǎng)復(fù)合型化工技術(shù)人才已成高等教育的重要目標(biāo)?！盎x表及自動(dòng)化”是化工專業(yè)的主干課程，內(nèi)容包括化工儀表和自動(dòng)化兩大部分。其中，化工儀表按照被測(cè)參數(shù)的不同，主要分為壓力儀表、流量?jī)x表、物位儀表和溫度儀表，課程重點(diǎn)介紹了它們的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和選用安裝原則；自動(dòng)化部分重點(diǎn)介紹了對(duì)象特性和建模、基本控制規(guī)律、控制器、執(zhí)行器、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、高級(jí)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和典型化工單元的控制方案［2］。本課程涉及到物理、化學(xué)、化工設(shè)備和電子通訊等多門學(xué)科，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，覆蓋知識(shí)廣泛，知識(shí)較為抽象，在傳統(tǒng)教學(xué)中存在諸多問(wèn)題。OBE（Outcome based education，OBE），作為一種以成果為目標(biāo)導(dǎo)向，學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)的教育理念，在高校工程類課程中得到廣泛應(yīng)用。將OBE理念融入“化工儀表及自動(dòng)化”課程中，可進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

1 教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 教學(xué)內(nèi)容抽象

化工儀表及自動(dòng)化課程依托實(shí)際化工生產(chǎn)中常用的儀表及自控系統(tǒng)，對(duì)儀表工作原理、控制規(guī)律和對(duì)象特性等抽象的知識(shí)進(jìn)行了介紹。在化工儀表部分，教學(xué)內(nèi)容主要包括壓力儀表、流量?jī)x表、物位儀表和溫度儀表。雖然課堂上可提供一些簡(jiǎn)單的儀表供同學(xué)觀看，但其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)難以展示給全部同學(xué)進(jìn)行學(xué)習(xí)［3］，絕大部分儀表只能通過(guò)視頻去了解其工作原理。另外，儀表的品質(zhì)指標(biāo)與差壓式流量計(jì)的節(jié)流現(xiàn)象等知識(shí)點(diǎn)較為抽象，難以結(jié)合實(shí)物進(jìn)行講解。在自動(dòng)化部分，抽象的教學(xué)內(nèi)容更廣泛。例如，對(duì)象特性和建模，雖然以最簡(jiǎn)單的一階對(duì)象為主，其數(shù)學(xué)模型的建立及各個(gè)物理量（放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間）含義的理解，需要去進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)；另外，對(duì)于四種基本控制規(guī)律，其各自的特點(diǎn)、相互聯(lián)系和對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)控特點(diǎn)均是較為抽象的教學(xué)內(nèi)容。除此之外，本課程涉及到多個(gè)學(xué)科的交叉，而化學(xué)化工相關(guān)專業(yè)的學(xué)生缺少物理、電子電路和信息通信等相關(guān)的知識(shí)，加大了抽象內(nèi)容的學(xué)習(xí)難度。

1.2 教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合性較弱

“化工儀表及自動(dòng)化”是一門應(yīng)用為導(dǎo)向的課程，目的是使學(xué)生能在化工生產(chǎn)中正確選用和安裝測(cè)量?jī)x表，以及根據(jù)工藝需求，設(shè)計(jì)合理的控制方案，并能在自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)和分析出現(xiàn)的一些問(wèn)題和現(xiàn)象，提出正確的解決方法。然而，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，過(guò)于偏向理論，缺乏實(shí)際的生產(chǎn)案例去輔助學(xué)生理解本課程的知識(shí)。除此之外，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)去企業(yè)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，難以將所學(xué)的知識(shí)帶到現(xiàn)場(chǎng)去驗(yàn)證，絕大部分知識(shí)只能停留在理論階段。隨著化工生產(chǎn)的復(fù)雜性和智能化不斷加強(qiáng)，對(duì)生產(chǎn)技術(shù)人員提出了更高的要求。本課程教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合性較弱的缺點(diǎn)，使其難以達(dá)成相應(yīng)的課程目標(biāo)及培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

1.3 教學(xué)內(nèi)容更新速度慢

隨著科技的不斷進(jìn)步，化工儀表及自動(dòng)化逐漸向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。例如，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，智能儀表得到快速發(fā)展，化工儀表不再是簡(jiǎn)單的硬件，而是硬件和軟件的結(jié)合，不僅可以完成最基本的測(cè)量功能，還能快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，極大地提高了生產(chǎn)效率，而智能儀表在現(xiàn)有的課程教學(xué)內(nèi)容中介紹較少；在自動(dòng)控制系統(tǒng)部分，自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、專家控制以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等新型控制系統(tǒng)不斷地被開(kāi)發(fā)出來(lái)，極大的提高了自控系統(tǒng)的工作效率［4］，但教學(xué)內(nèi)容仍以單回路控制系統(tǒng)與復(fù)雜控制系統(tǒng)為主，涉及到的新型控制系統(tǒng)知識(shí)較少。除此之外，教學(xué)中對(duì)化工儀表及自動(dòng)化相關(guān)的學(xué)術(shù)論文和專利關(guān)注較少，難以在教學(xué)內(nèi)容中引入一些原有技術(shù)的改進(jìn)，或是新型技術(shù)的開(kāi)發(fā)。隨著新型化工生產(chǎn)技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)，現(xiàn)有的化工儀表及自動(dòng)化教學(xué)內(nèi)容無(wú)法匹配新型的技術(shù)，學(xué)生參加工作后，難以將自己所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。因此，根據(jù)化工儀表及自動(dòng)化出現(xiàn)的新觀點(diǎn)、新技術(shù)和新方法，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)更新是亟需解決的問(wèn)題［5］。

1.4 課堂互動(dòng)少

目前，化工儀表及自動(dòng)化課程的理論知識(shí)較多，課時(shí)緊任務(wù)重，教學(xué)主要以老師為主，主要采用教師單向灌輸知識(shí)、學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的教學(xué)方式。老師和學(xué)生群體、老師和學(xué)生個(gè)人以及學(xué)生個(gè)人之間缺少互動(dòng)，難以將師生和生生互動(dòng)作為教學(xué)中重要的環(huán)節(jié)來(lái)完成。課堂互動(dòng)，目的是讓教師和學(xué)生以平等對(duì)話的方式共同參與課堂教學(xué)，真正做到教學(xué)相長(zhǎng)，提高課堂教學(xué)的效率，是教學(xué)過(guò)程中的重要組成部分。由于“化工儀表及自動(dòng)化”中課堂互動(dòng)的缺少，難以產(chǎn)生教學(xué)共振，無(wú)法進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和思考解決問(wèn)題的能力。針對(duì)增加課堂互動(dòng)以提升課程教學(xué)質(zhì)量的問(wèn)題，當(dāng)前關(guān)注和探究的較少。

2 基于OBE理念的教學(xué)改革探索

2.1 多媒體輔助教學(xué)

基于OBE以學(xué)生為中心的理念，課程應(yīng)充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，而“化工儀表及自動(dòng)化”教學(xué)內(nèi)容偏于理論，較難理解，同時(shí)課堂較為枯燥。多媒體輔助教學(xué)是一種現(xiàn)代化的教學(xué)手段，利用多媒體設(shè)備以圖像或聲音的形式向?qū)W生傳遞教學(xué)內(nèi)容，具有擴(kuò)大信息容量、完善課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)、啟發(fā)學(xué)生想象力和提高學(xué)生學(xué)習(xí)樂(lè)趣等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為課堂教學(xué)的重要手段。借助優(yōu)酷、嗶哩嗶哩和科普中國(guó)等網(wǎng)站的視頻，可更形象地對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，如圖1所示。例如，彈簧管壓力表的工作原理、差壓式流量計(jì)的工作原理、渦街現(xiàn)象和各種執(zhí)行器的工作原理等知識(shí)點(diǎn)均可找到相應(yīng)的演示動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生更容易理解。除此之外，還可以讓學(xué)生觀看相關(guān)視頻，增加學(xué)習(xí)樂(lè)趣。比如，在學(xué)習(xí)渦街流量計(jì)時(shí)，觀看馮卡門的生平介紹；學(xué)習(xí)隨動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，觀看北斗紀(jì)錄片等。與此同時(shí)，這些網(wǎng)站也介紹了許多化工生產(chǎn)的工藝流程，根據(jù)相應(yīng)的工藝管道和控制流程圖可以更好地介紹各種化工儀表的工作原理和選用安裝規(guī)范，以及如何合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

圖1 網(wǎng)站資源輔助教學(xué)

2.2 結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)

OBE模式強(qiáng)調(diào)能夠讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到自己對(duì)知識(shí)的掌握程度以及能夠達(dá)到的實(shí)踐能力，因此在化工儀表及自動(dòng)化課程中引入實(shí)踐環(huán)節(jié)至關(guān)重要。煙臺(tái)大學(xué)與北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司合作開(kāi)發(fā)建設(shè)了煤制甲醇生產(chǎn)工藝仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心，如圖2所示。仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心以學(xué)員操作為主體，教師指導(dǎo)為輔；力求貼近工廠環(huán)境，將教學(xué)、企業(yè)的需求直接轉(zhuǎn)化成培訓(xùn)內(nèi)容，體現(xiàn)崗位職業(yè)化需求。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不但能夠模擬控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的操作，還能模擬現(xiàn)場(chǎng)裝置的實(shí)際運(yùn)行。通過(guò)中央控制室操作人員與現(xiàn)場(chǎng)操作人員的團(tuán)隊(duì)配合及協(xié)調(diào)行動(dòng)，讓學(xué)生能提前感受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)合作的理念和氛圍。其中，工廠包含各種設(shè)備、管線、閥門和儀表。仿真工廠可以作為課堂，讓學(xué)生身臨其境去學(xué)習(xí)，更加直觀地了解壓力、流量、物位和溫度等儀表的使用。與此同時(shí)，學(xué)生可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，模擬實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程，了解儀表和自控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工作特點(diǎn)。除此之外，學(xué)校也擁有易思在線3D虛擬仿真軟件，包括多效蒸發(fā)、管式加熱爐、固定床反應(yīng)器和離心泵等多個(gè)仿真過(guò)程。學(xué)生可在線進(jìn)行仿真模擬，隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，在固定床單元設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)項(xiàng)目中，以C2為主的烴原料為主原料，而H2的量是隨主原料量的變化而改變，可以學(xué)習(xí)比例調(diào)節(jié)和復(fù)雜控制系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。

圖2 煤制甲醇仿真工廠現(xiàn)場(chǎng)圖

2.3 加強(qiáng)與其它課程的聯(lián)系

OBE教學(xué)模式遵循“擴(kuò)大機(jī)會(huì)”原則，要以彈性的方式進(jìn)行授課。化工儀表及自動(dòng)化課程涉及到的知識(shí)龐雜，與多門課程有交叉，可邀請(qǐng)其它課程的老師上課，對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行更專業(yè)的講解，并不單單以本課程老師為授課主體。例如，在自控系統(tǒng)中的“反饋”部分，可邀請(qǐng)電工電子學(xué)老師授課，有助于學(xué)生更好地了解其原理和應(yīng)用；還可以聘請(qǐng)企業(yè)技術(shù)人員作為兼職教師，給學(xué)生進(jìn)行課堂教學(xué)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行教授。除此之外，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加化工設(shè)計(jì)大賽。由于大賽是對(duì)化工專業(yè)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的綜合考察，其涉及的化工儀表及自動(dòng)化知識(shí)要比教學(xué)內(nèi)容更為復(fù)雜，這樣可進(jìn)一步提升學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的專注度，并進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解［6］。

2.4 融入課程思政

基于OBE理念的化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)，要關(guān)注學(xué)生的所學(xué)、所得和所悟。課程思政作為一種綜合教育理念［7］，是將思想政治教育元素，包括思想政治教育的理論知識(shí)、價(jià)值理念以及精神追求等融入到各門課程中去，潛移默化地對(duì)學(xué)生的思想意識(shí)、行為舉止產(chǎn)生影響，它的本質(zhì)是立德樹(shù)人、理念是協(xié)同育人、結(jié)構(gòu)是立體多元、方法是顯隱結(jié)合、思維是科學(xué)創(chuàng)新。在化工儀表及自動(dòng)化課程中融入課堂思政，可進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)知識(shí)與生活工作的融合，提升學(xué)生的思想道德品質(zhì)和化工專業(yè)素養(yǎng)，符合OBE教育理念的要求。例如，在緒論章節(jié)，從化工自動(dòng)化的發(fā)展歷史出發(fā)，讓學(xué)生了解人類工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展歷史；在化工儀表部分，絕大部分儀表最初由國(guó)外科學(xué)家發(fā)明，且現(xiàn)在高端精密儀表只能依賴進(jìn)口，引導(dǎo)學(xué)生努力學(xué)習(xí)和科研，打破國(guó)外壟斷，報(bào)效國(guó)家；在自動(dòng)控制系統(tǒng)概述章節(jié)，從自控系統(tǒng)的特點(diǎn)及其對(duì)化工生產(chǎn)的巨大促進(jìn)作用出發(fā)，讓學(xué)生了解生產(chǎn)工具對(duì)人類發(fā)展進(jìn)步的重要性，人類發(fā)展史就是一部工具提升效率史；在對(duì)象特性和建模章節(jié)，從化工對(duì)象的選取原則出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中要抓住主要矛盾，樹(shù)立人生目標(biāo)，努力奮斗；在基本控制規(guī)律章節(jié)，從生產(chǎn)控制規(guī)律出發(fā)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到要想實(shí)現(xiàn)人生目標(biāo)，需要自律，嚴(yán)格要求自己；在執(zhí)行器章節(jié)，從氣動(dòng)執(zhí)行器的選擇原則出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)生產(chǎn)安全的重要性；在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)章節(jié)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中被控變量、操縱變量和控制器控制規(guī)律的選擇都非常重要，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到人生中也要面臨許多選擇，如何選擇會(huì)對(duì)人生具有重要的影響。

2.5 建立考核為主的新型評(píng)價(jià)體系

課程評(píng)價(jià)體系對(duì)教學(xué)及學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程具有導(dǎo)向作用，顯著影響課程的教學(xué)效果。化工儀表及自動(dòng)化課程中傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系包括平時(shí)成績(jī)、期中考試和期末考試三部分，其中期末考試卷面成績(jī)占比較大［8］。同時(shí)，考試題型以簡(jiǎn)答和計(jì)算為主，涉及到的儀表工作原理和控制規(guī)律特點(diǎn)較多。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系導(dǎo)致許多學(xué)生考試前臨時(shí)突擊，難以對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行充分理解吸收。然而，本課程的目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型化工專業(yè)人才，能夠使用各類儀表和設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)化控制方案，并能在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式較難達(dá)到課程目標(biāo)?；贠BE持續(xù)改進(jìn)的核心理念，采用多種與實(shí)踐相結(jié)合的階段考核方式，并將其貫穿到課程教學(xué)的全過(guò)程中。例如，進(jìn)行課堂分組討論，將同學(xué)的表現(xiàn)作為考核的一部分；結(jié)合仿真工廠實(shí)訓(xùn)和線上模擬仿真，將實(shí)踐成績(jī)列入課程評(píng)價(jià)體系中；提交階段性的課堂總結(jié)報(bào)告，評(píng)價(jià)學(xué)生不同階段的學(xué)習(xí)效果。最后，期末考核不再采用傳統(tǒng)的試卷形式，而以案例綜合分析的方式進(jìn)行。本課程的具體考核方式及配分表如表1所示。

表1 本課程的具體考核方式及配分表

3 結(jié)語(yǔ)

化工儀表及自動(dòng)化課程是一門應(yīng)用型綜合課程，目的是為化工生產(chǎn)培養(yǎng)專業(yè)工作者，能夠了解化工生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，熟悉各類化工儀表的使用及自動(dòng)化控制方案，保障化工生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。目前，課程教學(xué)中普遍存在著教學(xué)內(nèi)容抽象、教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合性較弱、教學(xué)內(nèi)容更新速度慢和課堂互動(dòng)少等問(wèn)題，教學(xué)效果較差，難以培養(yǎng)合格的應(yīng)用型化工專業(yè)人才。基于OBE理念，利用多媒體輔助教學(xué)、結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)、加強(qiáng)與其它課程的聯(lián)系、融入課堂思政和建立考核為主的新型評(píng)價(jià)體系等教學(xué)改革方法，可進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。