基于OBE理念的化工仪表及自动化课程教学改革研究

翟 哲，杨 浩，赵玉潮

（烟台大学 化学化工学院，山东 烟台 264005）

随着经济社会的发展，化工生产过程逐渐呈现大型化、智能化和自动化等特点［1］。这对化工领域的生产技术人员提出了更高要求，不仅需要了解基本的生产工艺，还要掌握各种化工仪表的使用方法及工作原理、自动化组成及控制方案。培养复合型化工技术人才已成高等教育的重要目标。“化工仪表及自动化”是化工专业的主干课程，内容包括化工仪表和自动化两大部分。其中，化工仪表按照被测参数的不同，主要分为压力仪表、流量仪表、物位仪表和温度仪表，课程重点介绍了它们的组成结构、工作原理和选用安装原则；自动化部分重点介绍了对象特性和建模、基本控制规律、控制器、执行器、简单控制系统、复杂控制系统、高级控制系统、计算机控制系统和典型化工单元的控制方案［2］。本课程涉及到物理、化学、化工设备和电子通讯等多门学科，教学内容复杂，覆盖知识广泛，知识较为抽象，在传统教学中存在诸多问题。OBE（Outcome based education，OBE），作为一种以成果为目标导向，学生为中心和持续改进的教育理念，在高校工程类课程中得到广泛应用。将OBE理念融入“化工仪表及自动化”课程中，可进一步提升教学质量，培养学生的工程实践能力。

1 教学中存在的问题

1.1 教学内容抽象

化工仪表及自动化课程依托实际化工生产中常用的仪表及自控系统，对仪表工作原理、控制规律和对象特性等抽象的知识进行了介绍。在化工仪表部分，教学内容主要包括压力仪表、流量仪表、物位仪表和温度仪表。虽然课堂上可提供一些简单的仪表供同学观看，但其内部的结构难以展示给全部同学进行学习［3］，绝大部分仪表只能通过视频去了解其工作原理。另外，仪表的品质指标与差压式流量计的节流现象等知识点较为抽象，难以结合实物进行讲解。在自动化部分，抽象的教学内容更广泛。例如，对象特性和建模，虽然以最简单的一阶对象为主，其数学模型的建立及各个物理量（放大系数、时间常数和滞后时间）含义的理解，需要去进行数学推导；另外，对于四种基本控制规律，其各自的特点、相互联系和对生产过程的调控特点均是较为抽象的教学内容。除此之外，本课程涉及到多个学科的交叉，而化学化工相关专业的学生缺少物理、电子电路和信息通信等相关的知识，加大了抽象内容的学习难度。

1.2 教学与实践结合性较弱

“化工仪表及自动化”是一门应用为导向的课程，目的是使学生能在化工生产中正确选用和安装测量仪表，以及根据工艺需求，设计合理的控制方案，并能在自动控制系统运行过程中，发现和分析出现的一些问题和现象，提出正确的解决方法。然而，在实际的教学过程中，过于偏向理论，缺乏实际的生产案例去辅助学生理解本课程的知识。除此之外，学生很少有机会去企业进行参观学习，难以将所学的知识带到现场去验证，绝大部分知识只能停留在理论阶段。随着化工生产的复杂性和智能化不断加强，对生产技术人员提出了更高的要求。本课程教学与实践结合性较弱的缺点，使其难以达成相应的课程目标及培养学生解决实际工程问题的能力。

1.3 教学内容更新速度慢

随着科技的不断进步，化工仪表及自动化逐渐向集成化、智能化和网络化发展。例如，近年来，随着计算机技术的进步，智能仪表得到快速发展，化工仪表不再是简单的硬件，而是硬件和软件的结合，不仅可以完成最基本的测量功能，还能快速的进行数据分析处理，极大地提高了生产效率，而智能仪表在现有的课程教学内容中介绍较少；在自动控制系统部分，自适应控制、预测控制、专家控制以及神经元网络控制等新型控制系统不断地被开发出来，极大的提高了自控系统的工作效率［4］，但教学内容仍以单回路控制系统与复杂控制系统为主，涉及到的新型控制系统知识较少。除此之外，教学中对化工仪表及自动化相关的学术论文和专利关注较少，难以在教学内容中引入一些原有技术的改进，或是新型技术的开发。随着新型化工生产技术的不断开发，现有的化工仪表及自动化教学内容无法匹配新型的技术，学生参加工作后，难以将自己所学知识应用到实际生产中。因此，根据化工仪表及自动化出现的新观点、新技术和新方法，对现有的教学内容进行改进更新是亟需解决的问题［5］。

1.4 课堂互动少

目前，化工仪表及自动化课程的理论知识较多，课时紧任务重，教学主要以老师为主，主要采用教师单向灌输知识、学生被动接受知识的教学方式。老师和学生群体、老师和学生个人以及学生个人之间缺少互动，难以将师生和生生互动作为教学中重要的环节来完成。课堂互动，目的是让教师和学生以平等对话的方式共同参与课堂教学，真正做到教学相长，提高课堂教学的效率，是教学过程中的重要组成部分。由于“化工仪表及自动化”中课堂互动的缺少，难以产生教学共振，无法进一步提高学生的学习动力和思考解决问题的能力。针对增加课堂互动以提升课程教学质量的问题，当前关注和探究的较少。

2 基于OBE理念的教学改革探索

2.1 多媒体辅助教学

基于OBE以学生为中心的理念，课程应充分激发学生的学习乐趣，而“化工仪表及自动化”教学内容偏于理论，较难理解，同时课堂较为枯燥。多媒体辅助教学是一种现代化的教学手段，利用多媒体设备以图像或声音的形式向学生传递教学内容，具有扩大信息容量、完善课堂教学结构、启发学生想象力和提高学生学习乐趣等优势，现已成为课堂教学的重要手段。借助优酷、哔哩哔哩和科普中国等网站的视频，可更形象地对知识点进行讲解，如图1所示。例如，弹簧管压力表的工作原理、差压式流量计的工作原理、涡街现象和各种执行器的工作原理等知识点均可找到相应的演示动画，使学生更容易理解。除此之外，还可以让学生观看相关视频，增加学习乐趣。比如，在学习涡街流量计时，观看冯卡门的生平介绍；学习随动控制系统时，观看北斗纪录片等。与此同时，这些网站也介绍了许多化工生产的工艺流程，根据相应的工艺管道和控制流程图可以更好地介绍各种化工仪表的工作原理和选用安装规范，以及如何合理设计相应的控制系统。

图1 网站资源辅助教学

2.2 结合仿真实训

OBE模式强调能够让学生认识到自己对知识的掌握程度以及能够达到的实践能力，因此在化工仪表及自动化课程中引入实践环节至关重要。烟台大学与北京东方仿真软件技术有限公司合作开发建设了煤制甲醇生产工艺仿真实训教学中心，如图2所示。仿真实训教学中心以学员操作为主体，教师指导为辅；力求贴近工厂环境，将教学、企业的需求直接转化成培训内容，体现岗位职业化需求。仿真培训系统不但能够模拟控制室内的计算机控制系统的操作，还能模拟现场装置的实际运行。通过中央控制室操作人员与现场操作人员的团队配合及协调行动，让学生能提前感受工业现场团队合作的理念和氛围。其中，工厂包含各种设备、管线、阀门和仪表。仿真工厂可以作为课堂，让学生身临其境去学习，更加直观地了解压力、流量、物位和温度等仪表的使用。与此同时，学生可进行现场操作，模拟实际的生产过程，了解仪表和自控系统动态工作特点。除此之外，学校也拥有易思在线3D虚拟仿真软件，包括多效蒸发、管式加热炉、固定床反应器和离心泵等多个仿真过程。学生可在线进行仿真模拟，随时随地进行学习。例如，在固定床单元设备维护与保养项目中，以C2为主的烃原料为主原料，而H2的量是随主原料量的变化而改变，可以学习比例调节和复杂控制系统的相关知识。

图2 煤制甲醇仿真工厂现场图

2.3 加强与其它课程的联系

OBE教学模式遵循“扩大机会”原则，要以弹性的方式进行授课。化工仪表及自动化课程涉及到的知识庞杂，与多门课程有交叉，可邀请其它课程的老师上课，对相关知识进行更专业的讲解，并不单单以本课程老师为授课主体。例如，在自控系统中的“反馈”部分，可邀请电工电子学老师授课，有助于学生更好地了解其原理和应用；还可以聘请企业技术人员作为兼职教师，给学生进行课堂教学，结合工程经验，对相关知识进行教授。除此之外，鼓励学生积极参加化工设计大赛。由于大赛是对化工专业学生所学知识的综合考察，其涉及的化工仪表及自动化知识要比教学内容更为复杂，这样可进一步提升学生在课堂学习的专注度，并进一步加强对所学知识的理解［6］。

2.4 融入课程思政

基于OBE理念的化工仪表及自动化课程教学，要关注学生的所学、所得和所悟。课程思政作为一种综合教育理念［7］，是将思想政治教育元素，包括思想政治教育的理论知识、价值理念以及精神追求等融入到各门课程中去，潜移默化地对学生的思想意识、行为举止产生影响，它的本质是立德树人、理念是协同育人、结构是立体多元、方法是显隐结合、思维是科学创新。在化工仪表及自动化课程中融入课堂思政，可进一步促进相关知识与生活工作的融合，提升学生的思想道德品质和化工专业素养，符合OBE教育理念的要求。例如，在绪论章节，从化工自动化的发展历史出发，让学生了解人类工业化进程的发展历史；在化工仪表部分，绝大部分仪表最初由国外科学家发明，且现在高端精密仪表只能依赖进口，引导学生努力学习和科研，打破国外垄断，报效国家；在自动控制系统概述章节，从自控系统的特点及其对化工生产的巨大促进作用出发，让学生了解生产工具对人类发展进步的重要性，人类发展史就是一部工具提升效率史；在对象特性和建模章节，从化工对象的选取原则出发，引导学生在学习和生活中要抓住主要矛盾，树立人生目标，努力奋斗；在基本控制规律章节，从生产控制规律出发，使学生认识到要想实现人生目标，需要自律，严格要求自己；在执行器章节，从气动执行器的选择原则出发，引导学生认识生产安全的重要性；在简单控制系统章节，简单控制系统中被控变量、操纵变量和控制器控制规律的选择都非常重要，使学生认识到人生中也要面临许多选择，如何选择会对人生具有重要的影响。

2.5 建立考核为主的新型评价体系

课程评价体系对教学及学生的学习过程具有导向作用，显著影响课程的教学效果。化工仪表及自动化课程中传统的评价体系包括平时成绩、期中考试和期末考试三部分，其中期末考试卷面成绩占比较大［8］。同时，考试题型以简答和计算为主，涉及到的仪表工作原理和控制规律特点较多。传统的评价体系导致许多学生考试前临时突击，难以对教学内容进行充分理解吸收。然而，本课程的目标是培养应用型化工专业人才，能够使用各类仪表和设计合理的自动化控制方案，并能在现场生产中及时发现和处理问题。传统的评价方式较难达到课程目标。基于OBE持续改进的核心理念，采用多种与实践相结合的阶段考核方式，并将其贯穿到课程教学的全过程中。例如，进行课堂分组讨论，将同学的表现作为考核的一部分；结合仿真工厂实训和线上模拟仿真，将实践成绩列入课程评价体系中；提交阶段性的课堂总结报告，评价学生不同阶段的学习效果。最后，期末考核不再采用传统的试卷形式，而以案例综合分析的方式进行。本课程的具体考核方式及配分表如表1所示。

表1 本课程的具体考核方式及配分表

3 结语

化工仪表及自动化课程是一门应用型综合课程，目的是为化工生产培养专业工作者，能够了解化工生产工艺特点，熟悉各类化工仪表的使用及自动化控制方案，保障化工生产的平稳运行。目前，课程教学中普遍存在着教学内容抽象、教学与实践结合性较弱、教学内容更新速度慢和课堂互动少等问题，教学效果较差，难以培养合格的应用型化工专业人才。基于OBE理念，利用多媒体辅助教学、结合仿真实训、加强与其它课程的联系、融入课堂思政和建立考核为主的新型评价体系等教学改革方法，可进一步提高教学质量，培养学生的工程实践能力。