基于OBE理念的自动化仪表与过程控制教学改革与探索

罗真伟 王宪磊 刘媛杰 张洪洲 罗继东

［摘           要］  自动化仪表与过程控制是新工科背景下控制类专业的重要方向课程，传统的自动化仪表与过程控制教学过程存在理论与实践项目脱离、理论教学模式单一等问题，对此，提出了基于OBE理念的自动化仪表与过程控制课程项目化教学改革方法：以成果导向为目标，引入项目式、探究式、小组合作式等多种教学方法，确定课程教学目标、优化教学内容及设计、改进课程考核评价方式。通过实践验证，基于OBE理念的多元化教学改革，对培养学生的自主学习能力、问题解决能力和工程实践能力具有积极作用。

［关    键   词］  自动化仪表与过程控制；OBE；教学改革；项目化教学

［中图分类号］  G642                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2024）06-0０57-04

一、引言

自动化仪表与过程控制是电气工程及其自动化、自动化、机械电子工程等专业的专业方向课程，在控制类专业课程体系中有重要地位[1]。其主要任务是以自动化仪表、检测技术、自动控制原理、计算机控制系统和现场控制总线为基础，运用PLC、单片机等硬件及各种组态软件的相关知识，结合具体工艺流程，进行过程控制系统的分析、设计及实践，是一门面向工业智能化应用的、具有很强实践性与综合性的课程[2]。

随着科技的快速发展和中国制造2025的推进，高等教育对学生工程实践能力和创新思维的培养需求日益增强。传统的教育模式往往过于注重知识的讲授，而忽视了对学生实际应用能力的培养。因此，本文提出了基于OBE（Outcomes Based Education，成果導向教育）理念的自动化仪表与过程控制教学改革方法。OBE理念是一种以学生的学习成果为导向的教育理念，通过结合过程控制工程实例引入项目式、探究式、小组合作式等多种教学方法，确定课程教学目标、优化教学内容及设计、改进课程考核评价方式，从而提高学生的自主学习能力、问题解决能力和工程实践能力。

二、OBE课程目标制定

（一）课程目标制定依据

随着工业数字化、智能化的不断发展，各地区优化产业结构，实现工业智能产业升级，需要更多过程控制方面的人才。根据社会需求、毕业要求，利用OBE理念反向设计、正向实施的设计思路确定课程目标。根据课程目标设计相关理论、实践教学内容，通过学生对课程的评价，持续反馈完善，从而形成以成果为导向、以学生为主体的课程教学体系（见图１），培养学生的自主学习、问题解决和工程实践能力。

（二）课程教学目标

自动化仪表与过程控制课程的教学目标应该包括专业知识、技能和能力、职业素养和实践环节等多个方面[3]。根据课程教学体系，制定以下四个方面全面提升学生综合素质和创新能力的教学目标。

目标1：掌握自动化仪表与过程控制相关的理论知识。通过学习自动化仪表与过程控制这门课程，学生应能够理解和掌握过程控制系统的基本概念和原理、测量与传感器的选择、控制阀门的选择与调整、过程控制系统的基本组成和控制方案的分析与设计方法。

目标2：培养学生的系统分析和设计能力。学生应能够运用所学的过程控制、自动化仪表等相关理论知识，对一个实际的过程控制系统进行分析和设计，理解控制系统的性能、局限性和优化方向。

目标3：增强学生的实践能力和创新精神。通过参与实践活动和创新竞赛项目，学生应能够将理论知识应用到实践中，加强团队合作和沟通能力，解决工业生产中的实际问题，同时也应能够提出创新性解决方案。

目标4：培养学生的工匠精神和社会责任感。通过学习过程控制的实际应用，学生应能够理解过程控制工程中的科学精神、团队意识，培养工匠精神。同时，结合大国工程案例激发学生的创新精神、社会责任感和民族自豪感。

以上目标在过程控制具体课程设计和教学实践过程中应相互协调，共同推进，以实现OBE理念所强调的学生实际能力和成果的提升，培养过程控制工业人才。

三、OBE课程教学设计

（一）理论教学

由课程教学目标可知，自动化仪表与过程控制课程需要学生掌握自动化仪表与过程控制的基本知识、过程控制系统分析和设计方法，从而培养学生的工程实践和创新能力，是一门理论与实践深度结合的课程。在石油、化工、制药、电力等工业实际生产中，过程控制系统有较多应用案例[4]。结合实际生产案例，在理论课堂教学改革中，可使用以下方法。

1.互动式教学。鼓励学生参与到教学过程中，通过提问、小组讨论等方式，引导学生思考和讨论。同时，可以利用多媒体技术，如动画、视频等，帮助学生更加直观地了解自动化仪表和过程控制系统的结构和原理。通过互动式教学，可以激发学生的学习兴趣和积极性，提高教学效果。

2.项目式案例教学。引入实际的工业控制案例，如温度控制系统、液位控制系统等，结合课程内容进行讲解，帮助学生了解实际的控制系统的组成、工作原理和应用。案例教学可以使学生更好地理解和掌握课程内容，同时培养学生的工程思维和实际问题的解决能力。

3.以学生为中心的教学思路。改变传统的以教师为中心的教学思路，转变为以学生为中心的教学思路。从学生的角度出发，考虑学生的学习需求和认知特点，结合翻转课堂的思路设计符合学生实际的教学方案。例如：可以让学生自主选择感兴趣的课题进行研究和讲解，或者组织学生进行小组讨论和案例分析等，以便更好地激发学生的学习兴趣和主动性。

根据不同的教学目标和学习需求调整和扩展教学内容，规划了12个教学模块，每个模块可以采用不同教学方法，从而达到教学目标。例如：对于模块1“传感器、自动化仪表相关知识”采用互动式教学，利用动画、视频使学生直观了解传感器内部结构，理解工作原理。对于模块4“水箱液位串级控制系统”采用项目式案例教学，学生自主学习了解具体过程控制系统，帮助学生理解原理分析工程，为后面实践教学做准备。对于模块9“水泥烧成系统上的典型应用”采用项目式案例教学，了解实际的控制系统的组成、工作原理和典型过程控制工艺流程，提高学生解决工业生产中实际问题的能力。对于模块12“CPR1000 百万千瓦级核电站”采用翻转课堂案例式教学，学生自主评价的方式，不仅帮助学生了解前沿过程控制技术，还增强了学生的民族自豪感，培养了学生的创新精神、工匠精神。课程内容与教学目标支撑关系表如表1所示。

（二）实践教学

在过程控制教学改革理论教学中设置以上12个教学内容，学生不仅系统地学习了过程控制的基本原理、控制系统分析和设计方法，其中相关的项目式教学内容也为实践教学提供了理论支持和指导。实践教学中学生可以将所学的项目理论知识应用于实际过程控制系统，进行实验、设计和调试等工作，让学生在学习过程中既掌握理论知识，又具备实践能力和创新精神。自动化仪表与过程控制实践教学体系应与理论教学体系相互补充，以培养学生的实际操作能力，包括实验、课程设计、实习、竞赛、科研等多种形式[5]。

实验课上，首先要明确学生应该达到的能力和水平，包括知识、技能和态度等。在实施实践教学时，在确保实验教学安全性和规范性的情况下，要尽量贴近实际工程环境，采用项目式、案例式、讨论式等多种教学方法，结合理论知识设计合理的实验项目和实验方案，提供必要的实验设备和实验指导，引导学生进行实验操作和数据分析，培养学生独立思考和解决问题的能力。根据事先定义好的学习结果和教学目标，采取多种方式进行考核，如实验优化方法、实验效果、实验报告等。

在技能测试中，鼓励学生参加科研竞赛、创新创业活动。例如：在理论教学模块11“FROFIBUS总线及应用”时，让学生提前了解相关西门子设备，进而鼓励其参加“西门子杯”中国智能制造挑战赛的流程行业自动化方向的竞赛。这不仅可以锻炼学生设备的安装、调试和操作技能，助其熟悉过程控制组态软件，还能提高学生的动手能力、实践技能和团队合作精神。

课程设计应与工业智能化、数字化的发展方向紧密相连，紧跟社会需求，为学生提供更多的实践机会和实践项目，助其将所学知识应用于未来实际工作中。根据被控对象和工艺流程，根据实际需求选择合适的传感器、执行器、控制器对控制策略进行系统设计，能够对实际过程控制系统进行系统建模和分析，并能够根据模型进行系统设计和优化，确保系统的稳定性和性能达到要求。通过课程设计能让学生更好地理解和掌握过程控制系统的设计方法和技巧，提高过程控制工程师综合素质，培养工匠精神。

实践教学不仅可以帮助学生更好地理解和掌握理论知识，还可以提高学生的实践能力和综合素质，从而更好地适应社会和行业的需求。将OBE理念融入自动化仪表与过程控制课程更注重学生的主体作用和实践能力的培养，可以加强实验教学和行业前沿动态的结合，从而实现教学目标和预期学习成果。

四、课程考核及评价

过程控制课程考核评价对理论和实践教学都具有重要的意义，通过考核评价结果，教师可以了解学生在理论和实践方面的不足，进而调整教学策略和方法，提高教学质量；学生也可以通过考核评价的结果，了解自己的学习状况和不足，进而调整自主学习方法和策略，提高学习效果。传统的考核方式往往注重理论知识的学习和记忆，而忽略了学生自学能力、实践能力和创新能力的培养。因此，需要创新考核方式，采用多元化的评价方法，如形成性评价、终结性评价、同学互评等，以更全面、准确地反映学生的学习成果。为了更好地实现基于OBE理念的自动化仪表与过程控制教学，在课堂考勤、作业、课堂表现等方面采用雨课堂考核；在实践考核中，更注重实际操作能力、项目完成度及效果分析和团队合作能力。

（一）雨课堂线上考核

雨课堂是一种基于互联网和多媒体技术的在线教学平台，可以幫助学生和教师轻松地完成教学任务和考核评价。以下是教学改革中利用雨课堂完成过程控制课程学生学习考核评价的一些方法。

1.建立课程资源库。在雨课堂中建立自动化仪表与过程控制课程的资源库，包括各类自动化仪器仪表的图片、视频、原理动画、PPT、教案等教学素材，方便学生随时随地查阅。

2.设定任务点。针对每个知识点设定相应的任务点，任务点包括各类仪表的原理学习、使用方法、注意事项等，以及控制系统的组成、控制策略、系统设计、工程实施等内容。通过任务点的完成情况考核学生对知识点的掌握情况。

3.在线测验。定期进行在线测验，以考核学生对知识点的掌握情况。可以利用雨课堂的在线测试功能，设置不同难度的题目，根据学生的学习进度和测验结果进行统计分析，以便教师及时掌握学生的学习情况并做出相应的调整。

4.课堂互动。在课堂上利用雨课堂的弹幕、投稿、课堂红包等功能，增加师生之间的互动，及时了解学生的学习状态，并对学生的课堂表现进行打分评价。

5.平时表现。平时可以利用雨课堂记录学生的出勤情况、学习进度、互动参与度等表现。

雨课堂线上考核模式可以实现学生的实时评价和反馈，要利用好雨课堂对学生课程学习考核评价的多种手段和方法，从多个方面全面了解学生的学习情况，及时发现项目教学中的不足，做出相应的调整和反馈，以帮助学生更好地掌握知识和技能。

（二）项目成果考核

结合OBE理念的实践教学改革，可以通过实际操作、实验、作品设计等方式考核，也可以增加小组讨论、课题研究等团队合作形式的考核方式来考查学生的实际应用能力和团队合作精神等。以下是课程改革中用到的考核方法。

1.项目方案设计。要求学生提交一份项目设计方案，包括项目内容、控制方案、仪表选型、系统设计等方面的内容。这个环节考查学生对自动化仪表与过程控制理论知识的掌握情况，同时也可以锻炼学生的设计能力和创新意识。

2.实际操作能力。要求学生实际操作自动化仪表和过程控制系统，对系统进行调试和维护，并解决可能出现的问题。考查学生的实际操作能力和问题解决能力，以及学生对自动化仪表与过程控制系统的掌握情况。

3.成果展示。要求学生展示自己的项目成果，包括系统运行数据、控制效果等，并回答教师和其他学生的提问。通过这个环节，可以考核学生的成果展示和表达能力，同时也可以让学生了解自己的不足之处并加以改进。

4.项目报告。要求学生撰写项目报告，包括项目背景、目的、内容、方法、结果等方面的内容。考查学生的科技写作能力和总结归纳能力，同时也可以让学生对整个项目进行回顾和反思，以便今后能够更好地完成类似的项目。

5.小组讨论。组织学生进行小组讨论，分享各自的项目经验和成果，互相学习和交流。培养学生的团队协作精神和沟通能力，同时也可以让学生相互评价和互相学习。

采用雨课堂检验学生对理论知识的掌握程度，通过线上测验、互动和考试等方式，可以评估学生对过程控制的基本原理、方法和技术等理论知识的理解，培养学生的自学能力。通过实验、项目设计等实践活动考核，可以评估学生在过程控制实验操作、数据分析、系统设计等方面的表现，从而反映学生实践操作和解决问题的能力水平。

五、结论

通过引入OBE教学理念，以学生的学习成果为导向，把工业中的过程控制项目融入自动化仪表与过程控制课程。设计了课程目标、教学内容和教学方法，通过问题导向、项目导向等方式，引导学生主动思考、主动实践，提升学生的自主学习能力。鼓励学生参与竞赛、积极思考、自主探索，培养学生的创新精神和实践能力。在今后的教学改革中，还需注意：要根据学生的学习反馈和教学效果，不断调整和优化教学设计，形成“教学—反馈—改进”的良性循环，以实现持续提高教学质量的目标；要充分运用雨课堂等网络平台和各种智能终端设备，为学生提供灵活、便捷的学习方式。

参考文献：

［1］周宣征，張公永.“工业过程控制与自动化仪表”课程教学改革探讨［J］.工业控制计算机，2022，35（2）：157-158.

［2］谢莉，徐琛，陶洪峰.基于PBL模式的“过程控制系统”课程教学改革与实践［J］.科教导刊，2021（34）：122-124.

［3］李天华，施国英，侯加林.改革过程控制系统课程提高学生应用能力［J］.实验室研究与探索，2013（1）：111-113.

［4］张家良.工程教育专业认证背景下课程目标达成情况评价：以“自动化仪表与过程控制系统”课程为例［J］.西部素质教育，2022，8（16）：128-141.

［5］邓晓燕，高红霞，黄道平，等.过程控制工程实验课程教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2017，36（2）：214-217.

◎编辑 马花萍