基于OBE理念的化工儀表及自動化課程教學改革研究

翟 哲，楊 浩，趙玉潮

（煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005）

隨著經濟社會的發展，化工生產過程逐漸呈現大型化、智能化和自動化等特點［1］。這對化工領域的生產技術人員提出了更高要求，不僅需要了解基本的生產工藝，還要掌握各種化工儀表的使用方法及工作原理、自動化組成及控制方案。培養復合型化工技術人才已成高等教育的重要目標。“化工儀表及自動化”是化工專業的主干課程，內容包括化工儀表和自動化兩大部分。其中，化工儀表按照被測參數的不同，主要分為壓力儀表、流量儀表、物位儀表和溫度儀表，課程重點介紹了它們的組成結構、工作原理和選用安裝原則；自動化部分重點介紹了對象特性和建模、基本控制規律、控制器、執行器、簡單控制系統、復雜控制系統、高級控制系統、計算機控制系統和典型化工單元的控制方案［2］。本課程涉及到物理、化學、化工設備和電子通訊等多門學科，教學內容復雜，覆蓋知識廣泛，知識較為抽象，在傳統教學中存在諸多問題。OBE（Outcome based education，OBE），作為一種以成果為目標導向，學生為中心和持續改進的教育理念，在高校工程類課程中得到廣泛應用。將OBE理念融入“化工儀表及自動化”課程中，可進一步提升教學質量，培養學生的工程實踐能力。

1 教學中存在的問題

1.1 教學內容抽象

化工儀表及自動化課程依托實際化工生產中常用的儀表及自控系統，對儀表工作原理、控制規律和對象特性等抽象的知識進行了介紹。在化工儀表部分，教學內容主要包括壓力儀表、流量儀表、物位儀表和溫度儀表。雖然課堂上可提供一些簡單的儀表供同學觀看，但其內部的結構難以展示給全部同學進行學習［3］，絕大部分儀表只能通過視頻去了解其工作原理。另外，儀表的品質指標與差壓式流量計的節流現象等知識點較為抽象，難以結合實物進行講解。在自動化部分，抽象的教學內容更廣泛。例如，對象特性和建模，雖然以最簡單的一階對象為主，其數學模型的建立及各個物理量（放大系數、時間常數和滯后時間）含義的理解，需要去進行數學推導；另外，對于四種基本控制規律，其各自的特點、相互聯系和對生產過程的調控特點均是較為抽象的教學內容。除此之外，本課程涉及到多個學科的交叉，而化學化工相關專業的學生缺少物理、電子電路和信息通信等相關的知識，加大了抽象內容的學習難度。

1.2 教學與實踐結合性較弱

“化工儀表及自動化”是一門應用為導向的課程，目的是使學生能在化工生產中正確選用和安裝測量儀表，以及根據工藝需求，設計合理的控制方案，并能在自動控制系統運行過程中，發現和分析出現的一些問題和現象，提出正確的解決方法。然而，在實際的教學過程中，過于偏向理論，缺乏實際的生產案例去輔助學生理解本課程的知識。除此之外，學生很少有機會去企業進行參觀學習，難以將所學的知識帶到現場去驗證，絕大部分知識只能停留在理論階段。隨著化工生產的復雜性和智能化不斷加強，對生產技術人員提出了更高的要求。本課程教學與實踐結合性較弱的缺點，使其難以達成相應的課程目標及培養學生解決實際工程問題的能力。

1.3 教學內容更新速度慢

隨著科技的不斷進步，化工儀表及自動化逐漸向集成化、智能化和網絡化發展。例如，近年來，隨著計算機技術的進步，智能儀表得到快速發展，化工儀表不再是簡單的硬件，而是硬件和軟件的結合，不僅可以完成最基本的測量功能，還能快速的進行數據分析處理，極大地提高了生產效率，而智能儀表在現有的課程教學內容中介紹較少；在自動控制系統部分，自適應控制、預測控制、專家控制以及神經元網絡控制等新型控制系統不斷地被開發出來，極大的提高了自控系統的工作效率［4］，但教學內容仍以單回路控制系統與復雜控制系統為主，涉及到的新型控制系統知識較少。除此之外，教學中對化工儀表及自動化相關的學術論文和專利關注較少，難以在教學內容中引入一些原有技術的改進，或是新型技術的開發。隨著新型化工生產技術的不斷開發，現有的化工儀表及自動化教學內容無法匹配新型的技術，學生參加工作后，難以將自己所學知識應用到實際生產中。因此，根據化工儀表及自動化出現的新觀點、新技術和新方法，對現有的教學內容進行改進更新是亟需解決的問題［5］。

1.4 課堂互動少

目前，化工儀表及自動化課程的理論知識較多，課時緊任務重，教學主要以老師為主，主要采用教師單向灌輸知識、學生被動接受知識的教學方式。老師和學生群體、老師和學生個人以及學生個人之間缺少互動，難以將師生和生生互動作為教學中重要的環節來完成。課堂互動，目的是讓教師和學生以平等對話的方式共同參與課堂教學，真正做到教學相長，提高課堂教學的效率，是教學過程中的重要組成部分。由于“化工儀表及自動化”中課堂互動的缺少，難以產生教學共振，無法進一步提高學生的學習動力和思考解決問題的能力。針對增加課堂互動以提升課程教學質量的問題，當前關注和探究的較少。

2 基于OBE理念的教學改革探索

2.1 多媒體輔助教學

基于OBE以學生為中心的理念，課程應充分激發學生的學習樂趣，而“化工儀表及自動化”教學內容偏于理論，較難理解，同時課堂較為枯燥。多媒體輔助教學是一種現代化的教學手段，利用多媒體設備以圖像或聲音的形式向學生傳遞教學內容，具有擴大信息容量、完善課堂教學結構、啟發學生想象力和提高學生學習樂趣等優勢，現已成為課堂教學的重要手段。借助優酷、嗶哩嗶哩和科普中國等網站的視頻，可更形象地對知識點進行講解，如圖1所示。例如，彈簧管壓力表的工作原理、差壓式流量計的工作原理、渦街現象和各種執行器的工作原理等知識點均可找到相應的演示動畫，使學生更容易理解。除此之外，還可以讓學生觀看相關視頻，增加學習樂趣。比如，在學習渦街流量計時，觀看馮卡門的生平介紹；學習隨動控制系統時，觀看北斗紀錄片等。與此同時，這些網站也介紹了許多化工生產的工藝流程，根據相應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范，以及如何合理設計相應的控制系統。

圖1 網站資源輔助教學

2.2 結合仿真實訓

OBE模式強調能夠讓學生認識到自己對知識的掌握程度以及能夠達到的實踐能力，因此在化工儀表及自動化課程中引入實踐環節至關重要。煙臺大學與北京東方仿真軟件技術有限公司合作開發建設了煤制甲醇生產工藝仿真實訓教學中心，如圖2所示。仿真實訓教學中心以學員操作為主體，教師指導為輔；力求貼近工廠環境，將教學、企業的需求直接轉化成培訓內容，體現崗位職業化需求。仿真培訓系統不但能夠模擬控制室內的計算機控制系統的操作，還能模擬現場裝置的實際運行。通過中央控制室操作人員與現場操作人員的團隊配合及協調行動，讓學生能提前感受工業現場團隊合作的理念和氛圍。其中，工廠包含各種設備、管線、閥門和儀表。仿真工廠可以作為課堂，讓學生身臨其境去學習，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，學生可進行現場操作，模擬實際的生產過程，了解儀表和自控系統動態工作特點。除此之外，學校也擁有易思在線3D虛擬仿真軟件，包括多效蒸發、管式加熱爐、固定床反應器和離心泵等多個仿真過程。學生可在線進行仿真模擬，隨時隨地進行學習。例如，在固定床單元設備維護與保養項目中，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，可以學習比例調節和復雜控制系統的相關知識。

圖2 煤制甲醇仿真工廠現場圖

2.3 加強與其它課程的聯系

OBE教學模式遵循“擴大機會”原則，要以彈性的方式進行授課。化工儀表及自動化課程涉及到的知識龐雜，與多門課程有交叉，可邀請其它課程的老師上課，對相關知識進行更專業的講解，并不單單以本課程老師為授課主體。例如，在自控系統中的“反饋”部分，可邀請電工電子學老師授課，有助于學生更好地了解其原理和應用；還可以聘請企業技術人員作為兼職教師，給學生進行課堂教學，結合工程經驗，對相關知識進行教授。除此之外，鼓勵學生積極參加化工設計大賽。由于大賽是對化工專業學生所學知識的綜合考察，其涉及的化工儀表及自動化知識要比教學內容更為復雜，這樣可進一步提升學生在課堂學習的專注度，并進一步加強對所學知識的理解［6］。

2.4 融入課程思政

基于OBE理念的化工儀表及自動化課程教學，要關注學生的所學、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、價值理念以及精神追求等融入到各門課程中去，潛移默化地對學生的思想意識、行為舉止產生影響，它的本質是立德樹人、理念是協同育人、結構是立體多元、方法是顯隱結合、思維是科學創新。在化工儀表及自動化課程中融入課堂思政，可進一步促進相關知識與生活工作的融合，提升學生的思想道德品質和化工專業素養，符合OBE教育理念的要求。例如，在緒論章節，從化工自動化的發展歷史出發，讓學生了解人類工業化進程的發展歷史；在化工儀表部分，絕大部分儀表最初由國外科學家發明，且現在高端精密儀表只能依賴進口，引導學生努力學習和科研，打破國外壟斷，報效國家；在自動控制系統概述章節，從自控系統的特點及其對化工生產的巨大促進作用出發，讓學生了解生產工具對人類發展進步的重要性，人類發展史就是一部工具提升效率史；在對象特性和建模章節，從化工對象的選取原則出發，引導學生在學習和生活中要抓住主要矛盾，樹立人生目標，努力奮斗；在基本控制規律章節，從生產控制規律出發，使學生認識到要想實現人生目標，需要自律，嚴格要求自己；在執行器章節，從氣動執行器的選擇原則出發，引導學生認識生產安全的重要性；在簡單控制系統章節，簡單控制系統中被控變量、操縱變量和控制器控制規律的選擇都非常重要，使學生認識到人生中也要面臨許多選擇，如何選擇會對人生具有重要的影響。

2.5 建立考核為主的新型評價體系

課程評價體系對教學及學生的學習過程具有導向作用，顯著影響課程的教學效果。化工儀表及自動化課程中傳統的評價體系包括平時成績、期中考試和期末考試三部分，其中期末考試卷面成績占比較大［8］。同時，考試題型以簡答和計算為主，涉及到的儀表工作原理和控制規律特點較多。傳統的評價體系導致許多學生考試前臨時突擊，難以對教學內容進行充分理解吸收。然而，本課程的目標是培養應用型化工專業人才，能夠使用各類儀表和設計合理的自動化控制方案，并能在現場生產中及時發現和處理問題。傳統的評價方式較難達到課程目標。基于OBE持續改進的核心理念，采用多種與實踐相結合的階段考核方式，并將其貫穿到課程教學的全過程中。例如，進行課堂分組討論，將同學的表現作為考核的一部分；結合仿真工廠實訓和線上模擬仿真，將實踐成績列入課程評價體系中；提交階段性的課堂總結報告，評價學生不同階段的學習效果。最后，期末考核不再采用傳統的試卷形式，而以案例綜合分析的方式進行。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 結語

化工儀表及自動化課程是一門應用型綜合課程，目的是為化工生產培養專業工作者，能夠了解化工生產工藝特點，熟悉各類化工儀表的使用及自動化控制方案，保障化工生產的平穩運行。目前，課程教學中普遍存在著教學內容抽象、教學與實踐結合性較弱、教學內容更新速度慢和課堂互動少等問題，教學效果較差，難以培養合格的應用型化工專業人才。基于OBE理念，利用多媒體輔助教學、結合仿真實訓、加強與其它課程的聯系、融入課堂思政和建立考核為主的新型評價體系等教學改革方法，可進一步提高教學質量，培養學生的工程實踐能力。