基于OBE-CDIO 理念的過程裝備與控制工程專業綜合實驗改革與實踐

唐 宇，王宏祥，李金華，黃海龍

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001)

過程裝備與控制工程專業（以下簡稱“過控”專業）是由原化工設備與機械專業發展演變而來，是一個典型的學科交叉融合的專業[1]，涵蓋的學科實踐應用性強。在“中國制造2025”國家戰略驅動下，國內的裝備制造業得到了突飛猛進的發展，對畢業生的工程實踐能力和專業綜合素質也提出了更高的要求[2]。

目前，我國高等教育對OBE、CDIO 等教育理念已經由最初的理解滯后階段逐漸發展成為當下的廣泛應用的理論。OBE（Outcome Based Education）教育理念是以學生為中心，以成果為導向的教育模式[3-4]，而 CDIO（Conceive Design Implement Operate）教育理念是讓學生參與到產品的構思、設計、實施和運行的全部過程[5]。OBE 和CDIO 兩種教育理念的精髓，實際上是強調學生的主體性，以產品的研發為導向，教師輔助學生完成產品的設計制造到調試驗收的過程。

一、專業綜合實驗教學改革的必要性

遼寧工業大學（以下簡稱我校）的“過控”專業經過了近三十年的發展歷程，先后被評為遼寧省綜合改革試點專業。該專業以培養應用型高級工程技術人才為目標，注重對學生工程實踐能力的培養。而很多高校專業仍未打破傳統的教學模式，將實驗環節視為雞肋，學生在實驗過程中往往都是走馬觀花，對整個實驗的內容和要點掌握不牢，導致學生的實踐能力和創新能力不強。因此，在實驗教學中要積極引入OBE-CDIO 的教育思想，打破傳統的實驗教學理念，高度重視學生在實驗教學中的主體地位，使學生真正融入實驗過程中。

專業綜合實驗是我?！斑^控”專業的一門專業實踐課，開設于第7 學期，課程整合了過程設備設計、流體機械及過程裝備控制技術等專業核心課程的學科知識。但受傳統實驗教學理念的影響，在舊的實驗教學體系中，該課程僅將幾門專業核心課程中的實驗內容進行拼湊重組，開設出共16 學時的實驗項目，且實驗項目多為驗證性實驗，實驗內容也較為陳舊，無法與企業實際情況相掛鉤，學生在實驗過程中大多依靠實驗指導書或是教師的講解機械地完成操作，嚴重削弱了學生的自主學習性。此外，在實驗的考核過程中缺乏合理的考核評價體系，部分學生在實驗過程中存在偷懶或出工不出力的情況，而指導教師也容易以偏概全，憑著對學生的印象給分，從而造成實驗成績分布不合理的現象。因此，將OBE 和CDIO 的教學理念融入新的實驗教學體系中，以專業人才培養目標為導向，在專業綜合實驗的課堂上讓學生充分發揮自身的能動性和創造性；教師則引導學生獨立地完成實驗方案的構思（Conceive）、實驗步驟的設計（Design）、實驗內容的實施（Implement）直至實驗過程的運作（Operate），能夠形成以實驗教學促進理論教學的新局面，實現學生的工程實踐能力和專業知識結構的全面協調發展[6]，從而為專業人才培養目標的實現奠定堅實的基礎。

二、基于OBE-CDIO 理念的實驗改革

我?！斑^控”專業教研室與實驗室的專業教師積極探討對策，認真研究解讀國內外圍繞OBE 和CDIO 教學模式的教改案例，結合本專業的人才培養目標，對專業綜合實驗課程的教學內容、教學模式、教學方法及手段、考核評價體系等環節進行了有效的綜合改革，并利用虛擬仿真技術開發設計了過程裝備與控制虛擬仿真實驗系統，實現了一個多元化、可網絡資源共享的實驗教學平臺，有效地提高了專業綜合實驗的教學成果。

（一）實驗內容及儀器設備的更新

我?！斑^控”專業的骨干教師通過對省內外同類院校的調研，在OBE和CDIO教學模式下修訂了新的實驗教學體系，強化了學生工程實踐能力的培養，將原驗證性實驗進行刪減或調整。

將專業綜合實驗的16學時調整為24學時，由原有的8個實驗項目調為7個，如表1所示。

表1 實驗項目內容

綜合性、設計性、創新性的學時比例由原先37.5%提升至100%，所有實驗項目均采用近三年新購置的實驗設備開出。新設備不僅豐富了實驗內容，保證了實驗項目的開出率，同時新設備大都配備PLC 模塊及可拆卸的零部件，學生能夠按照CDIO 理念的構思、設計、實施和運行四個過程，利用實驗設備的擴展模塊對實驗內容進行新的改進或開發，設計出更多的“三性”實驗。

（二）教學模式的有效轉變

傳統的實驗教學模式多數以教師為實驗的主體地位，實驗的操作環節更是由教師親力親為，學生則在實驗過程中以看聽為主，實驗過程顯得單調，不利于學生掌握整個實驗項目的核心內容，而且對后續的專業知識學習的引導作用不夠強。

基于OBE-CDIO理念的實驗教學模式，則是融合了兩種教育理念的核心思想，在實驗教學過程中采用“學生為主教師為輔”的模式[7]。學生根據教師布置的任務和要求，在課前查閱相關資料，并按照CDIO理念完成實驗方案的構思、實驗步驟的設計、實驗內容的實施以及實驗過程的運作。教師對學生提出的方案合理性及實施過程的可行性要把好關，并在學生出現違規操作時及時糾正，而學生作為“主角”便可在實驗過程中大顯身手，按照既定的方案和步驟獨立地去完成實驗，并獲得較為可靠準確的實驗數據。在實驗過程中如果遇到棘手問題，學生也可與教師協商對策找出問題的原因，并重新探討方案整定步驟以獲取實驗的成功。基于OBE-CDIO理念的實驗教學模式不僅提高了學生分析和解決問題的能力，同時也激發了學生的實驗興趣和學習的主動性。

（三）教學方法及手段的不斷提升

在OBE-CDIO的教育模式下，教師積極使用啟發式、翻轉課堂、線上線下等教學方法[8]，引導學生從問題出發，注重學生思考和想象能力的發展，充分利用微課、慕課、多媒體等網絡資源平臺，使學生通過線上資源獲取素材并展開自學、討論、構思、設計等環節。在教學手段上，將原有的多媒體和網絡資源融入普及度較廣的線上教學軟件中。例如，教師可將制作好的課件或視頻上傳至釘釘、學習通等線上軟件，使學生能夠掌握更多的實驗相關信息，對所要開展的實驗內容在學習和設計等方面做到有的放矢。尤其在一些貴重設備的使用及注意事項上，以視頻或圖像的方式替代紙質說明書的介紹，使學生能夠又快又好地掌握實驗設備，從而有效地提高了學習效率及實驗成功率。此外，教師可利用虛擬仿真、數字孿生、人工智能等技術打造出體驗式、交換式等多元化的教學手段[9]，使學生在實驗過程中體驗到更加生動、更加便捷、更加安全的實驗氛圍和實驗環境。

（四）考核評價體系的持續改進

根據OBE 教育模式的工程認證標準，專業修訂了該課程的教學大綱，明確了專業綜合實驗的考核內容及評價依據。根據該門課程的課程目標，實驗成績由課前預習（占10%）、現場實操（占40%）、課堂互動（占10%）、實驗數據的準確性（占15%）和實驗報告的撰寫（占25%）五部分組成。其中，課前預習部分，學生不再是機械地抄寫實驗指導書，而是通過線上的學習軟件來完成，使學生直觀清晰地掌握實驗的要點和注意事項。

此外，在學習軟件上還可完成簽到、回答問題、交流討論等環節，軟件后臺會根據教師設置的答案標準給予分值，有效提高了實驗開展的進程；現場實操環節主要考核學生對儀器設備掌握的熟練程度以及實驗完成的獨立程度；而課堂互動環節則是側重于師生之間關于實驗方案的可行性和操作流程的合理性的交流；實驗數據的準確性則取決于學生對儀器設備的合理使用和記錄讀取數據的規范性，后續的實驗數據的處理分析應具有一定的結論性，并能在實驗報告中以曲線或表格的形式清晰體現；最后實驗報告的撰寫應體現出實驗內容的完整性，撰寫報告的內容包括實驗方案的設計與論證、實驗步驟的制定與實施、實驗數據的處理與分析及實驗結論[10]。

在該考核評價體系中，明確了實驗過程中各個環節的考核評價標準，使得考核結果更加公正合理。通過對上述考核環節的持續改進，該門課程的教學質量有了較大幅度的提升。

三、虛擬仿真實驗教學平臺的建設與實踐

鑒于實驗操作的復雜性和實驗介質的危險性，同時考慮實驗設備和實驗耗材的成本，結合OBE和CDIO的工程教育理念，我們在專業綜合實驗課程的教學中加大了虛擬仿真技術的投入，創建了過程裝備與控制虛擬仿真實驗系統。該虛擬仿真實驗系統以實際生產操作為背景，結合過程裝備中的反應釜、鍋爐、離心泵等典型裝置，模擬了上述典型裝置在生產工藝中的操作流程和實時監控過程。該仿真系統包括水處理過程監控、余熱爐生產過程監控、反應釜生產過程監控三個工藝仿真模塊[11]，如圖1所示，各仿真模塊均具有實時監控、數據一覽、故障報警、歷史曲線等功能。

圖1 過程裝備與控制虛擬仿真實驗的組成

在OBE-CDIO 理念下創建的過程裝備虛擬仿真實驗平臺，利用仿真軟件在計算機上構建了虛擬的生產裝置和操作空間。

同樣，本著以學生為中心的原則，學生通過該仿真系統以“操作員”的主體身份，按照各工藝流程和控制任務模擬典型過程裝備裝置實際的生產操作和工程環境，并能進行生產過程的分析優化、單元設備改進等工作。

該虛擬仿真平臺的應用有效地解決了實驗場地受限、實驗安全風險、實驗耗材成本等問題，擴大了實驗教學的受益面，為我校綜合性、設計性和創新性實驗平臺的建設提供了支撐。

四、結束語

結合工程教育專業認證工作，我?！斑^控”專業緊緊圍繞OBE 和CDIO 的教學模式，建立了以學生工程實踐能力和創新能力培養為核心的實驗教學體系，在專業綜合實驗的教學改革中，打破傳統教學方式，更新教學內容，提供多元化的教學方法及手段，建立了較為完善的考核評價體系。實踐結果表明，在基于OBE-CDIO 模式的實驗教學過程中，學生的主體地位得到彰顯，并呈現出較強的學習主動性和參與熱情，學生的工程實踐能力和專業綜合素質也同時得到了全方位的提升。專業綜合實驗教學改革的初步成功為本專業其他課程的教學改革提供了有力的參考依據，對本專業應用型高級工程技術人才的培養目標的實現起到了重要的支撐作用。