基于CDIO理念的過程控制儀表及系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐*

杜青青，丁 煒，侯志偉，李海霞

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，儀表及系統(tǒng)的智能化、集約化不斷提高，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新及應(yīng)用能力提出了更高的要求[1-2]。工業(yè)自動(dòng)化儀表專業(yè)的發(fā)展，需要緊緊圍繞“中國制造2025”部署，緊密結(jié)合區(qū)域和行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在需求，以主動(dòng)服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)過程檢測(cè)與控制方面的基礎(chǔ)知識(shí)，具有在工業(yè)企業(yè)多種崗位從事自動(dòng)化儀表及過程綜合控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)能力。

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate，即構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行)理念作為工程教育發(fā)展的新方向[3-5]，以“項(xiàng)目”教學(xué)為驅(qū)動(dòng)，建立職業(yè)能力培養(yǎng)的課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，改革教學(xué)方法和手段，融“教、學(xué)、訓(xùn)、賽”為一體，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)與技能的掌握程度。工業(yè)儀表是化工行業(yè)賴以生存的眼睛，控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)裝備的靈魂和核心。過程控制儀表及系統(tǒng)是學(xué)校工業(yè)自動(dòng)化儀表技術(shù)專業(yè)的核心課程，共72學(xué)時(shí)，3.5學(xué)分，開設(shè)在第四學(xué)期。課程主要介紹過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、檢測(cè)變送儀表、控制儀表、簡單及復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。將教學(xué)內(nèi)容與崗位任務(wù)緊密結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。將企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目分解并融入課程教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，學(xué)生在大量的實(shí)崗實(shí)操訓(xùn)練中，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐綜合能力，提升崗位適應(yīng)能力[6]。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

過程控制儀表及系統(tǒng)是基于化工自動(dòng)化控制儀表作業(yè)技能要求開設(shè)的一門針對(duì)崗位能力培養(yǎng)的技能型理實(shí)一體化課程，包括控制系統(tǒng)的組成和分類、控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、檢測(cè)儀表、控制儀表、控制系統(tǒng)方案分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。經(jīng)過總結(jié)及調(diào)查，該課程的實(shí)際教學(xué)中主要有以下三方面的問題：

1)知識(shí)點(diǎn)瑣碎，未形成系統(tǒng)化。課程內(nèi)容多、知識(shí)點(diǎn)瑣碎且抽象難理解，教學(xué)內(nèi)容沒有形成邏輯關(guān)系，與崗位工作任務(wù)沒有緊密結(jié)合，教師以理論講解及原理性驗(yàn)證為主，學(xué)生聽、 教師講為主要教學(xué)手段，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)難以理解并掌握[7]。

2)教授知識(shí)與崗位任務(wù)分離脫節(jié)。傳統(tǒng)教學(xué)重點(diǎn)不突出，知識(shí)掌握局限于理論層面，控制領(lǐng)域的自動(dòng)化發(fā)展。隨著大量新理念、新技術(shù)的涌現(xiàn)，對(duì)新裝備、新實(shí)踐要求越來越高，而傳統(tǒng)教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際相互脫節(jié)，學(xué)生走向工作崗位后工作任務(wù)不明確，教學(xué)改革迫在眉睫。

3)難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。大多數(shù)教師主要采用講授法，學(xué)生被動(dòng)吸收，課堂參與度不夠，重視理論考核，評(píng)價(jià)體系不夠完善，考核方式過于單一，理論知識(shí)枯燥難理解，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性和積極性。

2 過程控制儀表及系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

我校工業(yè)自動(dòng)化儀表技術(shù)專業(yè)的生源主要來自于普高、三校生及擴(kuò)招生。其中，普高及三校生理論基礎(chǔ)相對(duì)擴(kuò)招生較扎實(shí)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐類項(xiàng)目在任務(wù)深度和知識(shí)廣度上進(jìn)行拔高，對(duì)于知識(shí)基礎(chǔ)參差不齊的擴(kuò)招生源，進(jìn)一步合理設(shè)置分層目標(biāo)，擴(kuò)充企業(yè)案例，調(diào)整基礎(chǔ)內(nèi)容課時(shí)，加大實(shí)訓(xùn)練習(xí)的力度。結(jié)合學(xué)生學(xué)情分析，引入CDIO理念，以勝任崗位能力為基本目標(biāo)，反向進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)的優(yōu)化[8-10]。

2.1 教學(xué)構(gòu)思

通過對(duì)機(jī)械制造、石油化工行業(yè)需求進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)工作流程，梳理出對(duì)應(yīng)的職業(yè)類別以及職業(yè)崗位群。針對(duì)崗位群的調(diào)查分析，與化工行業(yè)專家、企業(yè)技術(shù)骨干、一線人員及資深教師共同進(jìn)行工作任務(wù)與職業(yè)能力分析，確定工業(yè)自動(dòng)化儀表專業(yè)技術(shù)人員主要在機(jī)械制造、化工生產(chǎn)等企業(yè)，從事自動(dòng)化控制儀表校驗(yàn)與維護(hù)、過程控制系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)等工作。

針對(duì)崗位群的調(diào)查分析，確定了崗位能力之一是能熟練使用電工儀表與工具對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行安裝、調(diào)試與投運(yùn)。其工作任務(wù)之一是從事化工儀表維護(hù)、檢修、校驗(yàn)、安裝、調(diào)試和投入運(yùn)行。根據(jù)以上崗位能力、工作任務(wù)，結(jié)合教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定課程基本教學(xué)任務(wù)單元[11-12]。以任務(wù)2液位控制儀表的調(diào)校(4課時(shí))為例，崗位-課程-標(biāo)準(zhǔn)三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 崗位-課程-標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系圖

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

依據(jù)化工自動(dòng)化控制儀表作業(yè)工、過程控制系統(tǒng)維護(hù)工職業(yè)能力要求，圍繞實(shí)際崗位工作任務(wù)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化重組，將傳統(tǒng)內(nèi)容多、知識(shí)難、重點(diǎn)不突出的授課方式，按照控制系統(tǒng)的基本邏輯“檢測(cè)-控制-系統(tǒng)”，結(jié)合從簡單到復(fù)雜、從單一到綜合的認(rèn)知規(guī)律，先常規(guī)儀表后控制系統(tǒng)來組織教學(xué)過程。

過程控制儀表及系統(tǒng)課程的知識(shí)目標(biāo)主要是了解常用測(cè)量儀表和控制儀表的基本工作原理、主要特點(diǎn)及使用方法；掌握化工生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、分類及基本工作原理；了解被控對(duì)象的特性，定性理解控制規(guī)律，基本掌握控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響；掌握控制系統(tǒng)手自動(dòng)無擾動(dòng)切換工作原理。能力目標(biāo)主要是熟悉掌握化工現(xiàn)場(chǎng)安全操作技術(shù)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全隱患排除，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置；使學(xué)生掌握常用控制儀表的安裝、接線、調(diào)校和維護(hù)技能。了解常用測(cè)量儀表選用原則和安裝要求，掌握檢測(cè)儀表使用和調(diào)校方法；具有測(cè)量主要工藝參數(shù)(溫度，壓力，流量及液位)和使用儀表的能力；具有根據(jù)工藝要求，正確選用和使用常見測(cè)量儀表和校驗(yàn)儀表的能力；具有根據(jù)工藝的需要討論和提出合理的自動(dòng)化方案的能力；具有為自控設(shè)計(jì)正確提供有關(guān)的工藝條件和數(shù)據(jù)的能力；能進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的開車投運(yùn)及停車，能夠?qū)刂葡到y(tǒng)運(yùn)行中常見的問題進(jìn)行診斷及故障排查。素質(zhì)目標(biāo)主要是具有良好的職業(yè)道德、科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識(shí)；具有良好的協(xié)調(diào)能力、表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神；具有獲取一定信息的能力；了解生產(chǎn)相關(guān)的法律、法規(guī)及規(guī)章制度；具有敬業(yè)愛崗、富有責(zé)任心的優(yōu)良思想品質(zhì)；能按照生產(chǎn)安全操作規(guī)程規(guī)范操作；養(yǎng)成良好的職業(yè)安全習(xí)慣。

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)后的教學(xué)組織如圖2所示。

（1）構(gòu)建完善的維修保養(yǎng)制度。在施工中應(yīng)對(duì)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度，挖掘機(jī)械設(shè)備潛力，盡可能提高利用率，增大維修與保養(yǎng)管理力度，保證隨壞隨修，杜絕帶病和帶傷作業(yè)，同時(shí)根據(jù)施工的實(shí)際情況，充分利用間隙的時(shí)間保養(yǎng)機(jī)械設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決潛在的問題，使機(jī)械設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)圖

以項(xiàng)目四雙容水箱的液位檢測(cè)及控制為例進(jìn)行介紹。

首先依托某石油化工企業(yè)大檢修期間儀表的故障維護(hù)及后期開車投運(yùn)項(xiàng)目，以典型化工單元雙容水箱控制案例為載體組織教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成一條教學(xué)主線(液位的檢測(cè)及控制)，四個(gè)階段任務(wù)(液位檢測(cè)儀表安裝校驗(yàn)、液位控制儀表安裝校驗(yàn)、液位控制系統(tǒng)開車投運(yùn)、液位控制系統(tǒng)故障維護(hù))，通過教學(xué)訓(xùn)一體的模式組織教學(xué)實(shí)施過程。

在理解工作原理基礎(chǔ)上，以教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)圖項(xiàng)目四中任務(wù)2為例，按照“結(jié)構(gòu)認(rèn)知-儀表安裝-聯(lián)合調(diào)校-總結(jié)評(píng)價(jià)”四個(gè)階段，逐步掌握氣動(dòng)薄膜控制閥與電氣閥門定位器的安裝和調(diào)校方法、技能，解決教學(xué)重難點(diǎn)。教學(xué)設(shè)計(jì)構(gòu)思如圖3所示。

圖3 教學(xué)設(shè)計(jì)框圖

2.3 教學(xué)實(shí)施

在課程的教學(xué)實(shí)施過程中，以企業(yè)項(xiàng)目任務(wù)為主線，以真實(shí)企業(yè)情境開展教學(xué)。教學(xué)實(shí)施過程中模擬實(shí)際崗位，采用角色分工，引導(dǎo)學(xué)生在做中學(xué)，在學(xué)中做[13]，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)自內(nèi)心的熱愛這個(gè)職業(yè)，堅(jiān)守用心、上心、盡心的精神，提高學(xué)生的崗位勝任能力。

本文以項(xiàng)目四中任務(wù)2過程控制儀表的調(diào)校為例進(jìn)行教學(xué)實(shí)施和運(yùn)行的詳細(xì)闡述。教學(xué)實(shí)施過程如圖4所示。

圖4 教學(xué)實(shí)施過程

1)課前準(zhǔn)備

課前教師以控制儀表的故障維護(hù)項(xiàng)目為案例，創(chuàng)設(shè)情境。通過云平臺(tái)發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生觀看微課視頻，了解要“做什么”，同時(shí)完成課前測(cè)試，教師采集學(xué)情數(shù)據(jù)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。

講結(jié)構(gòu)：控制閥是由很多細(xì)小的零部件組成的儀表，教學(xué)團(tuán)隊(duì)借助Solidworks三維建模，構(gòu)建“虛擬儀表”，能真實(shí)再現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。優(yōu)化了枯燥的教學(xué)過程，突破了控制閥結(jié)構(gòu)組成這一教學(xué)重點(diǎn)。

仿真訓(xùn)：引入控制閥在化工現(xiàn)場(chǎng)安裝不當(dāng)，投入生產(chǎn)時(shí)發(fā)生泄露的安全事故案例。引導(dǎo)學(xué)生明確安裝質(zhì)量關(guān)系到控制系統(tǒng)的操作性能、控制品質(zhì)、安全性，激發(fā)學(xué)生敬畏之心。通過虛擬平臺(tái)反復(fù)練習(xí)閥的安裝，克服了初學(xué)者不敢裝、不會(huì)裝的膽怯心理，減少了閥芯、閥桿等的磨損，節(jié)省了實(shí)訓(xùn)成本，攻克了控制閥與閥門定位器的規(guī)范組裝這一教學(xué)難點(diǎn)。

競(jìng)技訓(xùn)：采用小組PK，企業(yè)專家根據(jù)PK過程進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，成績優(yōu)異者樹立為“榜樣之星”，通過教師示范，引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范操作，使學(xué)生學(xué)會(huì)“怎么做”，深化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。 培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍，精益求精的工匠精神。

綜合評(píng)：課前，線上控制閥原理測(cè)試及微課學(xué)習(xí)情況通過云平臺(tái)進(jìn)行評(píng)價(jià)；課中，控制閥虛擬安裝及競(jìng)技PK環(huán)節(jié)，開展學(xué)生自評(píng)、生生互評(píng)，結(jié)合企業(yè)導(dǎo)師點(diǎn)評(píng)得出教師總評(píng)；課后，拓展模塊由培訓(xùn)導(dǎo)師評(píng)價(jià)。構(gòu)建了全過程有評(píng)測(cè)的考核模式。

2.4 教學(xué)運(yùn)行

全方位全過程評(píng)價(jià)體系如圖5所示。實(shí)行課前自主學(xué)習(xí)、課中技能考評(píng)與課后技能競(jìng)賽及社會(huì)服務(wù)全過程評(píng)價(jià)。以任務(wù)4-液位控制系統(tǒng)投運(yùn)為例，重點(diǎn)考核學(xué)生雙容水箱液位控制系統(tǒng)規(guī)范開車投運(yùn)操作的能力：課前依托云班課平臺(tái)采集學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)時(shí)長、課前測(cè)試等模塊數(shù)據(jù)自動(dòng)生成平臺(tái)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；課中利用半實(shí)物仿真裝置進(jìn)行虛擬冷態(tài)開車，平臺(tái)根據(jù)操作步驟、工藝指標(biāo)及安全指標(biāo)三維度自動(dòng)評(píng)分，依托CS2000裝置進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)開車投運(yùn)操作，嚴(yán)格按照企業(yè)規(guī)范、實(shí)操安規(guī)等對(duì)學(xué)生進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

圖5 全方位全過程評(píng)價(jià)體系

3 實(shí)踐教學(xué)改革效果

以蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)2021級(jí)工業(yè)自動(dòng)化儀表技術(shù)專業(yè)班作為試點(diǎn)，基于CDIO理念的教學(xué)改革探索取得顯著的教學(xué)效果。

1)以崗位能力為目標(biāo)，以企業(yè)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以CDIO理念為引領(lǐng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率明顯提升。

以任務(wù)4-液位控制系統(tǒng)投運(yùn)為例，分析控制系統(tǒng)的開車投運(yùn)操作中的常見問題考核數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其均分由任務(wù)初的72.4到任務(wù)終的89.3提升了16.9%。半實(shí)物控制仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)所有任務(wù)的機(jī)評(píng)成績，顯示規(guī)范操作正確率大于97%的學(xué)生人數(shù)占有82%。部分考核成績?nèi)鐖D6所示。

圖6 任務(wù)4考核成績?cè)u(píng)價(jià)截圖

2) 教學(xué)內(nèi)容與崗位任務(wù)緊密結(jié)合，技能教學(xué)目標(biāo)全面提高。

將企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目分解并融入課程教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，學(xué)生在大量的實(shí)崗實(shí)操訓(xùn)練中，控制系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)技能提升效果顯著。分析每次的實(shí)踐操作規(guī)范評(píng)分表，得出6個(gè)小組違規(guī)次數(shù)逐漸減少，直至完全規(guī)范。

依托本項(xiàng)目選拔的學(xué)生在2021年8月份參加全國西門子杯流程行業(yè)自動(dòng)化賽項(xiàng)獲國家級(jí)特等獎(jiǎng) 1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省級(jí)一等獎(jiǎng) 3 項(xiàng)，二等獎(jiǎng)6項(xiàng)。基于CDIO理念的指導(dǎo)下，教師團(tuán)隊(duì)深度挖掘教學(xué)目標(biāo)，整合教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)過程，獲得全國職業(yè)院校教學(xué)能力比賽二等獎(jiǎng)。

3) 全方位、全過程參與課程評(píng)價(jià)，推動(dòng)教學(xué)目標(biāo)高效達(dá)成。

基于CDIO理念對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行重新整合，以企業(yè)項(xiàng)目任務(wù)為主線，以真實(shí)企業(yè)情境開展教學(xué)，采用分組實(shí)操練習(xí)，開展組內(nèi)、組間互評(píng)；仿真實(shí)訓(xùn)報(bào)告、實(shí)操報(bào)告由實(shí)訓(xùn)教師評(píng)價(jià)、課后拓展模塊由競(jìng)賽培訓(xùn)導(dǎo)師評(píng)價(jià)；全過程的考核評(píng)價(jià)方式營造出你追我趕，奮勇爭先的競(jìng)賽氛圍，促使學(xué)生自發(fā)、自覺、自主的進(jìn)行專業(yè)的研究和探索，教師分析學(xué)生的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)后及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略、改進(jìn)教學(xué)方法。助力教學(xué)進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)。

4 結(jié)語

為了培養(yǎng)能夠勝任化工自動(dòng)化控制儀表作業(yè)工、過程控制系統(tǒng)維護(hù)工崗位能力的技術(shù)人才，基于CIBO理念對(duì)過程控制儀表及系統(tǒng)課程內(nèi)容反向進(jìn)行設(shè)計(jì)，以項(xiàng)目化教學(xué)為指導(dǎo)，以企業(yè)實(shí)際任務(wù)為主線，以多元化教學(xué)資源為支撐，優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，通過理實(shí)結(jié)合、角色扮演、分組練習(xí)等方式突破教學(xué)重難點(diǎn)，通過技能比拼展示，引導(dǎo)學(xué)生重視規(guī)范操作、從而使學(xué)生實(shí)現(xiàn)了實(shí)操練習(xí)中夯實(shí)理論基礎(chǔ)，再對(duì)原理融會(huì)貫通的基礎(chǔ)上指導(dǎo)如何規(guī)范操作。全方位全過程的考核評(píng)價(jià)體系，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，營造了競(jìng)爭的學(xué)習(xí)氛圍，借鑒CDIO理念形成構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行，評(píng)價(jià)的閉環(huán)教學(xué)新范式，供其他專業(yè)課程老師借鑒使用。