CDIO理念下的“过程控制工程”教学改革

郑耐琴

(陇东学院 电气工程学院 ，甘肃 庆阳 745000)

2018年8月教育部印发的高教函[2018]8号节选如下：“各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰'水课'、打造'金课'，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量”[1]。课程是本科教育的核心环节，是落实工程教育人才培养目标的重要载体，课程质量的高低将直接影响人才培养质量，课堂教学不是简单地传递知识，而是知识、能力和素质的综合。新时代要求人才具有较强的实践能力和创新意识，CDIO 教育模式[2]旨在培养学生的工程创新能力，强调扎实的基础和完成项目的综合能力，这与当前创新时代下建设 “金课”的两性一度不谋而合，同时CDIO 的能力大纲[3]也回答“培养什么人”的问题，CDIO 的12条标准[4]则细化了“如何培养人”这一重大课题。

在建设某一门具体课程时，CDIO并没有给出具体的能力要求，也没有给出CDIO能力目标的落实的具体方法，所以关键就是教学设计者如何根据教学的需要来制定符合相应课程的CDIO能力培养目标及其贯彻方法。工业过程控制工程是自动化专业的一门实用性很强、多学科交叉融合的综合性专业课，它主要培养学生工程概念和能力，提高实践水平。由于该课程涉及知识多、涉及范围广，对学生的知识运用造成较大困难因此，如何采用更有效的教学方法，提升本课程的教学效果是教学者目前思考的问题，为此，我们依据CDIO基本理念，从教学内容、教学方法、考核方式等方面进行教学改革探索。

1 过程控制工程本科教学中存在的问题

陇东学院本课程的教学时数为56学时，授课48学时，实验16学时，实验教学主要为课带实验。开设该课程的目的是让学生了解和掌握工业生产过程控制系统中各种工艺流程，合理选用不同的控制方案，设计符合生产需求的控制系统。

(1)该课程工程性强，理论深奥、涉及内容广，需要有坚实的自动控制、高等数学、仪器仪表和智能控制理论基础。而本课程课时有限，不可能在课堂上大量补充其他知识，这样使得教学效果不太理想；同时，对于我院学生来说，缺少工程实践机会，难以理解典型设备结构形式和工作原理、工业控制的实际工况运行和开停车的注意事项，于是就出现了教材与现时工业情况差距比较大，课本学习与生产实践拉大了距离。

(2)传统的教学模式以教师为中心，以教材为中心，以课堂为中心，教师在课堂上灌输知识，学生被动地接受知识，比如过程控制中涉及各种结构的控制系统的设计、分析、参数整定等问题，对于这些问题主要通过教师在课堂上作图、计算来讲解。在课堂教学中学生参与的机会少，充当配角，尽管教师花费大量的时间和精力，但从学生反应来看，仍然觉得教学内容抽象、难以理解，效率极低。

(3) 实践教学是培养学生动手能力、提高学生创新能力的重要途径，但以往实验内容由于受实验室条件和实验设备的限制，主要是一些基本的验证性和演示性实验，实验课仅仅以辅助形式出现。虽然过程控制在实验项目设置上比较完善，但是它的优点也使实验变得死板，难以开展设计型实验，学生在装置台只能看到仪表的面板，但仪表内部器件的长相，原理，连线不清楚，所以按照实验装置提供的实验项目和实验步骤进行，难以二次开发。

(4)评价体系不足，考核方式单一，忽视过程性评价，教学的目的是学以致用，单纯的考试流于形式，并未能全面地评价学生的能力。传统的评价通常采用教师授课、课程结束之后进行考试的形式，这就造成教师和学校对学生的评价几乎全部来自于考试成绩。

2 过程控制CDIO 教学改革过程

2.1 CDIO模式下课程大纲的改革

过程控制课程大纲的改革，主要遵循CDIO思想，课程设计建立在对人才培养目标综合分析的基础之上，在培养目标中区分了知识与能力。针对主要教学环节，设置“工程实践背景”下为实现 CDIO 所必需的分解预期学习效果，以及建议采用的教学策略、对应的教学内容以及如何实现; 实验设计中增加了综合性实验的比重，采用循序渐进的教学策略，从由教师完成构思( C) 和虚拟运作( O) ，逐渐引导学生构思( C) 、设计( D) 、实现( I) 和运作( O) 系统。大纲中同时增设了开放性实验环节，旨在鼓励和引导学生在 CDIO 总体要求下，进行深入地团队合作、沟通交流。

2.2 改革课程内容体系，优化知识内容

采取问卷调查和访谈的方式对学生的学习特征与企业需求进行调查和分析，结合学生的学习特点以及本专业最新技术、一线工程案例和企业真正需求，组织教学内容、进行教学设计。在过程控制教学过程中安排适量学时邀请企业工程技术人员或者工程技术项目的教授为学生讲解工业上过程控制系统的应用；同时学期中安排学生到企业至少见习一次，深入企业一线了解知识的应用，让学生了解新的过程控制技术，拓宽学生的工程视野。

在教学内容上不局限于教材内容，根据最新的技术和信息可及时更新调整教学内容，对 重复内容进行优化处理。在教学内容安排上，测量与变送装置部分，由于很多内容在先修课程检测技术课程已经讲过，过程控制课程主要讲解过程控制系统中常用测量变送装置的选型及其在工程应用中的注意事项；对于执行器部分，淡化调节阀机械结构的讲解，主要讲解调节阀结构特性、流量特性以及在过程控制系统中如何选择具有合适流量特性、合适气开、气关形式和合适口径的调节阀；对于控制器部分，淡化PID理论的讲解，重点讲解PID控制规律在过程控制系统中的使用方法及应用场合。

在“知识”和“能力”教学策略方面，对于基本概念、基本理论部分，主要采用基于问题的学习，“能力”部分，以“工程实践”的背景，主要采用基于项目的学习，引导学生进行主动探索、多学科融合、专业技能推理、人际交往等多方面的尝试，培养学生CDIO素养。

2.3 CDIO 模式下教学方法的改革

从人才培养目标到教学设计，到教学方法，再到教学评价等各个方面都要依据构思、设计、实现、运行展开，CDIO把整个教育模式串成了一个整体。作为 CDIO 模式重要的方法论，主动学习的定义到目前并没有统一的定论。现有的教学成果提供了众多实用的技术，包括:暂停程序、回放练习、演示、思考对分享、小纸条、概念地图、决策活动、案例学习等[5]。在改革中根据教学内容的需要，充分借鉴上述技巧，综合使用了“项目教学”和“案例教学”的方法。

2.3.1 项目教学

CDIO的一体化课程计划(标准3)和一体化学习经验(标准8)强调了它的“一体化”思想。在进行项目式教学时要遵循这一思想设计项目，首先为配合项目式教学，在专业课内容中融入和渗透工程元素，适当介绍工程规范和行业标准。其次分清先后顺序，教学实施时以与专业主体最近的二级项目(课程设计)为核心，向上要为专业一级(毕业设计)主线提供可靠的支撑，向下要将将几个三级项目从内容的相关性等方面连接起来。最后项目内容也需要在每次循环中更新完善，教师要做好情境的创设，这样才能实现完整的一体化专业项目式教学体系。

在教学中必须给学生一个自我认知、自己调试的机会，使学生对系统有清晰、明确的认识，设计并实现一个控制系统，这样学生经历了从工况分析、系统设计到调试的完整过程。①为一步一步深入工程应用领域，对工程实用设备需要进行拆卸、测绘与安装，使学生对各种典型泵的结构原理、制造检修都了然于胸。②对于五大工业参数流量、温度、压力、液位测量的传感器外观功能，连接方法，检测点的选择。③自动调节阀流量特性选择、连接和使用。在项目实施过程中，各项工作要靠小组3个成员去努力完成，教师只是讨论的引导者和参与者，考核时要注重学生发现问题、提出问题、简化问题并最终解决问题的能力，以及主动性学习、实践性学习、综合性学习的效果。

2.3.2 案例式教学

案例的选择要遵循真实性、典型性、系统性和难易适度原则，一般可以从教师科研项目和教学实践中筛选典型工程案例，案例筛选之后，需要精心设计每个案例。下面以锅炉汽包液位控制为例说明案例教学在该课程中的设计和实施，在该案例实施的前一周，教师先将案例下发每个学生，学生仔细阅读案例，查阅资料，初步形成关于案例中的问题的原因分析和解决方案。比如学生以组为单位分析影响汽包水位的主要因素，构建仿真锅炉汽包液位控制系统，选择操纵变量、被控变量和干扰变量，最后整定控制器PID参数，测试、分析控制效果以及单回路控制系统的优缺点。在此过程中，教师要对学生提出的方案进行分析、修正，结合案例教学过程中发现的问题，及时完善和更新案例。

2.3.3 利用学校的网络教学平台进行辅助教学

利用数字化资源教学平台开展线上线下混合教学。学生愿意选择这种线上线下混合式教学的原因有：①在线课程课随时随地地学习，便捷高效；②在线课程课一反复学习，弥补差距；③至少一般时间不用上课，可自由掌控。线上学生们可以在规定时间段的任意时刻和场所反复或快进观看教学资料，有效解决了由于学时短造成的内容短缺以及学生基础参差不齐的问题；另外在线上教师可以根据自己的教学思路、教学理念，选择不同的课程活动或在课程活动中加入自己的活动主题。在教学过程中，以教材每章的内容为面，以知识树为线，以知识点为教学重点，以学生为主角构建一个系统的混合教学过程。

2.4 评价体系的重构

通过CDIO模式，希望能将学生的能力培养渗透到教学的全过程，学生通过学中做、做中学获取知识与能力，所以课程考核采用以学生能力为中心的项目式的考核方式、笔试成绩和平时成绩相结合的方式，设计多维度、多层次的评价考核方法，让考核起到促教的作用。笔试主要为期末的理论知识考核，平时成绩内容包括学生课堂表现、平时作业完成情况，项目式的考核评价从项目设计报告、中间节点报告、中间节点任务完成状态、设计成果加上在团队设计中的表现为准。平时成绩、项目成绩、期末考试成绩各占总分数的20%、40%、40%，具体课程考核评价标准如表1所示。

表1 课程考核评价标准

3 结语

将 CDIO基本理与我院的过程控制课程特点相结合，充分调动了学生的积极性，培养了学生的团队合作精神，提高了学生的工程实践能力；对我们教师而言，采用CDIO教学模式进行教学改革，虽然需花费了更多时间和精力，但是积累了丰富经验，教师的综合教学能力得到了提升，教学水平大幅度提高。