基于OBE-CDIO 理念的过程装备与控制工程专业综合实验改革与实践

唐 宇，王宏祥，李金华，黄海龙

(辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001)

过程装备与控制工程专业（以下简称“过控”专业）是由原化工设备与机械专业发展演变而来，是一个典型的学科交叉融合的专业[1]，涵盖的学科实践应用性强。在“中国制造2025”国家战略驱动下，国内的装备制造业得到了突飞猛进的发展，对毕业生的工程实践能力和专业综合素质也提出了更高的要求[2]。

目前，我国高等教育对OBE、CDIO 等教育理念已经由最初的理解滞后阶段逐渐发展成为当下的广泛应用的理论。OBE（Outcome Based Education）教育理念是以学生为中心，以成果为导向的教育模式[3-4]，而 CDIO（Conceive Design Implement Operate）教育理念是让学生参与到产品的构思、设计、实施和运行的全部过程[5]。OBE 和CDIO 两种教育理念的精髓，实际上是强调学生的主体性，以产品的研发为导向，教师辅助学生完成产品的设计制造到调试验收的过程。

一、专业综合实验教学改革的必要性

辽宁工业大学（以下简称我校）的“过控”专业经过了近三十年的发展历程，先后被评为辽宁省综合改革试点专业。该专业以培养应用型高级工程技术人才为目标，注重对学生工程实践能力的培养。而很多高校专业仍未打破传统的教学模式，将实验环节视为鸡肋，学生在实验过程中往往都是走马观花，对整个实验的内容和要点掌握不牢，导致学生的实践能力和创新能力不强。因此，在实验教学中要积极引入OBE-CDIO 的教育思想，打破传统的实验教学理念，高度重视学生在实验教学中的主体地位，使学生真正融入实验过程中。

专业综合实验是我校“过控”专业的一门专业实践课，开设于第7 学期，课程整合了过程设备设计、流体机械及过程装备控制技术等专业核心课程的学科知识。但受传统实验教学理念的影响，在旧的实验教学体系中，该课程仅将几门专业核心课程中的实验内容进行拼凑重组，开设出共16 学时的实验项目，且实验项目多为验证性实验，实验内容也较为陈旧，无法与企业实际情况相挂钩，学生在实验过程中大多依靠实验指导书或是教师的讲解机械地完成操作，严重削弱了学生的自主学习性。此外，在实验的考核过程中缺乏合理的考核评价体系，部分学生在实验过程中存在偷懒或出工不出力的情况，而指导教师也容易以偏概全，凭着对学生的印象给分，从而造成实验成绩分布不合理的现象。因此，将OBE 和CDIO 的教学理念融入新的实验教学体系中，以专业人才培养目标为导向，在专业综合实验的课堂上让学生充分发挥自身的能动性和创造性；教师则引导学生独立地完成实验方案的构思（Conceive）、实验步骤的设计（Design）、实验内容的实施（Implement）直至实验过程的运作（Operate），能够形成以实验教学促进理论教学的新局面，实现学生的工程实践能力和专业知识结构的全面协调发展[6]，从而为专业人才培养目标的实现奠定坚实的基础。

二、基于OBE-CDIO 理念的实验改革

我校“过控”专业教研室与实验室的专业教师积极探讨对策，认真研究解读国内外围绕OBE 和CDIO 教学模式的教改案例，结合本专业的人才培养目标，对专业综合实验课程的教学内容、教学模式、教学方法及手段、考核评价体系等环节进行了有效的综合改革，并利用虚拟仿真技术开发设计了过程装备与控制虚拟仿真实验系统，实现了一个多元化、可网络资源共享的实验教学平台，有效地提高了专业综合实验的教学成果。

（一）实验内容及仪器设备的更新

我校“过控”专业的骨干教师通过对省内外同类院校的调研，在OBE和CDIO教学模式下修订了新的实验教学体系，强化了学生工程实践能力的培养，将原验证性实验进行删减或调整。

将专业综合实验的16学时调整为24学时，由原有的8个实验项目调为7个，如表1所示。

表1 实验项目内容

综合性、设计性、创新性的学时比例由原先37.5%提升至100%，所有实验项目均采用近三年新购置的实验设备开出。新设备不仅丰富了实验内容，保证了实验项目的开出率，同时新设备大都配备PLC 模块及可拆卸的零部件，学生能够按照CDIO 理念的构思、设计、实施和运行四个过程，利用实验设备的扩展模块对实验内容进行新的改进或开发，设计出更多的“三性”实验。

（二）教学模式的有效转变

传统的实验教学模式多数以教师为实验的主体地位，实验的操作环节更是由教师亲力亲为，学生则在实验过程中以看听为主，实验过程显得单调，不利于学生掌握整个实验项目的核心内容，而且对后续的专业知识学习的引导作用不够强。

基于OBE-CDIO理念的实验教学模式，则是融合了两种教育理念的核心思想，在实验教学过程中采用“学生为主教师为辅”的模式[7]。学生根据教师布置的任务和要求，在课前查阅相关资料，并按照CDIO理念完成实验方案的构思、实验步骤的设计、实验内容的实施以及实验过程的运作。教师对学生提出的方案合理性及实施过程的可行性要把好关，并在学生出现违规操作时及时纠正，而学生作为“主角”便可在实验过程中大显身手，按照既定的方案和步骤独立地去完成实验，并获得较为可靠准确的实验数据。在实验过程中如果遇到棘手问题，学生也可与教师协商对策找出问题的原因，并重新探讨方案整定步骤以获取实验的成功。基于OBE-CDIO理念的实验教学模式不仅提高了学生分析和解决问题的能力，同时也激发了学生的实验兴趣和学习的主动性。

（三）教学方法及手段的不断提升

在OBE-CDIO的教育模式下，教师积极使用启发式、翻转课堂、线上线下等教学方法[8]，引导学生从问题出发，注重学生思考和想象能力的发展，充分利用微课、慕课、多媒体等网络资源平台，使学生通过线上资源获取素材并展开自学、讨论、构思、设计等环节。在教学手段上，将原有的多媒体和网络资源融入普及度较广的线上教学软件中。例如，教师可将制作好的课件或视频上传至钉钉、学习通等线上软件，使学生能够掌握更多的实验相关信息，对所要开展的实验内容在学习和设计等方面做到有的放矢。尤其在一些贵重设备的使用及注意事项上，以视频或图像的方式替代纸质说明书的介绍，使学生能够又快又好地掌握实验设备，从而有效地提高了学习效率及实验成功率。此外，教师可利用虚拟仿真、数字孪生、人工智能等技术打造出体验式、交换式等多元化的教学手段[9]，使学生在实验过程中体验到更加生动、更加便捷、更加安全的实验氛围和实验环境。

（四）考核评价体系的持续改进

根据OBE 教育模式的工程认证标准，专业修订了该课程的教学大纲，明确了专业综合实验的考核内容及评价依据。根据该门课程的课程目标，实验成绩由课前预习（占10%）、现场实操（占40%）、课堂互动（占10%）、实验数据的准确性（占15%）和实验报告的撰写（占25%）五部分组成。其中，课前预习部分，学生不再是机械地抄写实验指导书，而是通过线上的学习软件来完成，使学生直观清晰地掌握实验的要点和注意事项。

此外，在学习软件上还可完成签到、回答问题、交流讨论等环节，软件后台会根据教师设置的答案标准给予分值，有效提高了实验开展的进程；现场实操环节主要考核学生对仪器设备掌握的熟练程度以及实验完成的独立程度；而课堂互动环节则是侧重于师生之间关于实验方案的可行性和操作流程的合理性的交流；实验数据的准确性则取决于学生对仪器设备的合理使用和记录读取数据的规范性，后续的实验数据的处理分析应具有一定的结论性，并能在实验报告中以曲线或表格的形式清晰体现；最后实验报告的撰写应体现出实验内容的完整性，撰写报告的内容包括实验方案的设计与论证、实验步骤的制定与实施、实验数据的处理与分析及实验结论[10]。

在该考核评价体系中，明确了实验过程中各个环节的考核评价标准，使得考核结果更加公正合理。通过对上述考核环节的持续改进，该门课程的教学质量有了较大幅度的提升。

三、虚拟仿真实验教学平台的建设与实践

鉴于实验操作的复杂性和实验介质的危险性，同时考虑实验设备和实验耗材的成本，结合OBE和CDIO的工程教育理念，我们在专业综合实验课程的教学中加大了虚拟仿真技术的投入，创建了过程装备与控制虚拟仿真实验系统。该虚拟仿真实验系统以实际生产操作为背景，结合过程装备中的反应釜、锅炉、离心泵等典型装置，模拟了上述典型装置在生产工艺中的操作流程和实时监控过程。该仿真系统包括水处理过程监控、余热炉生产过程监控、反应釜生产过程监控三个工艺仿真模块[11]，如图1所示，各仿真模块均具有实时监控、数据一览、故障报警、历史曲线等功能。

图1 过程装备与控制虚拟仿真实验的组成

在OBE-CDIO 理念下创建的过程装备虚拟仿真实验平台，利用仿真软件在计算机上构建了虚拟的生产装置和操作空间。

同样，本着以学生为中心的原则，学生通过该仿真系统以“操作员”的主体身份，按照各工艺流程和控制任务模拟典型过程装备装置实际的生产操作和工程环境，并能进行生产过程的分析优化、单元设备改进等工作。

该虚拟仿真平台的应用有效地解决了实验场地受限、实验安全风险、实验耗材成本等问题，扩大了实验教学的受益面，为我校综合性、设计性和创新性实验平台的建设提供了支撑。

四、结束语

结合工程教育专业认证工作，我校“过控”专业紧紧围绕OBE 和CDIO 的教学模式，建立了以学生工程实践能力和创新能力培养为核心的实验教学体系，在专业综合实验的教学改革中，打破传统教学方式，更新教学内容，提供多元化的教学方法及手段，建立了较为完善的考核评价体系。实践结果表明，在基于OBE-CDIO 模式的实验教学过程中，学生的主体地位得到彰显，并呈现出较强的学习主动性和参与热情，学生的工程实践能力和专业综合素质也同时得到了全方位的提升。专业综合实验教学改革的初步成功为本专业其他课程的教学改革提供了有力的参考依据，对本专业应用型高级工程技术人才的培养目标的实现起到了重要的支撑作用。