基于CDIO理念的过程控制仪表及系统课程教学改革与实践*

杜青青，丁 炜，侯志伟，李海霞

(兰州石化职业技术大学，电子电气工程学院，甘肃 兰州 730060)

随着生产过程自动化技术的发展，仪表及系统的智能化、集约化不断提高，对学生的设计创新及应用能力提出了更高的要求[1-2]。工业自动化仪表专业的发展，需要紧紧围绕“中国制造2025”部署，紧密结合区域和行业经济发展的内在需求，以主动服务于地方经济和社会发展需求为导向，培养学生具备扎实的工业生产过程检测与控制方面的基础知识，具有在工业企业多种岗位从事自动化仪表及过程综合控制系统的安装、调试、运行、维护能力。

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate，即构思-设计-实现-运行)理念作为工程教育发展的新方向[3-5]，以“项目”教学为驱动，建立职业能力培养的课程教学标准，改革教学方法和手段，融“教、学、训、赛”为一体，提高学生学习积极性与主动性，提高学生对知识与技能的掌握程度。工业仪表是化工行业赖以生存的眼睛，控制系统是工业生产装备的灵魂和核心。过程控制仪表及系统是学校工业自动化仪表技术专业的核心课程，共72学时，3.5学分，开设在第四学期。课程主要介绍过程控制系统的基础知识、检测变送仪表、控制仪表、简单及复杂控制系统的设计和分析。将教学内容与岗位任务紧密结合，强化学生实践动手能力的培养。将企业真实项目分解并融入课程教学的不同环节，学生在大量的实岗实操训练中，培养学生工程实践综合能力，提升岗位适应能力[6]。

1 教学现状分析

过程控制仪表及系统是基于化工自动化控制仪表作业技能要求开设的一门针对岗位能力培养的技能型理实一体化课程，包括控制系统的组成和分类、控制系统的质量指标、系统的数学模型、检测仪表、控制仪表、控制系统方案分析、系统设计等内容。经过总结及调查，该课程的实际教学中主要有以下三方面的问题：

1)知识点琐碎，未形成系统化。课程内容多、知识点琐碎且抽象难理解，教学内容没有形成逻辑关系，与岗位工作任务没有紧密结合，教师以理论讲解及原理性验证为主，学生听、 教师讲为主要教学手段，学生在短时间内难以理解并掌握[7]。

2)教授知识与岗位任务分离脱节。传统教学重点不突出，知识掌握局限于理论层面，控制领域的自动化发展。随着大量新理念、新技术的涌现，对新装备、新实践要求越来越高，而传统教学与生产实际相互脱节，学生走向工作岗位后工作任务不明确，教学改革迫在眉睫。

3)难以激发学生学习积极性。大多数教师主要采用讲授法，学生被动吸收，课堂参与度不够，重视理论考核，评价体系不够完善，考核方式过于单一，理论知识枯燥难理解，学生学习缺乏主动性和积极性。

2 过程控制仪表及系统课程教学改革与实践

我校工业自动化仪表技术专业的生源主要来自于普高、三校生及扩招生。其中，普高及三校生理论基础相对扩招生较扎实。教学实验和实践类项目在任务深度和知识广度上进行拔高，对于知识基础参差不齐的扩招生源，进一步合理设置分层目标，扩充企业案例，调整基础内容课时，加大实训练习的力度。结合学生学情分析，引入CDIO理念，以胜任岗位能力为基本目标，反向进行教学目标的优化[8-10]。

2.1 教学构思

通过对机械制造、石油化工行业需求进行调研，根据工作流程，梳理出对应的职业类别以及职业岗位群。针对岗位群的调查分析，与化工行业专家、企业技术骨干、一线人员及资深教师共同进行工作任务与职业能力分析，确定工业自动化仪表专业技术人员主要在机械制造、化工生产等企业，从事自动化控制仪表校验与维护、过程控制系统运行及维护等工作。

针对岗位群的调查分析，确定了岗位能力之一是能熟练使用电工仪表与工具对现场自动化设备进行安装、调试与投运。其工作任务之一是从事化工仪表维护、检修、校验、安装、调试和投入运行。根据以上岗位能力、工作任务，结合教学标准、专业标准和职业标准，确定课程基本教学任务单元[11-12]。以任务2液位控制仪表的调校(4课时)为例，岗位-课程-标准三者之间的对应关系如图1所示。

图1 岗位-课程-标准关系图

2.2 教学设计

依据化工自动化控制仪表作业工、过程控制系统维护工职业能力要求，围绕实际岗位工作任务，对教学内容进行优化重组，将传统内容多、知识难、重点不突出的授课方式，按照控制系统的基本逻辑“检测-控制-系统”，结合从简单到复杂、从单一到综合的认知规律，先常规仪表后控制系统来组织教学过程。

过程控制仪表及系统课程的知识目标主要是了解常用测量仪表和控制仪表的基本工作原理、主要特点及使用方法；掌握化工生产自动控制系统组成、分类及基本工作原理；了解被控对象的特性，定性理解控制规律，基本掌握控制器参数对系统控制质量的影响；掌握控制系统手自动无扰动切换工作原理。能力目标主要是熟悉掌握化工现场安全操作技术，作业现场安全隐患排除，作业现场应急处置；使学生掌握常用控制仪表的安装、接线、调校和维护技能。了解常用测量仪表选用原则和安装要求，掌握检测仪表使用和调校方法；具有测量主要工艺参数(温度，压力，流量及液位)和使用仪表的能力；具有根据工艺要求，正确选用和使用常见测量仪表和校验仪表的能力；具有根据工艺的需要讨论和提出合理的自动化方案的能力；具有为自控设计正确提供有关的工艺条件和数据的能力；能进行自动控制系统的开车投运及停车，能够对控制系统运行中常见的问题进行诊断及故障排查。素质目标主要是具有良好的职业道德、科学态度和创新意识；具有良好的协调能力、表达能力和团队合作精神；具有获取一定信息的能力；了解生产相关的法律、法规及规章制度；具有敬业爱岗、富有责任心的优良思想品质；能按照生产安全操作规程规范操作；养成良好的职业安全习惯。

根据课程教学目标重构后的教学组织如图2所示。

（1）构建完善的维修保养制度。在施工中应对现有机械设备进行合理调度，挖掘机械设备潜力，尽可能提高利用率，增大维修与保养管理力度，保证随坏随修，杜绝带病和带伤作业，同时根据施工的实际情况，充分利用间隙的时间保养机械设备，及时发现与解决潜在的问题，使机械设备处于正常运行状态。

图2 教学内容重构图

以项目四双容水箱的液位检测及控制为例进行介绍。

首先依托某石油化工企业大检修期间仪表的故障维护及后期开车投运项目，以典型化工单元双容水箱控制案例为载体组织教学内容，教学内容设计成一条教学主线(液位的检测及控制)，四个阶段任务(液位检测仪表安装校验、液位控制仪表安装校验、液位控制系统开车投运、液位控制系统故障维护)，通过教学训一体的模式组织教学实施过程。

在理解工作原理基础上，以教学内容重构图项目四中任务2为例，按照“结构认知-仪表安装-联合调校-总结评价”四个阶段，逐步掌握气动薄膜控制阀与电气阀门定位器的安装和调校方法、技能，解决教学重难点。教学设计构思如图3所示。

图3 教学设计框图

2.3 教学实施

在课程的教学实施过程中，以企业项目任务为主线，以真实企业情境开展教学。教学实施过程中模拟实际岗位，采用角色分工，引导学生在做中学，在学中做[13]，引导学生发自内心的热爱这个职业，坚守用心、上心、尽心的精神，提高学生的岗位胜任能力。

本文以项目四中任务2过程控制仪表的调校为例进行教学实施和运行的详细阐述。教学实施过程如图4所示。

图4 教学实施过程

1)课前准备

课前教师以控制仪表的故障维护项目为案例，创设情境。通过云平台发布预习任务，学生观看微课视频，了解要“做什么”，同时完成课前测试，教师采集学情数据，优化教学设计。

讲结构：控制阀是由很多细小的零部件组成的仪表，教学团队借助Solidworks三维建模，构建“虚拟仪表”，能真实再现其内部结构。优化了枯燥的教学过程，突破了控制阀结构组成这一教学重点。

仿真训：引入控制阀在化工现场安装不当，投入生产时发生泄露的安全事故案例。引导学生明确安装质量关系到控制系统的操作性能、控制品质、安全性，激发学生敬畏之心。通过虚拟平台反复练习阀的安装，克服了初学者不敢装、不会装的胆怯心理，减少了阀芯、阀杆等的磨损，节省了实训成本，攻克了控制阀与阀门定位器的规范组装这一教学难点。

竞技训：采用小组PK，企业专家根据PK过程进行点评，成绩优异者树立为“榜样之星”，通过教师示范，引导学生规范操作，使学生学会“怎么做”，深化学生的学习效果。 培养学生一丝不苟，精益求精的工匠精神。

综合评：课前，线上控制阀原理测试及微课学习情况通过云平台进行评价；课中，控制阀虚拟安装及竞技PK环节，开展学生自评、生生互评，结合企业导师点评得出教师总评；课后，拓展模块由培训导师评价。构建了全过程有评测的考核模式。

2.4 教学运行

全方位全过程评价体系如图5所示。实行课前自主学习、课中技能考评与课后技能竞赛及社会服务全过程评价。以任务4-液位控制系统投运为例，重点考核学生双容水箱液位控制系统规范开车投运操作的能力：课前依托云班课平台采集学习进度、学习时长、课前测试等模块数据自动生成平台评价分数；课中利用半实物仿真装置进行虚拟冷态开车，平台根据操作步骤、工艺指标及安全指标三维度自动评分，依托CS2000装置进行实际系统开车投运操作，严格按照企业规范、实操安规等对学生进行量化评价。

图5 全方位全过程评价体系

3 实践教学改革效果

以兰州石化职业技术大学2021级工业自动化仪表技术专业班作为试点，基于CDIO理念的教学改革探索取得显著的教学效果。

1)以岗位能力为目标，以企业任务为驱动，以CDIO理念为引领，学生学习兴趣和效率明显提升。

以任务4-液位控制系统投运为例，分析控制系统的开车投运操作中的常见问题考核数据，统计其均分由任务初的72.4到任务终的89.3提升了16.9%。半实物控制仿真实训平台所有任务的机评成绩，显示规范操作正确率大于97%的学生人数占有82%。部分考核成绩如图6所示。

图6 任务4考核成绩评价截图

2) 教学内容与岗位任务紧密结合，技能教学目标全面提高。

将企业真实项目分解并融入课程教学的不同环节，学生在大量的实岗实操训练中，控制系统调试维护技能提升效果显著。分析每次的实践操作规范评分表，得出6个小组违规次数逐渐减少，直至完全规范。

依托本项目选拔的学生在2021年8月份参加全国西门子杯流程行业自动化赛项获国家级特等奖 1项，二等奖1项，省级一等奖 3 项，二等奖6项。基于CDIO理念的指导下，教师团队深度挖掘教学目标，整合教学内容，设计教学过程，获得全国职业院校教学能力比赛二等奖。

3) 全方位、全过程参与课程评价，推动教学目标高效达成。

基于CDIO理念对课程内容进行重新整合，以企业项目任务为主线，以真实企业情境开展教学，采用分组实操练习，开展组内、组间互评；仿真实训报告、实操报告由实训教师评价、课后拓展模块由竞赛培训导师评价；全过程的考核评价方式营造出你追我赶，奋勇争先的竞赛氛围，促使学生自发、自觉、自主的进行专业的研究和探索，教师分析学生的评价数据后及时调整教学策略、改进教学方法。助力教学进入一个良性循环。

4 结语

为了培养能够胜任化工自动化控制仪表作业工、过程控制系统维护工岗位能力的技术人才，基于CIBO理念对过程控制仪表及系统课程内容反向进行设计，以项目化教学为指导，以企业实际任务为主线，以多元化教学资源为支撑，优化教学目标，重构教学内容，通过理实结合、角色扮演、分组练习等方式突破教学重难点，通过技能比拼展示，引导学生重视规范操作、从而使学生实现了实操练习中夯实理论基础，再对原理融会贯通的基础上指导如何规范操作。全方位全过程的考核评价体系，激发了学生学习的积极性，营造了竞争的学习氛围，借鉴CDIO理念形成构思、设计、实现、运行，评价的闭环教学新范式，供其他专业课程老师借鉴使用。