唐 宇，王宏祥，李金華，黃海龍

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

過程裝備與控制工程專業(yè)（以下簡稱“過控”專業(yè)）是由原化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)發(fā)展演變而來，是一個典型的學(xué)科交叉融合的專業(yè)[1]，涵蓋的學(xué)科實踐應(yīng)用性強(qiáng)。在“中國制造2025”國家戰(zhàn)略驅(qū)動下，國內(nèi)的裝備制造業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對畢業(yè)生的工程實踐能力和專業(yè)綜合素質(zhì)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(jīng)由最初的理解滯后階段逐漸發(fā)展成為當(dāng)下的廣泛應(yīng)用的理論。OBE（Outcome Based Education）教育理念是以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向的教育模式[3-4]，而 CDIO（Conceive Design Implement Operate）教育理念是讓學(xué)生參與到產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運(yùn)行的全部過程[5]。OBE 和CDIO 兩種教育理念的精髓，實際上是強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，以產(chǎn)品的研發(fā)為導(dǎo)向，教師輔助學(xué)生完成產(chǎn)品的設(shè)計制造到調(diào)試驗收的過程。

一、專業(yè)綜合實驗教學(xué)改革的必要性

遼寧工業(yè)大學(xué)（以下簡稱我校）的“過控”專業(yè)經(jīng)過了近三十年的發(fā)展歷程，先后被評為遼寧省綜合改革試點(diǎn)專業(yè)。該專業(yè)以培養(yǎng)應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才為目標(biāo)，注重對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。而很多高校專業(yè)仍未打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將實驗環(huán)節(jié)視為雞肋，學(xué)生在實驗過程中往往都是走馬觀花，對整個實驗的內(nèi)容和要點(diǎn)掌握不牢，導(dǎo)致學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力不強(qiáng)。因此，在實驗教學(xué)中要積極引入OBE-CDIO 的教育思想，打破傳統(tǒng)的實驗教學(xué)理念，高度重視學(xué)生在實驗教學(xué)中的主體地位，使學(xué)生真正融入實驗過程中。

專業(yè)綜合實驗是我?！斑^控”專業(yè)的一門專業(yè)實踐課，開設(shè)于第7 學(xué)期，課程整合了過程設(shè)備設(shè)計、流體機(jī)械及過程裝備控制技術(shù)等專業(yè)核心課程的學(xué)科知識。但受傳統(tǒng)實驗教學(xué)理念的影響，在舊的實驗教學(xué)體系中，該課程僅將幾門專業(yè)核心課程中的實驗內(nèi)容進(jìn)行拼湊重組，開設(shè)出共16 學(xué)時的實驗項目，且實驗項目多為驗證性實驗，實驗內(nèi)容也較為陳舊，無法與企業(yè)實際情況相掛鉤，學(xué)生在實驗過程中大多依靠實驗指導(dǎo)書或是教師的講解機(jī)械地完成操作，嚴(yán)重削弱了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)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(xué)生在實驗過程中存在偷懶或出工不出力的情況，而指導(dǎo)教師也容易以偏概全，憑著對學(xué)生的印象給分，從而造成實驗成績分布不合理的現(xiàn)象。因此，將OBE 和CDIO 的教學(xué)理念融入新的實驗教學(xué)體系中，以專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，在專業(yè)綜合實驗的課堂上讓學(xué)生充分發(fā)揮自身的能動性和創(chuàng)造性；教師則引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立地完成實驗方案的構(gòu)思（Conceive）、實驗步驟的設(shè)計（Design）、實驗內(nèi)容的實施（Implement）直至實驗過程的運(yùn)作（Operate），能夠形成以實驗教學(xué)促進(jìn)理論教學(xué)的新局面，實現(xiàn)學(xué)生的工程實踐能力和專業(yè)知識結(jié)構(gòu)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展[6]，從而為專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)奠定堅實的基礎(chǔ)。

二、基于OBE-CDIO 理念的實驗改革

我校“過控”專業(yè)教研室與實驗室的專業(yè)教師積極探討對策，認(rèn)真研究解讀國內(nèi)外圍繞OBE 和CDIO 教學(xué)模式的教改案例，結(jié)合本專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，對專業(yè)綜合實驗課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法及手段、考核評價體系等環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效的綜合改革，并利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)設(shè)計了過程裝備與控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了一個多元化、可網(wǎng)絡(luò)資源共享的實驗教學(xué)平臺，有效地提高了專業(yè)綜合實驗的教學(xué)成果。

（一）實驗內(nèi)容及儀器設(shè)備的更新

我?！斑^控”專業(yè)的骨干教師通過對省內(nèi)外同類院校的調(diào)研，在OBE和CDIO教學(xué)模式下修訂了新的實驗教學(xué)體系，強(qiáng)化了學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，將原驗證性實驗進(jìn)行刪減或調(diào)整。

將專業(yè)綜合實驗的16學(xué)時調(diào)整為24學(xué)時，由原有的8個實驗項目調(diào)為7個，如表1所示。

表1 實驗項目內(nèi)容

綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的學(xué)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(shè)備開出。新設(shè)備不僅豐富了實驗內(nèi)容，保證了實驗項目的開出率，同時新設(shè)備大都配備PLC 模塊及可拆卸的零部件，學(xué)生能夠按照CDIO 理念的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運(yùn)行四個過程，利用實驗設(shè)備的擴(kuò)展模塊對實驗內(nèi)容進(jìn)行新的改進(jìn)或開發(fā)，設(shè)計出更多的“三性”實驗。

（二）教學(xué)模式的有效轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式多數(shù)以教師為實驗的主體地位，實驗的操作環(huán)節(jié)更是由教師親力親為，學(xué)生則在實驗過程中以看聽為主，實驗過程顯得單調(diào)，不利于學(xué)生掌握整個實驗項目的核心內(nèi)容，而且對后續(xù)的專業(yè)知識學(xué)習(xí)的引導(dǎo)作用不夠強(qiáng)。

基于OBE-CDIO理念的實驗教學(xué)模式，則是融合了兩種教育理念的核心思想，在實驗教學(xué)過程中采用“學(xué)生為主教師為輔”的模式[7]。學(xué)生根據(jù)教師布置的任務(wù)和要求，在課前查閱相關(guān)資料，并按照CDIO理念完成實驗方案的構(gòu)思、實驗步驟的設(shè)計、實驗內(nèi)容的實施以及實驗過程的運(yùn)作。教師對學(xué)生提出的方案合理性及實施過程的可行性要把好關(guān)，并在學(xué)生出現(xiàn)違規(guī)操作時及時糾正，而學(xué)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(dú)立地去完成實驗，并獲得較為可靠準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。在實驗過程中如果遇到棘手問題，學(xué)生也可與教師協(xié)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(xué)模式不僅提高了學(xué)生分析和解決問題的能力，同時也激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)的主動性。

（三）教學(xué)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(fā)式、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下等教學(xué)方法[8]，引導(dǎo)學(xué)生從問題出發(fā)，注重學(xué)生思考和想象能力的發(fā)展，充分利用微課、慕課、多媒體等網(wǎng)絡(luò)資源平臺，使學(xué)生通過線上資源獲取素材并展開自學(xué)、討論、構(gòu)思、設(shè)計等環(huán)節(jié)。在教學(xué)手段上，將原有的多媒體和網(wǎng)絡(luò)資源融入普及度較廣的線上教學(xué)軟件中。例如，教師可將制作好的課件或視頻上傳至釘釘、學(xué)習(xí)通等線上軟件，使學(xué)生能夠掌握更多的實驗相關(guān)信息，對所要開展的實驗內(nèi)容在學(xué)習(xí)和設(shè)計等方面做到有的放矢。尤其在一些貴重設(shè)備的使用及注意事項上，以視頻或圖像的方式替代紙質(zhì)說明書的介紹，使學(xué)生能夠又快又好地掌握實驗設(shè)備，從而有效地提高了學(xué)習(xí)效率及實驗成功率。此外，教師可利用虛擬仿真、數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)打造出體驗式、交換式等多元化的教學(xué)手段[9]，使學(xué)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(huán)境。

（四）考核評價體系的持續(xù)改進(jìn)

根據(jù)OBE 教育模式的工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)修訂了該課程的教學(xué)大綱，明確了專業(yè)綜合實驗的考核內(nèi)容及評價依據(jù)。根據(jù)該門課程的課程目標(biāo)，實驗成績由課前預(yù)習(xí)（占10%）、現(xiàn)場實操（占40%）、課堂互動（占10%）、實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性（占15%）和實驗報告的撰寫（占25%）五部分組成。其中，課前預(yù)習(xí)部分，學(xué)生不再是機(jī)械地抄寫實驗指導(dǎo)書，而是通過線上的學(xué)習(xí)軟件來完成，使學(xué)生直觀清晰地掌握實驗的要點(diǎn)和注意事項。

此外，在學(xué)習(xí)軟件上還可完成簽到、回答問題、交流討論等環(huán)節(jié)，軟件后臺會根據(jù)教師設(shè)置的答案標(biāo)準(zhǔn)給予分值，有效提高了實驗開展的進(jìn)程；現(xiàn)場實操環(huán)節(jié)主要考核學(xué)生對儀器設(shè)備掌握的熟練程度以及實驗完成的獨(dú)立程度；而課堂互動環(huán)節(jié)則是側(cè)重于師生之間關(guān)于實驗方案的可行性和操作流程的合理性的交流；實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性則取決于學(xué)生對儀器設(shè)備的合理使用和記錄讀取數(shù)據(jù)的規(guī)范性，后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)的處理分析應(yīng)具有一定的結(jié)論性，并能在實驗報告中以曲線或表格的形式清晰體現(xiàn)；最后實驗報告的撰寫應(yīng)體現(xiàn)出實驗內(nèi)容的完整性，撰寫報告的內(nèi)容包括實驗方案的設(shè)計與論證、實驗步驟的制定與實施、實驗數(shù)據(jù)的處理與分析及實驗結(jié)論[10]。

在該考核評價體系中，明確了實驗過程中各個環(huán)節(jié)的考核評價標(biāo)準(zhǔn)，使得考核結(jié)果更加公正合理。通過對上述考核環(huán)節(jié)的持續(xù)改進(jìn)，該門課程的教學(xué)質(zhì)量有了較大幅度的提升。

三、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)與實踐

鑒于實驗操作的復(fù)雜性和實驗介質(zhì)的危險性，同時考慮實驗設(shè)備和實驗耗材的成本，結(jié)合OBE和CDIO的工程教育理念，我們在專業(yè)綜合實驗課程的教學(xué)中加大了虛擬仿真技術(shù)的投入，創(chuàng)建了過程裝備與控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該虛擬仿真實驗系統(tǒng)以實際生產(chǎn)操作為背景，結(jié)合過程裝備中的反應(yīng)釜、鍋爐、離心泵等典型裝置，模擬了上述典型裝置在生產(chǎn)工藝中的操作流程和實時監(jiān)控過程。該仿真系統(tǒng)包括水處理過程監(jiān)控、余熱爐生產(chǎn)過程監(jiān)控、反應(yīng)釜生產(chǎn)過程監(jiān)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(jiān)控、數(shù)據(jù)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(chuàng)建的過程裝備虛擬仿真實驗平臺，利用仿真軟件在計算機(jī)上構(gòu)建了虛擬的生產(chǎn)裝置和操作空間。

同樣，本著以學(xué)生為中心的原則，學(xué)生通過該仿真系統(tǒng)以“操作員”的主體身份，按照各工藝流程和控制任務(wù)模擬典型過程裝備裝置實際的生產(chǎn)操作和工程環(huán)境，并能進(jìn)行生產(chǎn)過程的分析優(yōu)化、單元設(shè)備改進(jìn)等工作。

該虛擬仿真平臺的應(yīng)用有效地解決了實驗場地受限、實驗安全風(fēng)險、實驗耗材成本等問題，擴(kuò)大了實驗教學(xué)的受益面，為我校綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗平臺的建設(shè)提供了支撐。

四、結(jié)束語

結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，我校“過控”專業(yè)緊緊圍繞OBE 和CDIO 的教學(xué)模式，建立了以學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的實驗教學(xué)體系，在專業(yè)綜合實驗的教學(xué)改革中，打破傳統(tǒng)教學(xué)方式，更新教學(xué)內(nèi)容，提供多元化的教學(xué)方法及手段，建立了較為完善的考核評價體系。實踐結(jié)果表明，在基于OBE-CDIO 模式的實驗教學(xué)過程中，學(xué)生的主體地位得到彰顯，并呈現(xiàn)出較強(qiáng)的學(xué)習(xí)主動性和參與熱情，學(xué)生的工程實踐能力和專業(yè)綜合素質(zhì)也同時得到了全方位的提升。專業(yè)綜合實驗教學(xué)改革的初步成功為本專業(yè)其他課程的教學(xué)改革提供了有力的參考依據(jù)，對本專業(yè)應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)起到了重要的支撐作用。