成果导向的过程控制与自动化仪表课程教学设计

成果导向的过程控制与自动化仪表课程教学设计

成果导向教育（Outcome Based Education，简称OBE）是以“教学成果”为导向，在激发学生学习意愿的基础上，更重视学生自主学习能力的提升；在学习过程中不仅仅关注学生知识的量化增长，而重视学生取得成果的历程；课程的教学设计强调围绕职业范围、专业设置、学习任务展开，加强学生适应社会和未来的综合能力。

“过程控制与自动化仪表”课程是自动化专业的重要专业课，其主要任务是以自动检测技术、自动控制理论、计算机控制技术和自动化仪表为基础，运用控制技术并结合过程机理以及硬件和软件知识，进行控制系统的分析与工程设计。该课程具有实践性强和工程背景强等特点，同时在教学过程中存在概念强、内容多、理论复杂等特点，近年来围绕“过程控制与自动化仪表”教学改革提出了一些有效的方法[2-4]。针对国际专业认证的要求和卓越工程师培养目标，提出基于成果导向的“过程控制与自动化仪表”课程改革。课程评价的重点是学生学习“成果”，并遵循反向设计原则，不断对教学内容进行优化；在教学方法上借助网络平台、信息化手段、团队学习等多元化手段进行改革；增加多元化考核方式，通过多种手段对学习“成果”进行检验。

1 明确成果内涵

为深入了解成果导向教育，应首先明确成果内涵，Richard认为成果指特定情境中完成任务的能力。成果导向教育模式，重视学生取得成果的历程和在此历程中所掌握的技能体现。从这个角度来讲，成果更强调在激发学习意识和学生学习意愿的基础上，提升自主学习的能力，进而做到对学生综合教育和综合发展的新型教育模式。结合“过程控制与自动化仪表”课程的实际，将课程目标分为“知识”“技能”和“态度”3个领域。

1.1 知识领域

“知识领域”的学习结果，是指学生通过学习以后，能了解、记忆、

应用和分析相关知识，包括“过程控制与自动化仪表”的术语、基本知识点及控制系统的分析方法。具体包括概念知识，即过程控制系统组成及特点，过程控制系统分类及性能指标等基本概念知识；进一步通过比较各种控制系统的优缺点在更为广阔的结构下建立彼此关系；程序知识，即如何对被控对象进行建模的知识，包括掌握典型过程的传递函数、机理建模方法、时域响应建模方法、频域建模方法、最小二乘建模方法等；元认知知识，学习者借以调节感知、思维、记忆等内部心理过程的知识。知识领域是“核心能力”形成的重要组成，它不仅是一种重要的能力，也是进一步学习的条件。

1.2 技能领域

由于先决知识并不能直接转化为“核心能力”，所以此时技能就成为联络知识的桥梁。在以成果为导向的教育模式中，技能是运用知识和经验顺利完成某种任务的主观能力。“过程控制与自动化仪表”在技能领域方面更关注于培养学生的综合实践能力，包括方案设计能力、信息获取能力、知识总结能力、实际操作能力和创新能力等，通过综合设计、实验来提高学生对知识的综合应用能力和工程设计水平，满足用人单位的需求。

1.3 态度领域

明确的目标、踏实的态度、强烈的责任心、积极的上进心，这些更是毕业生在职场中取得进步的关键因素。因此，在“知识领域”和“技能领域”成果达成的同时提出“态度领域”的具体目标，并通过各种手段完成目标的达成度将对学生的职业发展起到更大的推动作用。

将成果导向“过程控制与自动化仪表”课程目标划分为“知识”“技能”和“态度”3个领域，有利于目标的具体化、操作化。进一步根据分解目标确定学习内容、完善学习方法、调整考核方式将有利于目标的最终实现。

2 学习内容的确定

对上述目标进行分解，并据此对教学内容进行优化。此次授课选用的教材是厉玉鸣主编，化学工业出版社出版的《化工仪表及自动化》

第5版。该教材是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，同时荣获中国石油和化学工业优秀教材奖一等奖，综合了编者多年的教学经验和多个高等院校的意见反馈，在内容和章节安排上突出了重点、分散了难点、将理论与实际紧密结合起来。该教材还配有《化工仪表及自动化例题习题集》，利于学生的自主学习和检测。针对目标达成度的要求和学时要求，需要对教学内容进行调整和精化。

2.1 理论教学内容

伴随着科学技术的迅猛发展，生产过程也日趋连续化、大型化和复杂化，对过程控制的新要求、新知识的不断涌现。因此，需要对教学内容进行优化和筛选，在保留基本知识和精髓的原则上给学生留出自主学习的空间。“过程控制与自动化仪表”课程以自动检测技术、自动控制理论、计算机控制技术和自动化仪表为基础，在了解过程机理的基础上结合软硬件知识，运用控制技术对控制系统进行分析和设计，实现对工业生产过程的自动控制。其选修课程主要包括：“电力电子技术”“电机及拖动基础”“检测技术”“自动控制原理”“电气与PLC控制”和“微机原理及接口技术”等。在教材的基础上考虑课程之间的内在关系，避免在相关课程之间出现内容大量重复，将教学内容进行优化和精简，整合为四个模块：基础知识、控制系统分析、计算机过程控制系统、典型过程控制系统分析。通过上述四个模块的学习完成知识领域的目标。（如表1）

由于现代生产过程也日趋连续化、大型化和复杂化，现代控制系统都离不开计算机和网络通讯技术，所以在讲解计算机过程控制系统模块时注重对PLC、DCS、IPC和FieldBus等计算机和通讯技术方面知识的介绍。而在典型过程控制系统分析模块中更是增加了国内外最新技术成果的介绍，如：预测控制、多变量解耦控制、推理控制等。

2.2 实践教学内容

过程控制与工程的实践教学依托浙江天煌科技实业有限公司研发的TKGK-1型过程控制实验装置以及北京华晟高科教学仪器有限公司的A3000过程控制实验系统来实施。TKGK-1型过程控制实验装置

设备是根据自动化专业及相关专业教学的特点，吸收了国外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，向广大师生推出一套全新的实验设备。它的特点在于集成了实际生产过程中进行过程控制的四大参数：温度、压力、液位、流量的检测；控制方式多样，能实现位式控制、模拟PID控制、智能仪表控制、单片机控制、PLC控制、计算机控制等；使学生对控制仪表和实际对象有一个直观认识。A3000过程控制实验系统的特点是构建了资源能够共享的工控机板卡测控系统、基于PC机的集散控制系统（PC-DCS）和现场总线控制系统。工业控制对象采用真实典型的工业器件，系统在控制柜面板上引出标准AI/AO接口，为做各类单回路控制、复杂控制以及高等控制实验提供条件。

为了增加学生综合设计能力，注重对实验室的二次开发利用，在教学中安排《基于PLC和组态王的过程控制系统》实训课程和专业认知实习。一方面使学生讲PLC、组态软件、过程控制等知识融合在一起进行综合系统的设计；另一方面组织学生到企业（如：生物发酵、化工、冶金、造纸等行业）参观实习，通过工程实际使学生体验到过程控制的强大作用和魅力。