1. 引言
随着新工科建设的深入推进和工程教育专业认证的广泛开展，培养具备解决复杂工程问题能力的高素质专业人才已成为高等学校工程教育的核心目标[1] [2]。成果导向教育(Outcome-Based Education, OBE)作为工程教育专业认证的核心理念之一，强调以学生为中心，以学生的学习成果(产出)为导向，反向设计课程体系与教学活动，并持续改进，其对工程教育质量的提升作用已得到业界的广泛认同，各高校都在积极谋划和扎实推进工程教育专业认证工作，全面提升专业建设水平[3] [4]。
在自动化领域，OBE理念的实践应用已形成多种创新模式。北方民族大学自动化专业通过“反向设计”思路，以企业数字化生产线为出发点重构实习内容，有效解决了传统实习中内容单一、与实践脱节的问题[5]。这一实践为本研究构建《过程控制系统》课程设计综合教学体系提供了重要参考。
在课程层面，《自动化仪表与过程控制》课程通过引入项目式、探究式及小组合作式教学，有效培养了学生的自主学习能力与工程实践能力[6] [7]。这与本研究在《过程控制系统》课程设计中采用的项目驱动方法高度契合。此外，《自动控制原理》课程基于OBE理念的重构实践，通过以实际项目为导向优化教学内容，显著提升了学生解决复杂工程问题的能力[8] [9]。
国内外研究表明，项目驱动式学习在工程教育中具有显著优势。有学者提出的混合项目式学习方法，通过分阶段执行控制系统的开发项目，促进了理论与实践的结合[10]。华南理工大学在《过程控制工程》课程中引入多学科交叉项目，则进一步培养了学生的系统设计能力和创新精神，这为本文构建综合教学体系提供了重要参考[11]。
《过程控制系统》课程设计作为自动化类专业的重要实践教学环节，具有较强的理论性、综合性与实践性。传统的课程设计教学模式往往存在“重知识、轻能力”“重理论、轻实践”的倾向，教学内容与行业前沿技术发展存在一定脱节，考核评价方式较为单一，难以有效支撑对学生解决复杂工程问题能力、系统设计能力及创新思维的综合培养与客观评价[12]。因此，基于OBE理念对该课程设计进行教学改革探索与实践，重构其教学目标、教学内容与评价体系，对于整体提升课程设计教学质量与自动化专业类学生综合能力大有裨益[13]。
本研究以OBE理念为指导，对《过程控制系统》课程设计进行了系统性的教学改革探索与实践。课程设计以五项明确的核心能力目标为引领，构建了“资料查阅–方案设计–硬件设计–软件仿真–报告展示”一体化的专业实践课教学体系。教学改革依托工业级分布式控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)实践平台，采用项目驱动式教学法，按照课题组仔细筛选的40套以上典型工业过程控制系统设计任务书进行课程设计，旨在强化学生的工程实践能力，并采用课程设计目标达成情况评价报告作为核心考核依据，建立了一套可衡量、可评价的持续改进机制。本文主要是通过阐述该《过程控制系统》课程设计教学改革的总体设计、实施过程、取得成果及持续改进方向，为自动化类专业课程设计的教学改革提供具体的方法论指导和实践案例，为同类课程践行基于OBE理念的工程教育认证提供参考。此外，本研究提出的工业平台深度融合策略与思政教育融入方法，也为新工科背景下专业课程的改革与创新提供了有益借鉴。
2. 《过程控制系统》课程设计的教学要求
2.1. 基于OBE理念的课程设计教学目标
《过程控制系统》课程设计的先修课程主要包括《单片机原理及接口技术》《电气控制与PLC技术》《控制系统建模与仿真》《过程控制系统》和《集散控制系统》等，通过两周时间《过程控制系统》课程设计的实践，使学生的能力培养达成以下五个教学目标点[14] [15]：
(1) 目标1：能够运用自动化专业知识，设计满足工业生产过程需求的系统技术方案及硬件配置。
(2) 目标2：能够运用MATLAB软件或实验设备对过程控制系统进行仿真或实验模拟，控制过程的响应曲线，验证方案的适用性。
(3) 目标3：能够查阅相关技术资料，遇到问题能够与团队成员沟通，解决工业生产过程技术难题。
(4) 目标4：能够依据设计要求撰写课程设计报告，能够将其设计成果向教师和同学进行展示，并进行过程控制相关技术问题的沟通和交流。
(5) 目标5：设计工业生产过程中考虑满足要求的控制系统硬件和软件的经济性及合理性。
此外，在“资料查阅–方案设计–硬件设计–软件仿真–报告展示”等教学全过程中，有机融入课程思政元素：通过在资料查阅中引入我国自动化领域重大成就，引导学生树立科技报国之志；在方案设计与硬件选型中强调工程伦理与社会责任，培养学生的道德意识和规范意识；在软件仿真与系统调试中突出严谨求实、精益求精的工匠精神；在成本预算和系统设计中融入经济性与可持续发展理念；最终通过报告展示和答辩，强化职业素养，全面提升学生服务国家战略需求与社会发展的使命感和综合能力。
2.2. 课程设计对应毕业要求的指标点
按照OBE理念制定的《过程控制系统》课程设计目标1~5，旨在满足自动化专业本科生的毕业要求，具体包括以下五个指标点：
(1) 指标点3.3：能够在设计环节中考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素，并评价解决方案的可行性。
(2) 指标点5.3：能够运用技术、资源和工具对自动化工程问题进行预测和模拟，理解其局限性。
(3) 指标点9.2：能够在多学科背景下承担负责人的角色，针对自动化工程复杂问题做好分工、组织、协调、领导等工作，把控和解决技术难题，完成设计任务。
(4) 指标点10.1：能够就自动化领域相关的复杂工程问题，通过撰写报告、陈述发言等形式与业界同行进行有效沟通和交流。
(5) 指标点11.2：能在工程实践中运用所掌握的项目管理与方法。
2.3. 课程设计的主要内容及要求
基于上述教学目标与毕业要求，本课程设计着重引导学生综合运用自动化专业知识，完成一套工业生产过程控制系统的方案设计、仿真验证与成果展示。在设计过程中，融入了科技报国、工程伦理、经济性与可持续发展等思政元素，确保技术方案的合理性、安全性与社会责任。现将课程设计的主要内容与任务要求阐述如下：
(1) 查阅相关文献资料，确定课程设计题目的技术方案。(支撑教学目标1)
(2) 设计控制系统方框图、工艺节点图，进行硬件器件及设备的选型、设计(主要包括DCS/PLC控制器、传感器、变送器及执行器等)、参数整定。(支撑教学目标1)
(3) 过程控制系统PID控制律的选择及软件设计，包括控制程序流程图的绘制及具体程序编写。(支撑教学目标1)
(4) 仿真/实验设计，获取并分析系统运行曲线，或进行控制系统MATLAB仿真建模及分析。(支撑教学目标2)
(5) 根据课程设计任务要求，积极与指导教师及团队成员进行有效沟通，正确解决技术和规范的相关问题，按时按量完成相关设计内容。(支撑教学目标3)
(6) 按照模板要求，撰写课程设计说明书(论文)。(支撑教学目标4)
(7) 编制课程设计涉及的硬件及软件成本预算。(支撑教学目标5)
(8) 进行课程设计内容的展示(答辩、计算机操作演示)与技术交流。(支撑教学目标4)
3. 课程设计任务的实施
课程设计的实施过程以OBE理念为核心，贯穿“资料查阅–方案设计–硬件设计–软件仿真–报告展示”全流程，注重理论与实践紧密融合、能力与素养协同发展，下面以“炼油厂余热发电过程控制系统设计”为例，说明课程设计的具体实施过程。
3.1. 任务布置、资料查阅、方案设计
此部分主要包括任务布置、资料查阅和方案设计等，时间为2天。
(1) 任务布置
教师发布“炼油厂余热发电过程控制系统设计”任务书，要求学生基于DCS/PLC平台，完成一套可实现稳定、高效余热回收发电的过程控制系统整体结构框架设计、控制方案设计、硬件设计以及监控画面设计等。系统需实现对余热锅炉、汽轮发电机组及辅机系统的自动监测与控制，重点包括以下关键参数：余热蒸汽量：205~255 t/h，温度：450℃ ± 5℃，压力：3.82 ± 0.05 MPa；汽轮机额定出力：10 MW；发电机额定功率：12 MW，额定电压：10.5 kV；轴瓦温度：0℃~600℃；线圈温度：0℃~100℃。
系统应具备高可靠性(可用率 > 99.5%)和实时响应能力(控制周期 ≤ 500 ms)，集成PID调节、串级控制、顺序逻辑、报警联锁和趋势记录等功能。学生需完成控制站硬件配置、操作站HMI界面设计和控制程序开发，最终提交结构完整、符合规范的设计说明书(论文)。
(2) 资料查阅
学生需系统性地开展资料查阅工作，为“炼油厂余热发电过程控制系统设计”奠定坚实的技术与理论基础。重点围绕以下几个方面进行：首先，应深入研究炼油厂余热发电的工艺流程，包括余热锅炉的热力特性、汽轮机发电机组的工作机制、除氧器及凝汽系统的运行要求，明确系统对主蒸汽压力、温度、汽包水位(三冲量控制)、烟气参数和机组协调控制等方面的具体指标；其次，要结合DCS/PLC产品手册，掌握控制系统的硬件配置、组态方法及典型控制策略(如PID调节、串级控制、顺序控制和安全联锁)的应用场景；同时，还需参考《火力发电厂热工控制系统设计规范》《锅炉与压力容器安全技术监察规程》等行业标准与规范，确保设计过程符合安全性、可靠性和经济性要求。此外，通过检索知网等学术数据库、产品手册及典型工程案例，学生应对当前余热发电系统中的自动化解决方案和先进控制方法形成较全面的认识，从而能够从技术可行性、经济性及合规性等多维度出发，完成控制方案的比较、论证与初步设计，培养规范严谨的工程习惯和独立解决复杂工程问题的能力。
(3) 方案设计
在充分进行资料查阅与技术分析的基础上，学生需完成“炼油厂余热发电过程控制系统设计”的总体方案设计。该阶段要求从系统架构、控制策略、硬件配置及软件功能四个层面进行综合性设计：
1) 系统架构设计。应明确采用DCS/PLC作为核心控制平台，并设计包括现场控制层、过程监控层和生产调度层在内的三级系统结构，明确各层级之间的网络通信方式与数据流走向。
2) 控制方案设计。需针对余热锅炉设计汽包水位三冲量控制方案，针对主蒸汽系统设计压力–流量串级控制方案，针对汽轮发电机组设计转速控制与负荷分配逻辑，并涵盖除氧器压力与水位控制、凝汽器真空度调节等子系统控制方案。所有控制策略需具备设定值跟踪、无扰切换和抗积分饱和等功能。
3) 方案可靠性、实时性及可扩展性设计。方案应符合国家与行业相关设计规范，并通过功能框图、系统网络拓扑图、控制逻辑图等形式进行清晰表达，为后续的详细设计、系统实现与测试验收提供依据。
3.2. 系统各部分功能分析及硬件设计
学生需根据系统架构、控制策略和硬件配置等进行系统各部分功能分析，并完成控制系统硬件选型及设计，此部分时间为3天。
(1) 系统各部分功能分析
1) 数据采集与处理。实时采集温度、压力、流量、液位等工艺参数，并进行滤波、量程转换和越限判断。
2) 模拟量控制。实现汽包水位(三冲量)、主蒸汽压力与温度、除氧器压力及水位、凝汽器真空等关键参数的闭环调节。
3) 顺序控制与逻辑判断。完成锅炉给水泵、循环水泵、油系统等辅机设备的启停联锁及故障保护。
4) 安全联锁与保护。设计紧急停机系统，对汽轮机超速、轴向位移过大、轴承温度超限等危险工况实施快速保护。
5) 人机交互与监控。提供工艺流程显示、参数设置、报警管理、趋势查询及报表生成等功能。
6) 系统通信与集成。支持Modbus/TCP、PROFIBUS-DP等标准协议，实现与硬件系统的数据交互。
(2) 硬件选型及设计
根据控制系统功能分析及系统可靠性要求，应完成控制站、操作站及网络设备的选型与冗余配置，明确温度、压力、流量、液位等检测仪表的选型要求与量程范围，并设计满足安全完整性等级要求的联锁保护系统，包括紧急停车系统和关键设备故障处理逻辑。
1) 控制器选择。选用具备高可靠性及冗余功能的DCS控制器(如浙大中控或和利时系列)，或大型PLC (如西门子S7-1500R/H)，支持多回路调节和高速顺序控制。
2) I/O模块选择。模拟量I/O模块：模拟量输入(AI)，选用8通道热电偶/RTD模块(用于温度测量)及4~20 mA模拟量输入模块；模拟量输出(AO) 4~20 mA模块，用于控制调节阀及变频器；数字量输入/输出(DI/DO)模块：用于电机、阀门状态及启停控制。
3) 检测仪表选择：
压力变送器：选用高精度智能变送器(如Rosemount 3051)，量程覆盖−100 kPa~6 MPa；
温度传感器：K型热电偶(0℃~600℃)及Pt100热电阻(0℃~200℃)；
流量检测：节流式流量计或涡街流量计，配套差压变送器；
液位测量：差压式液位变送器或雷达液位计。
4) 执行机构：
调节阀：配备智能电气阀门定位器，支持HART通信；
变频器：用于风机、泵类设备的调速控制。
5) 人机界面：采用工业级触摸屏(如西门子精智系列)或工控机搭配SCADA软件(如组态王、iFix)。
6) 网络设备：配置工业以太网交换机及网关设备，构建冗余环网。
所选硬件需满足防爆、防腐及工业环境适应性要求，并具备良好的可扩展性与维护性。
3.3. 系统软件分析与设计
本阶段基于已确定的DCS/PLC硬件平台，开展控制系统的软件设计与开发工作，重点实现工艺流程的自动控制、运行监视与安全保护，此部分时间为2天。软件设计主要包括以下四个核心方面：
(1) 控制策略组态
基于IEC 61131-3标准，采用功能块图(FBD)、梯形图(LD)和结构化文本(ST)等多种编程语言进行控制逻辑组态。主要实现包括：
1) 模拟量控制回路：如汽包水位三冲量控制、主蒸汽温度和压力的PID控制、除氧器压力调节等，所有PID算法均具备设定值动态跟踪、无扰切换和抗积分饱和功能。
2) 顺序控制系统(SCS)：用于锅炉上水系统、汽机疏水系统、发电机并网等流程的自动顺序启停。
3) 调节系统与保护系统协同：实现正常调节、连锁保护和紧急跳闸的逻辑耦合与优先级管理。
4) 对于DCS/PLC硬件系统，利用厂商提供的专用控制算法模块库(如和利时、浙大中控、四门子等)，实现包括单回路PID控制、串级控制、三冲量控制等控制策略设计。
(2) 人机界面设计
基于DCS/PLC系统，利用如SUPCON AdvanTrol或WinCC等设计高效、可靠的操作员站监控系统，内容包括：
1) 系统总貌与分级画面。包括工艺流程图、设备控制分组画面、趋势曲线、报警一览等，支持逐级钻取操作。
2) 操作与调试界面。提供重要参数设置、手/自动切换、设备强制及模拟操作功能，并设有权限分级管理。
3) 报警管理与事件记录。实现多级报警(轻故障、重故障、跳闸)的声光提示、实时列表显示和历史追溯，关键事件记录具备事件顺序记录功能，时间分辨率不大于1 ms。
(3) 数据管理
构建实时/历史数据平台，实现全系统数据集成与共享：
1) 实时数据库：用于存储系统采集的实时数据、设备状态及操作信息，数据刷新周期可配置。
2) 历史数据库：支持长时间趋势存储、生产报表统计及运行效率分析，可按时间、事件等多种条件进行检索。
3) 通信接口：支持OPC UA、Modbus、TCP/IP、PROFIBUS-DP等标准协议，实现控制系统及与第三方智能设备的无缝数据集成。
(4) 系统连锁保护
设计完备的安全保护机制，确保系统在异常工况下仍能安全运行或有序停机：
1) 联锁逻辑：包括重要辅机设备(如给水泵、循环水泵、引风机等)的启停联锁、运行互备及故障切换。
2) 冗余与容错：控制站、网络及重要I/O模块均支持冗余配置，软件层面实现故障自动检测与无扰切换。
通过以上四个方面的系统化软件设计，可以较好地构建一个功能完整、响应迅速、安全可靠的余热发电过程控制系统，为系统投运后的稳定、高效和经济运行提供核心保障。
3.4. 系统仿真/实验设计
本阶段通过仿真/实验设计，对基于DCS/PLC等的过程控制系统进行功能测试或性能分析，研究所设计的控制方案及策略在程序设计中的可靠性、稳定性和控制性能，为工作以后从事控制系统的设计、运维等打好坚实基础，此部分时间为1天。
(1) DCS控制仿真
若系统设计基于DCS平台，则在DCS平台(如SUPCON AdvanTrol软件)中构建完整的仿真测试环境。在工程师站完成系统组态，包括控制策略配置(采用功能块图FBD实现PID控制、顺控图SFC实现启停流程)、数据库定义及操作画面开发。操作站实现工艺流程动态监控、参数显示、趋势曲线查询及报警浏览。通过仿真软件或硬件接口模拟现场I/O信号，测试上位机监控功能及人机交互性能。重点验证报警管理分级机制与连锁保护逻辑(如汽包水位低低联锁停炉、主蒸汽压力高高跳机等)，并可以进一步检查事件顺序记录分辨率及系统冗余切换性能，确保控制功能与安全保护达到设计要求。
(2) PLC控制仿真
若系统设计基于PLC平台，则在PLC平台(如西门子TIA Portal软件)中开展控制系统仿真。通过仿真器(如PLCSIM)模拟PLC运行，使用梯形图(LD)和结构化文本(ST)完成控制程序编写与调试，包括电机启停、阀门控制、泵组顺序启停等逻辑。上位机监控通过SCADA系统(如WinCC软件)组态操作界面，实现设备状态显示、参数设置、故障报警及历史数据存储。全面测试报警条件触发与连锁动作准确性(如水泵故障自动切换备用设备)，并验证PLC程序扫描周期、通信响应实时性及远程I/O性能，保障系统可靠性与工程适用性。
(3) MATLAB仿真分析
除了DCS/PLC控制系统仿真外，可以利用MATLAB/Simulink搭建余热发电过程的动态数学模型，包括锅炉汽水系统、汽轮机及热力循环子系统。针对汽包水位(三冲量控制)、主蒸汽温度及压力等核心回路，分别仿真传统PID控制、串级PID控制及三冲量控制等策略，对比分析其跟踪性能、抗干扰能力和鲁棒性。通过阶跃响应曲线获取控制系统特性指标(如超调量、上升时间、调节时间及稳态误差)，优化PID控制器参数。进一步进行频域分析(如伯德图、奈奎斯特曲线)评估系统稳定性，为实际控制策略选择与参数整定提供理论依据和数据支撑。
通过以上系统化的仿真/实验设计，可较好地验证控制系统的功能特性和性能指标，培养学生系统测试和性能优化的工程实践能力。
3.5. 撰写、打印设计说明书(论文)
课程设计说明书(论文)是项目成果的集中体现，需系统反映设计全过程与技术细节，此部分时间为1天。说明书(论文)的撰写应严格遵循以下要求：
(1) 内容结构与撰写要求
说明书字数不少于4000字，应包括以下内容：明确课题题目(如“炼油厂余热发电过程控制系统设计”)；阐述系统主要功能(如数据采集、自动控制、安全联锁等)；列出核心性能指标(如控制精度、响应时间、可靠性要求)；说明控制要求。
(2) 设计方案论证
绘制控制系统原理框图(如DCS/PLC系统结构图、工艺节点图，使用专业软件绘图(如CAD、Visio)等，保证清晰度和准确性)；分析工作原理，对比不同技术路线(如DCS与PLC方案优劣比较)；说明设计思路及关键技术选型依据。
(3) 硬件系统设计
详细描述控制器、I/O模块、传感器、执行器等硬件选型；提供硬件配置清单、I/O地址分配表及电气连接图；说明选型依据(如精度、环境适应性、成本等因素)，并完成关键参数计算(如控制阀流量系数、PID参数整定值)；论证器件选择合理性(如传感器量程、执行机构规格)。
(4) 软件程序设计
阐述控制策略(如PID算法、顺控逻辑、联锁保护)；提供程序流程图、功能块图或关键代码段；进行HMI界面设计(如画面布局、报警管理、趋势功能)。
(5) 仿真/实验设计
详细说明仿真平台搭建方法(如DCS/PLC仿真环境、MATLAB/Simulink)；阐述实验方案设计，包括测试用例、测试步骤和预期结果；提供参数整定过程和方法(如PID参数整定的具体步骤和结果)；分析仿真/实验结果，包括系统响应曲线、性能指标等。
(6) 项目预算及总结
制定项目预算，归纳设计成果与创新点；分析存在的问题(如仿真与实际的偏差、成本约束等)；提出改进建议与未来优化方向。
(7) 参考文献
按GB/T 7714标准规范列写，至少包含15篇文献，涵盖教材、技术手册、行业标准及学术论文。其中，图书类不能超过5个，其余为期刊；文献年限原则上不超过10年，基本上应为近3~5年的参考文献，按照格式排版；不允许引用单页的参考文献。
3.6. 课程设计验收及答辩
课程设计总成绩按优、良、中、及格、不及格五级评定，此部分时间为1天。以下为成绩评分标准：
(1) 平时环节考核(平时成绩包括学生出勤情况、设计态度、平时各阶段设计质量以及分析问题、解决问题的能力)占20%。其中，优：全勤，阶段任务完成质量高，解决问题能力突出；良：缺勤不超过1次，阶段任务完成较好，能独立解决一般问题；中：缺勤不超过2次，基本完成阶段任务，在教师指导下能解决问题；及格：缺勤不超过3次，勉强完成阶段任务，需要较多指导；不及格：缺勤超过3次，阶段任务完成差，缺乏解决问题能力。
(2) 说明书(论文)质量考核(包括系统方案是否合理，工艺节点图等是否正确，各种仪表设计、选型是否正确、合理，设计任务完成情况、论文格式排版、项目预算等)占60%。其中，优：方案创新性强，图纸完全规范，选型精确，超额完成任务，文档优秀；良：方案合理，图纸基本规范，选型正确，全面完成任务，文档良好；中：方案基本可行，图纸有个别错误，选型基本合理，主要任务完成，文档达标；及格：方案存在缺陷，图纸有较多错误，选型有偏差，基本任务完成，文档基本合格；不及格：方案不可行，图纸严重错误，选型错误，任务未完成，文档不合格。
(3) 设计展示环节考核(包括自述、答辩、软件演示)占20%。其中，优：自述及答辩表现优秀，软件操作熟练，仿真结果完美验证设计；良：自述及答辩表现良好，软件操作较熟练，仿真结果较好；中：自述及答辩表现一般，软件操作基本掌握，仿真结果基本正确；及格：自述及答辩表现较差，软件操作生疏，仿真结果存在偏差；不及格：无法完成自述及答辩，软件操作不熟练，仿真结果错误。
4. 课程设计目标达成情况及评价
课程设计考核成绩总分为100分，由三部分组成：平时环节100分(以20分记入总成绩，权重20%)，其中资料查阅、方案设计占25%，控制器及模块选择占40%，传感器及执行器选择占20%，控制方法占15%；说明书(论文)质量100分(以60分记入总成绩，权重60%)，其中方案设计和软硬件设计占50%，仿真/实验设计占15%，论文完整性/规范性占25%，项目预算占10%；设计展示环节100分(以20分记入总成绩，权重20%)，其中自述及答辩占80%，仿真/实验演示占20%。据此可以得到该课程设计目标达成情况的直接定量评价如表1所示。
Table 1. Direct quantitative evaluation of curriculum design objectives achievement
表1. 课程设计目标达成情况直接定量评价
评价方法 |
直接定量评价 |
评价样本数 |
82 |
课程目标 |
平时环节 |
说明书(论文)质量 |
答辩环节 |
课程目标达成度 |
目标1 |
|
0.79 |
|
0.79 |
目标2 |
|
0.78 |
|
0.78 |
目标3 |
0.78 |
|
|
0.78 |
目标4 |
|
0.78/权重0.4 |
0.79/权重0.6 |
0.79 |
目标5 |
|
0.78 |
|
0.78 |
表1中，教学目标1的达成通过说明书(论文)质量中的技术方案、硬件选型及软件设计进行综合考评，占此部分分数的50%，要求学生按照课程任务书设计相关技术方案、硬件选型及软件进行评价。教学目标2的达成通过说明书(论文)质量中的仿真/实验设计进行考评，占此部分分数的15%，要求学生建模及仿真或通过实验设备获得运行曲线，依据仿真曲线或实验运行曲线分析方案适用性。教学目标3的达成通过在平时环节的完成情况进行综合考评，要求学生能够针对课程设计任务内容进行分析与设计，并按照设计进度计划安排按时按量完成相关设计内容，同时在设计过程中，能够积极与指导教师及团队相关成员进行有效沟通，以保证设计内容的正确性。依据课程设计期间的设计态度、设计方法、进度计划完成情况、有效沟通及团队合作情况进行评价。教学目标4的达成通过说明书(论文)质量中的报告完整及规范性(占此部分分数的25%)和设计展示环节进行加权综合考评，要求学生撰写详实的课程设计说明书(论文)并在答辩中回答出相关技术问题，依据课程设计论文的完整性、规范性及答辩的回答情况进行综合评价。教学目标5的达成通过说明书(论文)质量中项目预算进行考评，要求学生根据设计的内容选择器件并进行项目预算，依据器件选型的情况及相关预算费用的合理性进行评价，占此部分分数的10%。
由表1可知，课程目标1的达成度为0.79，反映了学生在技术方案制定、硬件选型与软件设计方面的综合表现。通过对考核材料的深度分析发现，学生在基础理论应用方面(技术方案)表现良可，但在工程实践能力上存在明显不足：硬件选型不规范，暴露出对器件成本、可用性等实际约束考虑不周；软件控制方法设计尚可，但多集中于基础功能实现，在算法优化和异常处理方面较为薄弱。值得注意的是，定量评价与教师观察存在一定差异——尽管软件设计分数高于硬件选型，但答辩环节显示学生对系统可靠性与抗干扰能力等深层次问题理解不足。为此，建议从三方面改进：一是引入全生命周期成本分析要求，强化工程经济意识；二是增加设计迭代环节，培养学生对系统高级控制方法的重视；三是完善评价标准，将算法创新性和异常处理能力纳入软件设计的重要考核指标。这些改进将有助于弥合理论与实践的差距，提升学生的工程系统设计能力。
课程目标2的达成度为0.78，反映了学生在构建仿真模型/设计实验及结果分析方面的综合表现。通过对82份课程设计说明书的深度分析发现，学生在基础仿真建模方面表现尚可，但在实验设计的科学性和结果分析的深度上存在明显不足：大多数学生能够建立与实际系统特性相符的仿真模型，但也有少部分学生的实验方案缺乏严格的变量控制和对比分析，且个别学生仅停留在表面现象描述，未能深入挖掘数据/结果背后的机理规律。这种差距揭示了当前考核偏重技术实现而忽视批判性思维的局限。为此，建议从三个方面进行改进：一是在仿真环节增加模型深入分析要求，强调学生通过数据分析模型的准确性；二是在实验设计中引入科学实验方法训练，提升实验方案的设计质量；三是加强结果分析的深度要求，将机理分析、误差讨论和创新发现作为重要评分依据。
课程目标3的达成度为0.78，反映了学生在项目执行和团队协作方面基本达标但仍需提升。分析显示，学生在基础任务完成方面表现较好，但在进度管理和深度沟通方面存在明显不足。尽管设计正确性得分率良好，但过程质量参差不齐，有个别学生在截止前匆忙完成，主动发起技术讨论的学生比例不足，反映出时间管理和主动协作意识的欠缺。这一矛盾凸显出现行考核偏重结果而忽视过程的局限性，建议从以下三方面改进：引入新方法管理强化进度管控，建立过程考核机制记录阶段性成果，通过结构化沟通模板提升协作质量，有效增强学生的工程实践素养和团队协作能力。
课程目标4的达成度为0.79，反映了学生在技术文档撰写与答辩展示方面的能力。分析显示，学生在报告规范性方面表现较好，但在答辩环节的深度回答方面存在不足。具体而言，虽然大多数学生能完成结构完整的报告，但仅78%能清晰阐述创新点；约22%的学生对拓展性问题回答不够深入，显示出书面表达优于口头表达的普遍现象。建议从三个方面改进：一是增加预答辩环节的训练，提升学生的表达与应变能力；二是在评分标准中强化创新性阐述和深度分析的权重；三是建立典型答辩案例库，帮助学生理解不同层次回答的质量差异。通过这些措施，全面提升学生的技术总结与专业表达能力。
课程目标5的达成度为0.78，反映了学生在项目预算与成本控制方面的基本能力。分析显示，学生在器件选型的技术指标考量方面表现尚可，但在预算编制的全面性与经济性分析方面存在明显不足。多数学生能够完成基础预算编制，但多数未考虑设备维护与运行成本，亦缺少选型时的性价比分析。这种偏技术轻经济的倾向，暴露出工程经济思维培养的略显不足。建议通过引入全生命周期成本分析方法、建立器件选型的经济性评价标准、加强市场调研训练等措施，提升学生的工程经济意识与成本控制能力。
课程设计目标达成情况的间接定量评价如表2所示，其各项达成度均为1，表明已全部达成。其中，调查问卷包括五个方面，调查项目1：能够依据任务要求，设计技术方案工艺节点图及结构图并描述系统的工作过程；调查项目2：能够针对所设计的过程控制系统进行仿真研究或实验研究，并得出一定的结论；调查项目3：能够依据任务要求，具备查阅相关技术资料、沟通及解决问题的能力；调查项目4：能够依据满足任务要求的设计成果，撰写内容详实、完整的设计论文及答辩；调查项目5：能够列出完成系统设计所需的元器件和硬件设备，并进行项目预算。
将课程设计直接定量评价和间接定量评价进行加权，可以得到该课程设计目标达成情况的综合定量评价，如表3所示。可见，课程设计目标1~5的最终达成度为0.80~0.81，课程设计各目标的总体达成情况良好。
课程设计目标与毕业要求指标点的支撑关系如表4所示。基于OBE理念，通过分析课程设计目标的
Table 2. Indirect quantitative evaluation of curriculum design objectives achievement
表2. 课程设计目标达成情况间接定量评价
课程目标 |
调查项目 |
权重 |
各档的评价度样本百分数 |
调查项目 达成度 |
课程目标 达成度 |
优秀 |
良好 |
中等 |
及格 |
目标1 |
调查项目1 |
1 |
43.9% |
47.6% |
7.3% |
1.2% |
1 |
1 |
目标2 |
调查项目2 |
1 |
43.9% |
42.7% |
11.0% |
2.4% |
1 |
1 |
目标3 |
调查项目3 |
1 |
48.8% |
41.5% |
8.5% |
1.2% |
1 |
1 |
目标4 |
调查项目4 |
1 |
45.2% |
45.1% |
7.3% |
2.4% |
1 |
1 |
目标5 |
调查项目5 |
1 |
46.4% |
45.1% |
7.3% |
1.2% |
1 |
1 |
Table 3. Comprehensive quantitative evaluation of curriculum design objectives achievement
表3. 课程设计目标达成情况综合定量评价
课程目标 |
直接定量评价 |
间接定量评价 |
目标1 |
达成度 |
权重 |
达成度 |
权重 |
0.79 |
0.9 |
1 |
0.1 |
总达成度：0.81 |
目标2 |
达成度 |
权重 |
达成度 |
权重 |
0.78 |
0.9 |
1 |
0.1 |
总达成度：0.80 |
目标3 |
达成度 |
权重 |
达成度 |
权重 |
0.78 |
0.9 |
1 |
0.1 |
总达成度：0.80 |
目标4 |
达成度 |
权重 |
达成度 |
权重 |
0.79 |
0.9 |
1 |
0.1 |
总达成度：0.81 |
目标5 |
达成度 |
权重 |
达成度 |
权重 |
0.78 |
0.9 |
1 |
0.1 |
总达成度：0.80 |
Table 4. Contribution of curriculum design objectives to the attainment of graduation indicator points
表4. 课程设计目标支撑毕业指标点的达成度
课程目标 |
课程目标达成情况 |
支撑毕业要求指标点情况 |
达成度 |
权重 |
指标点 |
达成度 |
目标1 |
0.81 |
0.3 |
指标点3.3 |
0.243 |
目标2 |
0.80 |
0.2 |
指标点5.3 |
0.160 |
目标3 |
0.80 |
0.2 |
指标点9.2 |
0.160 |
目标4 |
0.81 |
0.2 |
指标点10.1 |
0.162 |
目标5 |
0.80 |
0.2 |
指标点11.2 |
0.160 |
实际达成情况及其对毕业要求指标点的支撑效果，可对课程设计内容进行反向设计与持续改进。具体而言，需系统评估现有课程设计在知识整合、能力培养和价值塑造方面的实际成效，识别薄弱环节与差距，动态调整设计任务、实践内容和评价方式，例如增强复杂工程问题训练、融入多学科协作任务、强化经济与社会因素分析等，使课程设计更好契合毕业要求，形成“设计–评价–反馈–改进”闭环，持续提升课程质量与学生综合素养。
5. 结语
基于OBE理念的《过程控制系统》课程设计教学改革，通过构建“资料查阅–方案设计–硬件设计–软件仿真–报告展示”的全流程实践体系，将价值塑造、能力培养与知识传授深度融合。实践表明，该课程设计的教学目标1~5的综合达成度为0.80~0.81，有效提升了学生的工程实践能力、系统思维与创新意识，强化了其职业素养与社会责任感。
在实践过程中，也发现了一些亟待改进的问题：在资料查阅阶段，部分学生存在文献筛选能力不足、对行业标准理解不够深入的问题；在方案设计环节，一些设计方案过于理想化，与实际工程应用的契合度有待提高；在硬件设计方面，学生普遍对器件选型的经济性和可用性考量不足；在软件仿真阶段，部分模型与实际系统存在较大偏差，影响了仿真效果的可信度；在报告展示环节，学生撰写技术文档的逻辑性和规范性仍需加强。针对这些问题，后续改革将重点优化以下五个方面：一是加强文献检索与批判性阅读训练，引导学生深入理解技术规范；二是引入更多实际工程案例，增强设计与实践需求的结合度；三是强化硬件选型中的经济性与可靠性评估；四是完善仿真模型验证机制，提高仿真结果的可靠性；五是加强技术文档写作指导，提升学生的工程表达能力。
未来将持续优化课程设计目标与毕业要求的支撑关系，深化产教融合，加强过程性评价与反馈机制，推动课程设计内容与行业前沿技术动态适配，形成“设计–评价–反馈–改进”的闭环，为实现高水平工程技术人才培养目标提供有力支撑。
基金项目
辽宁工业大学教学改革研究项目：基于OBE理念的过程控制系统课程建设(xjg2022026)；基于OBE理念的《控制系统建模与仿真》课程教学改革探索与实践(xjg2022029)。