許亞嵐， 羅雄麟

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)信息學(xué)院，北京102249)

0 引言

相對(duì)于理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)更具直觀性、綜合性和創(chuàng)新性，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此我校自動(dòng)化專業(yè)聯(lián)合化工專業(yè)共建煉油化工虛擬工廠，探索實(shí)施“虛擬教學(xué)工廠”育人模式，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系，獲得了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和較好的建設(shè)成果。

1 建設(shè)煉油化工虛擬工廠

我校調(diào)研高?，F(xiàn)有的小型冷模實(shí)訓(xùn)裝置、縮小型流程生產(chǎn)裝置、半實(shí)物仿真裝置［1，2］和石化企業(yè)使用的操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)(Operator Training Simulator，OTS)［3-5］后，融合OTS、縮小冷模物理仿真技術(shù)和半實(shí)物仿真技術(shù)，建設(shè)了新一代流程級(jí)仿真裝置——煉油化工虛擬工廠。同時(shí)，借鑒新加坡南洋理工學(xué)院的“教學(xué)工廠”辦學(xué)理念［6］，將煉油化工企業(yè)環(huán)境與我校教學(xué)科研環(huán)境融合在一起，探索“虛擬教學(xué)工廠”育人模式，實(shí)施以生產(chǎn)任務(wù)和科研項(xiàng)目為導(dǎo)向的情景式教學(xué)和研究方案，用來培養(yǎng)高水平的石油化工自動(dòng)化復(fù)合型創(chuàng)新人才。

1．1 煉油化工虛擬工廠建設(shè)內(nèi)容

煉油化工虛擬工廠耗資589萬元，由5套標(biāo)準(zhǔn)的OTS、1套OTS開發(fā)工具包和1套我校設(shè)計(jì)開發(fā)的催化裂化半實(shí)物工藝流程OTS三部分組成。我校從系統(tǒng)功能、擴(kuò)展性、石化行業(yè)市場(chǎng)率等方面考慮，選用了Honeywell公司的 OTS 方案［4，5］。催化裂化半實(shí)物工藝流程按某煉廠實(shí)際裝置8∶1比例縮小建設(shè)，不運(yùn)行實(shí)際物料，安裝檢測(cè)與調(diào)節(jié)仿真儀表，通過I/O卡件與Honeywell公司的C300控制器連接，進(jìn)入控制站服務(wù)器后再通過OPC連接OTS，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)顯示和操作。

石油化工產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)工藝各不相同，虛擬工廠建設(shè)了常減壓、連續(xù)重整、柴油加氫、加氫裂化、以及催化裂化5套典型裝置，可進(jìn)行開車、調(diào)度運(yùn)行、停車、設(shè)備故障等內(nèi)容的培訓(xùn)和研究。5套裝置在5套標(biāo)準(zhǔn)OTS上可以任意切換，同時(shí)滿足30人實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練。Honeywell的OTS主要由ePKS(Experion過程知識(shí)系統(tǒng))DCS和Unisim流程模擬平臺(tái)組成，分別是最新一代的過程自動(dòng)化系統(tǒng)和最先進(jìn)的流程模擬技術(shù)，利用該軟件還可進(jìn)行流程整合、建模和優(yōu)化、先進(jìn)控制等方面的研究［7］。另外，可以利用OTS開發(fā)工具包開發(fā)新的生產(chǎn)裝置［8］，也可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)三維虛擬現(xiàn)實(shí)展示［9］，還可以充分考慮裝置間的影響關(guān)系和單元變量間的傳遞過程，將多個(gè)裝置模型連接起來進(jìn)行全企業(yè)級(jí)的流程仿真［10］，不斷擴(kuò)展和升級(jí)虛擬工廠，保持其技術(shù)先進(jìn)性。

1．2 “虛擬教學(xué)工廠”育人模式

20世紀(jì)80年代初新加坡南洋理工學(xué)院借鑒德國(guó)“雙元制”教學(xué)模式，提出了“教學(xué)工廠”職業(yè)技術(shù)教育新模式［6］。根據(jù)其官方解釋，教學(xué)工廠是將實(shí)際的企業(yè)環(huán)境引入教學(xué)環(huán)境之中，并將兩者融合在一起;它是在現(xiàn)有的教學(xué)系統(tǒng)(包括理論課、討論課、實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目安排)基礎(chǔ)上設(shè)立的，以學(xué)院為本位，不以企業(yè)為本位;企業(yè)項(xiàng)目和研發(fā)項(xiàng)目是教學(xué)工廠不可缺少的重要組成;它使學(xué)生能將所學(xué)知識(shí)和技能應(yīng)用于跨學(xué)科、多元化的綜合科技開發(fā)和創(chuàng)新。近年來教學(xué)工廠理論傳入我國(guó)，成為職業(yè)教育研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)［11］在教學(xué)工廠模式基礎(chǔ)上，提出了通過信息技術(shù)手段將實(shí)際的企業(yè)環(huán)境引入教學(xué)環(huán)境之中，并相互融合，實(shí)施以項(xiàng)目課題為導(dǎo)向的“虛擬工廠”教學(xué)模式。借鑒以上研究成果，將煉油化工企業(yè)環(huán)境與我校教學(xué)和科研融合在一起，創(chuàng)建煉油化工虛擬教學(xué)工廠，實(shí)施以生產(chǎn)管理為導(dǎo)向的情景式實(shí)踐教學(xué)，以企業(yè)項(xiàng)目和科研項(xiàng)目為內(nèi)容的工程和科研訓(xùn)練。

(1)煉油化工虛擬教學(xué)工廠構(gòu)建和運(yùn)行。參考當(dāng)前煉油廠的組織機(jī)構(gòu)設(shè)置，按照“精簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)，扁平管理”原則，虛擬教學(xué)工廠設(shè)置生產(chǎn)部、管理部和研發(fā)部三大部門，再下設(shè)若干車間和科室，如圖1所示。研發(fā)部由相關(guān)教師和研究生組成，進(jìn)行日常研究工作;生產(chǎn)部各車間以某工況穩(wěn)定生產(chǎn)，對(duì)全校學(xué)生開放;管理部由教師和本科生組成，進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、技術(shù)支持、設(shè)備管理、安全管理等工作。虛擬教學(xué)工廠與企業(yè)保持動(dòng)態(tài)聯(lián)系，做好循環(huán)往復(fù)的5個(gè)環(huán)節(jié):市場(chǎng)調(diào)研、職業(yè)分析、生產(chǎn)任務(wù)或企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)評(píng)價(jià)。

圖1 煉油化工虛擬教學(xué)工廠組織結(jié)構(gòu)圖

(2)以生產(chǎn)管理為導(dǎo)向的情景式實(shí)踐教學(xué)。根據(jù)煉油廠生產(chǎn)管理情況和各裝置操作規(guī)程，可設(shè)計(jì)開停車、產(chǎn)品產(chǎn)量調(diào)度、工藝參數(shù)調(diào)整、設(shè)備故障等多種生產(chǎn)情景，用于實(shí)踐教學(xué)?？梢越M織學(xué)生進(jìn)行一套裝置的生產(chǎn)操作練習(xí)，增強(qiáng)專業(yè)知識(shí)和技能，也可以將各專業(yè)學(xué)生組合起來，同時(shí)進(jìn)入生產(chǎn)部和管理部的相應(yīng)崗位，進(jìn)行全廠生產(chǎn)演練。

(3)以企業(yè)項(xiàng)目和科研項(xiàng)目為內(nèi)容的工程和科研訓(xùn)練?！坝妹魈斓募夹g(shù)培養(yǎng)今天的學(xué)生為未來服務(wù)。”是新加坡南洋理工學(xué)院人才培養(yǎng)所奉行原則，也是我校研究性大學(xué)建設(shè)所倡導(dǎo)的。因此必須不斷收集企業(yè)項(xiàng)目、技術(shù)難點(diǎn)、以及學(xué)?？蒲许?xiàng)目放入研發(fā)部，引導(dǎo)本科生、研究生組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行工程和科研訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)踐能力、交流溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

2 改革教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系

實(shí)踐教學(xué)是優(yōu)化大學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和素質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效途徑，它是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有不斷優(yōu)化其體系與內(nèi)容、教學(xué)方法、考試方法等多個(gè)環(huán)節(jié)，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)整體優(yōu)化，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的全面提高［12］。調(diào)研了石油化工和自動(dòng)化領(lǐng)域未來人才的需求，采用逐層倒推法，從頂層設(shè)計(jì)培養(yǎng)方案，構(gòu)建“虛擬教學(xué)工廠”育人模式下的實(shí)踐教學(xué)體系，創(chuàng)新實(shí)習(xí)方式，使學(xué)生在知識(shí)結(jié)構(gòu)、思維方式以及工作方式上接受石油化工和自動(dòng)化兩個(gè)方向的培養(yǎng)和熏陶，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、社會(huì)適應(yīng)能力強(qiáng)的石油化工自動(dòng)化復(fù)合型創(chuàng)新人才［13］。

2．1 構(gòu)建突出創(chuàng)新和實(shí)踐的專業(yè)培養(yǎng)方案

以國(guó)內(nèi)外一流大學(xué)為參照，建立適應(yīng)研究型教學(xué)、有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)框架。強(qiáng)調(diào)人文素養(yǎng)和科學(xué)精神并重的基礎(chǔ)教育，在培養(yǎng)方案中對(duì)人文社會(huì)科學(xué)基礎(chǔ)課程、數(shù)學(xué)與自然科學(xué)基礎(chǔ)課程提出了學(xué)習(xí)要求;注重橫向拓寬專業(yè)基礎(chǔ)，加強(qiáng)學(xué)科交叉與融合，開設(shè)石油化工行業(yè)背景類選修課;開設(shè)創(chuàng)新與實(shí)踐通識(shí)講座和專業(yè)講座，強(qiáng)調(diào)將實(shí)踐與研究融入學(xué)習(xí)過程;設(shè)置以研究和工程訓(xùn)練為主的實(shí)踐課和設(shè)計(jì)課，將大學(xué)生調(diào)查研究、科技創(chuàng)新等課外科技實(shí)踐活動(dòng)列入培養(yǎng)方案。

2．2 構(gòu)建“虛擬教學(xué)工廠”模式的實(shí)踐教學(xué)體系

按照“認(rèn)知(感官)—技能(基礎(chǔ))—綜合(提高)—?jiǎng)?chuàng)新(設(shè)計(jì))—探究(學(xué)科)”的階梯層次，構(gòu)建“虛擬教學(xué)工廠”育人模式下的5層實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系［14-15］:①以參觀煉油化工虛擬工廠為主要內(nèi)容的認(rèn)知實(shí)驗(yàn);②融于相關(guān)課程以演示、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主要內(nèi)容的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);③ 以單元操作、工段操作和車間操作為主要內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn);④以企業(yè)項(xiàng)目和工程為主要內(nèi)容的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);⑤ 以科研訓(xùn)練、基于研究的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)為主要內(nèi)容的探究實(shí)驗(yàn)。將相關(guān)課程融于虛擬教學(xué)工廠，設(shè)計(jì)開發(fā)新穎的、能激發(fā)學(xué)生興趣的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生課外選做，提高工程能力;將相關(guān)科研成果融于虛擬教學(xué)工廠，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行科研訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的探究興趣和創(chuàng)新思維。

2．3 三段式生產(chǎn)實(shí)習(xí)方案

采用企業(yè)和虛擬工廠實(shí)習(xí)相結(jié)合的生產(chǎn)實(shí)習(xí)方式，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)［16］。學(xué)生先在校內(nèi)了解煉油化工企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，了解主要生產(chǎn)裝置的工藝流程、反應(yīng)機(jī)理和操作條件，以及虛擬工廠的技術(shù)原理和組織結(jié)構(gòu);然后到燕山石化接受安全教育，跟班勞動(dòng)，了解工藝流程，操作條件，熟悉常規(guī)儀表和新型儀表，了解自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成和安裝，集散控制系統(tǒng)等內(nèi)容;最后回到學(xué)校，進(jìn)行虛擬教學(xué)工廠生產(chǎn)部和管理部的各種崗位培訓(xùn)，考核合格后，進(jìn)行相應(yīng)崗位的工作情景演練。燕山石化企業(yè)實(shí)習(xí)為學(xué)生提供了真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備和先進(jìn)的管理理念，以及企業(yè)文化熏陶，虛擬教學(xué)工廠實(shí)習(xí)提供了操作員、班組長(zhǎng)、安全員、控制工程師、工藝工程師、部門主管、控制優(yōu)化高級(jí)工程師等多種工作崗位，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，可以快速學(xué)習(xí)和掌握企業(yè)所需的各種工作能力，成為社會(huì)和企事業(yè)所需的“零適應(yīng)期”石油化工自動(dòng)化復(fù)合型創(chuàng)新人才。

3 實(shí)踐效果

煉油化工虛擬工廠為學(xué)校提供了一個(gè)與實(shí)際工廠一樣的教學(xué)和科研平臺(tái)，自2011年投用以來，承擔(dān)了多門課程實(shí)踐教學(xué)任務(wù)和多項(xiàng)科研任務(wù)。虛擬工廠由計(jì)算機(jī)仿真構(gòu)建，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，不僅解決了目前化工和自動(dòng)化專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)中存在的問題，還可對(duì)中石油、中石化、中海油等企業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)。自動(dòng)化專業(yè)師生利用該平臺(tái)開展了多項(xiàng)科研工作，至今發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇。

“虛擬教學(xué)工廠”育人模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生踴躍進(jìn)入生產(chǎn)部進(jìn)行各項(xiàng)操作訓(xùn)練，積極組隊(duì)申請(qǐng)研發(fā)部擬出的科技創(chuàng)新項(xiàng)目，學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)。2012年自動(dòng)化專業(yè)各年級(jí)學(xué)生參加各項(xiàng)大賽，都取得了好成績(jī)。參加2012年西門子杯全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽，獲設(shè)計(jì)開發(fā)競(jìng)賽組全國(guó)一等獎(jiǎng)(第1名)。

實(shí)踐教學(xué)的整體優(yōu)化促進(jìn)了學(xué)生理論學(xué)習(xí)熱情，自動(dòng)化專業(yè)2012屆畢業(yè)生平均選修總課程超出5學(xué)分左右。企業(yè)和虛擬工廠相結(jié)合的三段式生產(chǎn)實(shí)習(xí)，拓展了實(shí)習(xí)教學(xué)的深度，提高了實(shí)習(xí)教學(xué)效果。自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生具有較寬的理論基礎(chǔ)、良好的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、以及入職工作“零適應(yīng)期”等特點(diǎn)，獲得了用人單位的一致好評(píng)，提升了學(xué)生的就業(yè)率。

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