劉驥翔， 張 婷， 魏 杰， 侯 虹， 蘇海佳

(北京化工大學(xué) a. 教務(wù)處; b. 巴黎居里工程師學(xué)院， 北京 100029)

0 引 言

《國家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》指出，信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，要推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[1-3]。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和高等教育信息化發(fā)展的要求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。學(xué)校立足于行業(yè)專業(yè)特色，對(duì)化工類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了積極探索和深刻變革，2012年成立了“化工產(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，并于2015年獲批為“國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和裝置相結(jié)合，通過模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，獲得直觀真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，有效地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)[6-8]。

1 意義與效果

化工類專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力要求很高，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化工類人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。我校是以工科為主的具有鮮明行業(yè)特色的院校，化工類專業(yè)基礎(chǔ)雄厚，教育教學(xué)資源豐富。學(xué)校以人才培養(yǎng)、教育改革和發(fā)展需求為導(dǎo)向，積極開展化工類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有效探索，也是提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。

1.1 有效提高了卓越工程人才培養(yǎng)質(zhì)量

2010年我國啟動(dòng)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，為我國走新型工業(yè)化道路和建設(shè)創(chuàng)新型國家服務(wù)。培養(yǎng)卓越工程人才，重點(diǎn)在培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和實(shí)踐能力。傳統(tǒng)的工程教育脫離工程實(shí)際，學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)時(shí)間短、內(nèi)容淺、參與度低，不能融入到工程實(shí)踐全過程?；ぎa(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以真實(shí)的丙烯酸甲酯生產(chǎn)工廠為背景，建設(shè)了智能仿真工廠。該智能仿真工廠采用與真實(shí)工廠相一致的設(shè)備、管路、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，以虛擬技術(shù)模擬物料，學(xué)生可以進(jìn)行與實(shí)際工廠相一致的開車、生產(chǎn)、停車、異常工況處理等操作實(shí)踐，有效培養(yǎng)和挖掘了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)。

1.2 充分順應(yīng)了化工行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著科技的不斷進(jìn)步，化工行業(yè)已經(jīng)逐步向綠色化、可持續(xù)化發(fā)展轉(zhuǎn)型[10]。當(dāng)前的化工行業(yè)既需要專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力突出的專業(yè)人才，更需要對(duì)行業(yè)發(fā)展有深刻理解、善于產(chǎn)品開發(fā)、精于運(yùn)營(yíng)管理、具有大工程觀的卓越工程人才?；ぎa(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以真實(shí)的化工企業(yè)為藍(lán)本，以虛擬仿真信息化技術(shù)為支撐，構(gòu)建面向大化工行業(yè)的化工產(chǎn)品全生命周期仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境，包含化工產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、實(shí)施、生產(chǎn)、管理、升級(jí)改造、企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理及產(chǎn)品退出市場(chǎng)的全生命周期的多環(huán)節(jié)一體化全過程。培養(yǎng)過程既注重領(lǐng)域知識(shí)和技術(shù)的完整性，又突出學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的系統(tǒng)性，努力打造適應(yīng)行業(yè)發(fā)展、符合企業(yè)要求的具有大工程觀的卓越工程人才。

1.3 基本滿足了化工類專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)要求

在化工企業(yè)中開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)面臨以下幾個(gè)困難：① 化工過程中涉及易燃、易爆、有毒及強(qiáng)腐蝕性物料，反應(yīng)通常是高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行。出于安全考慮，學(xué)生進(jìn)入企業(yè)的實(shí)踐學(xué)習(xí)主要以參觀為主，缺乏實(shí)際操作體驗(yàn)[11]；② 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)不匹配。化工企業(yè)生產(chǎn)周期性較強(qiáng)，生產(chǎn)安排不能隨意調(diào)整，導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入廠區(qū)后學(xué)習(xí)實(shí)踐的內(nèi)容與課程要求往往不一致；③ 經(jīng)費(fèi)不足[12]。隨著物價(jià)提高，學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的交通、住宿、餐飲、保險(xiǎn)費(fèi)用是很大一筆開支[13]。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，通過校企合作，在校內(nèi)建立仿真工廠，將真實(shí)的工廠搬進(jìn)校園，學(xué)生既能夠參與真實(shí)的生產(chǎn)過程，保證了學(xué)習(xí)效果，又可以節(jié)省資源，有效地解決了學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的難題[14]。

2 平臺(tái)與課程

我校立足于與高等教育信息化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以培養(yǎng)學(xué)生大工程觀和工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，在2個(gè)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和12個(gè)國家級(jí)大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地的基礎(chǔ)上，深入開展科教結(jié)合、校企合作，建設(shè)了化工產(chǎn)品全生命周期國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(以下簡(jiǎn)稱中心)。中心以化工產(chǎn)品全生命周期為主線，著力建設(shè)6個(gè)平臺(tái)，面向全校7個(gè)學(xué)院22個(gè)專業(yè)學(xué)生；開設(shè)專業(yè)實(shí)踐課程、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程和創(chuàng)新開放課程3個(gè)層次的課程體系。

2.1 1條主線

參照化工類企業(yè)運(yùn)行模式，中心以化工產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)的全生命周期為主線，構(gòu)建從產(chǎn)品創(chuàng)意、一體化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行到運(yùn)營(yíng)管理的全方位的工程實(shí)踐環(huán)境(見圖1)。以化工產(chǎn)品全生命周期為主線，將真實(shí)的企業(yè)引入教學(xué)課堂，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)與課堂零距離。學(xué)生能夠深度參與到創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，在強(qiáng)化學(xué)生理論學(xué)習(xí)效果的基礎(chǔ)上全面地培養(yǎng)學(xué)生面向化工產(chǎn)品全生命周期的工程實(shí)踐能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)施能力、生產(chǎn)操作能力、溝通能力和商務(wù)領(lǐng)導(dǎo)能力。

圖1 化工產(chǎn)品全生命周期示意圖

2.2 6個(gè)平臺(tái)

依據(jù)化工產(chǎn)品全生命周期主線，中心建設(shè)了化工安全仿真室，操作、設(shè)備實(shí)訓(xùn)室，頭腦風(fēng)暴室，設(shè)計(jì)開發(fā)室，智能仿真工廠和運(yùn)營(yíng)管理室6個(gè)平臺(tái)，6個(gè)平臺(tái)及開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖2所示。學(xué)生進(jìn)入中心后，首先進(jìn)行安全實(shí)踐教學(xué)，包括化工企業(yè)安全管理規(guī)章制度、安全分析方法、應(yīng)急疏散演練等內(nèi)容。之后進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)，在操作、設(shè)備實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行實(shí)物拆卸和組裝，熟悉設(shè)備裝配、測(cè)試等，為學(xué)生進(jìn)入設(shè)備設(shè)計(jì)和工廠操作環(huán)節(jié)了解化工廠常見設(shè)備、儀表內(nèi)部機(jī)構(gòu)和工作原理打下基礎(chǔ)?；ぐ踩抡婧筒僮髟O(shè)備實(shí)訓(xùn)室2個(gè)平臺(tái)以前期實(shí)訓(xùn)為主，是全生命周期實(shí)踐流程的基礎(chǔ)。頭腦風(fēng)暴室以產(chǎn)品創(chuàng)意訓(xùn)練為主；設(shè)計(jì)開發(fā)室主要進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、快速研發(fā)和工程設(shè)計(jì)；智能仿真工廠是由真實(shí)的設(shè)備、管路、儀表、控制系統(tǒng)和虛擬物料構(gòu)成的年產(chǎn)30萬噸的丙烯酸甲酯生產(chǎn)工廠，主要進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制和故障診斷；運(yùn)營(yíng)管理室以市場(chǎng)營(yíng)銷、物流、財(cái)務(wù)管理為主。6個(gè)平臺(tái)涵蓋了化工產(chǎn)品全生命周期的所有環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供真實(shí)、系統(tǒng)的工程體驗(yàn)。

2.3 三層次、三模塊課程體系

中心面向全校學(xué)生開放，根據(jù)不同年級(jí)實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容不同，分為專業(yè)實(shí)踐課程、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程和創(chuàng)新開放課程三個(gè)層次。專業(yè)實(shí)踐課程側(cè)重于專業(yè)課的實(shí)踐訓(xùn)練；實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程面向針對(duì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)開展；創(chuàng)新開放課程以自設(shè)題目和競(jìng)賽類題目為主。三層次課程體系貫穿本科培養(yǎng)全過程，做到實(shí)踐教學(xué)4年不斷線。根據(jù)學(xué)校的專業(yè)設(shè)置，實(shí)踐項(xiàng)目分為化學(xué)化工模塊，機(jī)電信息模塊和經(jīng)濟(jì)管理模塊?；瘜W(xué)化工模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向化工、材料、應(yīng)化、生工、制藥等專業(yè)開放；機(jī)電信息模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向機(jī)械、裝備、安全、自動(dòng)化、信息等專業(yè)；經(jīng)濟(jì)管理模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向會(huì)計(jì)、物流、國貿(mào)、工商等專業(yè)。三模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各有側(cè)重，通過模塊之間的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)關(guān)聯(lián)，滿足不同專業(yè)的教學(xué)要求。

3 特色與創(chuàng)新

3.1 完整、真實(shí)的工程體驗(yàn)

教育部指導(dǎo)文件指出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)該充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則[15]。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是一味的追求虛擬、脫離實(shí)體實(shí)驗(yàn)，而是要依托虛擬仿真技術(shù)，更好地發(fā)揮實(shí)體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能?；ぎa(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開發(fā)出的“九實(shí)一虛智能仿真工廠”(見表1)，包含的設(shè)備、儀表、控制、運(yùn)行等實(shí)體和生產(chǎn)使用軟件，涵蓋了工廠生產(chǎn)運(yùn)行的全過程，除物料為虛擬外，其余實(shí)驗(yàn)環(huán)境均為實(shí)體或企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在工程環(huán)境中開展實(shí)踐教學(xué)，給學(xué)生以完整、真實(shí)的工程體驗(yàn)。

表1 九實(shí)一虛仿真工廠

3.2 構(gòu)建分層次、多模塊的實(shí)踐教學(xué)課程體系

中心課程體系內(nèi)容設(shè)置以工程人才培養(yǎng)要求和實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)為根本，依據(jù)不同年級(jí)和不同專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)需求，實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置分為三個(gè)橫向?qū)哟魏腿齻€(gè)縱向模塊。為滿足學(xué)校工程教育本科4年不斷線的要求，中心開設(shè)專業(yè)實(shí)踐課程、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程、創(chuàng)新開放型課程，對(duì)應(yīng)專業(yè)教學(xué)、工程實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)三個(gè)教學(xué)層次。從學(xué)科大類劃分，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為化學(xué)化工，機(jī)電信息和經(jīng)濟(jì)管理三個(gè)模塊，不同模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)于不同專業(yè)的要求不同。分層次、多模塊的課程體系，滿足了實(shí)踐教學(xué)既要有深度又要有廣度的要求，有利于培養(yǎng)專業(yè)深厚、能力全面的工程人才。

3.3 科教結(jié)合、校企合作的建設(shè)模式

中心建設(shè)依托學(xué)校優(yōu)勢(shì)學(xué)科，將科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所有仿真系統(tǒng)均有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)?？蒲幸痪€老師參與中心建設(shè)，一大批國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為中心建設(shè)提供支撐，以科研帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。中心與燕山石化、西門子、大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司等企業(yè)建立了密切的合作關(guān)系，共同開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，研制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完善實(shí)踐課程內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

4 結(jié) 語

化工產(chǎn)品全生命周期國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心目前已滿足全校22個(gè)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)需求，年均開設(shè)實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課程18門，覆蓋學(xué)生2 500余名，年教學(xué)量超過2萬人時(shí)；約有30余所兄弟院校和企業(yè)前來學(xué)習(xí)交流，接待500余人次中學(xué)生及家長(zhǎng)來訪參觀，人才培養(yǎng)的輻射示范作用逐步顯現(xiàn)。未來將進(jìn)一步完善中心建設(shè)，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，變革教育理念，創(chuàng)新人才培養(yǎng)，加強(qiáng)國際交流與合作，充分發(fā)揮中心建設(shè)在學(xué)校高等工程教育改革和發(fā)展中的支撐作用，將中心建成高水平的“大化工”工程人才培養(yǎng)基地，帶動(dòng)學(xué)校高等教育質(zhì)量的全面提升。

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