孫 章，謝全安，陳紅萍，孫曉然

(華北理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是高校工科專業(yè)培養(yǎng)過(guò)程中必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力和增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑。然而，對(duì)于化學(xué)工程與工藝專業(yè)而言，由于化工實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程存在高溫、高壓、有毒環(huán)境，具有高危性及不可控性等特征，化工實(shí)習(xí)教學(xué)面臨著“實(shí)習(xí)基地不穩(wěn)地、實(shí)習(xí)內(nèi)容不全面、實(shí)習(xí)深度不透徹”等多重難題，如何穩(wěn)定提高生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)質(zhì)量和快速改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)效果，一直是眾多地方工科院校實(shí)踐教學(xué)改革的熱點(diǎn)課題。

近年來(lái)，由于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及各級(jí)教育管理部門的廣泛倡導(dǎo)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)逐漸成為高校實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)具有內(nèi)容層次豐富、安全環(huán)保綠色、教學(xué)效果顯著、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[5]，是地方特色高校提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。我校于2014年設(shè)立了“化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”[9]，建設(shè)以煤化工為特色的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，本文借助于本中心以焦化為核心的虛擬和半實(shí)物仿真工藝，探索新型教學(xué)模式，以培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)和創(chuàng)新思維的應(yīng)用型人才為目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)、考核方式等方面進(jìn)行“三階段教學(xué)模式”改革。經(jīng)過(guò)幾屆化工專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐，我們的“三階段”教改實(shí)踐顯著提升了我校工程實(shí)踐教學(xué)的層次，多方面鍛煉了學(xué)生的化工實(shí)踐能力，增強(qiáng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)，有利于培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新型化工技術(shù)人才。

1 目前化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)面臨的困難

(1)煤化工實(shí)習(xí)基地難找

河北是焦化生產(chǎn)大省，焦化企業(yè)很多，但是愿意接納實(shí)習(xí)的工廠較少，因?yàn)榻够a(chǎn)是連續(xù)性工藝，焦?fàn)t一天都不能停，焦化企業(yè)本身?yè)?dān)負(fù)著生產(chǎn)重任，大批本科學(xué)生入廠實(shí)習(xí)既影響生產(chǎn)工作又帶來(lái)安全隱患，導(dǎo)致焦化企業(yè)不太愿意接待高校學(xué)生進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)，所以生產(chǎn)實(shí)習(xí)難以得到企業(yè)的接納和配合。多年以前，工廠允許學(xué)生進(jìn)行頂崗實(shí)習(xí)，分組進(jìn)入車間、熟悉流程、了解設(shè)備，并且能與技術(shù)人員實(shí)時(shí)請(qǐng)教，然而近年來(lái)焦化企業(yè)的生產(chǎn)安全管理逐步正規(guī)化和嚴(yán)格化，為了保證安全生產(chǎn)，焦化企業(yè)已不再接納臨時(shí)實(shí)習(xí)人員。因此，本科學(xué)生接觸工廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)越來(lái)越少。

(2)實(shí)習(xí)內(nèi)容走馬觀花

現(xiàn)代煤化工具有高度集成、連續(xù)生產(chǎn)、自動(dòng)運(yùn)行等特點(diǎn)，焦化企業(yè)又具有易燃爆、高溫壓、有毒害的高危屬性?？紤]安全因素，學(xué)生進(jìn)入工廠后首先在會(huì)議室聽(tīng)取生產(chǎn)工藝流程講解，再由技術(shù)人員在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)外圍觀摩，嚴(yán)禁動(dòng)手操作。所以，學(xué)生無(wú)法親身體驗(yàn)焦化工段的開(kāi)停車以及生產(chǎn)事故處理，缺乏鍛煉動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)，分析和處理生產(chǎn)中出現(xiàn)問(wèn)題的訓(xùn)練為零。這樣的實(shí)習(xí)內(nèi)容逐漸淪為形式化，根本達(dá)不到提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的目的，實(shí)習(xí)的效果較差，成為形式大于內(nèi)容的走馬觀花式的實(shí)習(xí)。

(3)學(xué)生實(shí)習(xí)熱情不高

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，但大部分學(xué)生對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的目的和意義認(rèn)識(shí)不足，在實(shí)習(xí)過(guò)程中缺乏主觀能動(dòng)性。學(xué)生度過(guò)初入工廠的新鮮感后，就會(huì)被動(dòng)地聽(tīng)技術(shù)人員的講解和隨機(jī)瀏覽，以致實(shí)習(xí)熱情不高。焦化企業(yè)中有很多易燃、易爆、高溫、有害的生產(chǎn)裝置，具有一定的危險(xiǎn)性，而且有一定的異味，部分學(xué)生存在恐懼心理和抵觸情緒，不愿深入了解生產(chǎn)實(shí)習(xí)，也影響了生產(chǎn)實(shí)習(xí)的效果。

針對(duì)以上長(zhǎng)期困擾我?；どa(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)的難題，改觀實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，迫切需要引入先進(jìn)的教學(xué)資源和教學(xué)手段，進(jìn)行化工專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)方式的創(chuàng)新和改革，推進(jìn)實(shí)習(xí)內(nèi)容的廣度和深度，著力提高生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)質(zhì)量。我們將本校的“化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的煤化工虛擬和半實(shí)物仿真工藝資源引入生產(chǎn)實(shí)習(xí)內(nèi)容，在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)、考核方式等方面探索了“三階段教學(xué)模式”的改革與實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力。

2 教學(xué)改革實(shí)踐與探討

(1)仿真實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)

2014年，本校建立化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為了突出本?；I(yè)的煤化工特色，我們首先和商業(yè)公司合作共同開(kāi)發(fā)了一套配煤煉焦三維虛擬仿真工藝實(shí)訓(xùn)軟件(見(jiàn)圖1)，將卸煤、配煤、裝煤、煉焦、推焦等煉焦車間的各個(gè)工段以三維虛擬場(chǎng)景呈現(xiàn)；然后又購(gòu)置了甲醇生產(chǎn)三維虛擬仿真工藝實(shí)訓(xùn)軟件(圖2)，開(kāi)展安全教育和仿真操作實(shí)訓(xùn)，最后購(gòu)買了可視化煤氣凈化工藝玻璃仿真裝置(圖3)，把煤氣凈化的鼓冷、脫硫、脫氨、脫苯、蒸苯等工段流程以玻璃仿真模型呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)主體設(shè)備和管線的可視化。目前，我們已建成以配煤-煉焦-煤氣凈化-甲醇為產(chǎn)業(yè)鏈的煤焦化仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

圖1 配煤煉焦三維虛擬仿真工藝截圖Fig.1 The screenshots of 3D virtual simulation coal blending and coking process

圖2 甲醇生產(chǎn)三維虛擬仿真工藝截圖Fig.2 The screenshots of 3D virtual simulation methanol production process

圖3 可視化煤氣凈化工藝仿真裝置Fig.3 Visual simulation device for the purification process of coke-oven gas

(2)仿真實(shí)訓(xùn)內(nèi)容規(guī)劃

本專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)兩周分為校內(nèi)實(shí)習(xí)和校外實(shí)習(xí)，改革前的校內(nèi)實(shí)習(xí)主要以參觀40 kg實(shí)驗(yàn)焦?fàn)t和煤氣化合成氨工藝微型模型為主，內(nèi)容較少，學(xué)生的積極性不高，而且與校外實(shí)習(xí)的生產(chǎn)工藝相關(guān)性較差。為了提高實(shí)習(xí)效果，提高學(xué)生的學(xué)校興趣和積極性，將本校的“化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(配煤煉焦三維虛擬仿真軟件、甲醇工藝三維虛擬仿真軟件、可視化焦?fàn)t煤氣凈化實(shí)訓(xùn)裝置)引入生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)，調(diào)整后的實(shí)習(xí)安排如表1所示。調(diào)整后的校內(nèi)實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容新穎，與校外工廠實(shí)習(xí)內(nèi)容結(jié)合更緊密，將工廠實(shí)踐和仿真實(shí)訓(xùn)相互融合與拓展，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，教學(xué)效果顯著改善。

表1 化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)安排Table 1 Arrangement of chemical production practice

(3)教學(xué)模式的改革

為了提高學(xué)生工程與創(chuàng)新能力，適應(yīng)現(xiàn)代煤化工發(fā)展對(duì)應(yīng)用型人才的需求，創(chuàng)新“虛實(shí)結(jié)合”的化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)模式(圖4)，以焦化工藝過(guò)程為核心的實(shí)踐內(nèi)容分為三階段進(jìn)行。

圖4 三階段“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)習(xí)教學(xué)模式Fig.4 Three-stage practice teaching mode with “virtual-real combination”

第一階段為仿真軟件實(shí)訓(xùn)。以焦化和甲醇工藝虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)，以逼真的三維場(chǎng)景和生動(dòng)的角色情節(jié)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生對(duì)迅速的對(duì)焦化生產(chǎn)的安全要求和工藝技術(shù)有更深刻的理解。從安全教育入手，再逐漸深入到工藝、儀表、設(shè)備等專業(yè)的知識(shí)和技能，通過(guò)故事情節(jié)，觸發(fā)學(xué)習(xí)的任務(wù)(即知識(shí)點(diǎn))，從而完成認(rèn)識(shí)、實(shí)習(xí)和考核等多重任務(wù)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題并提出解決方案的能力，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維、勇于創(chuàng)新。

第二階段為仿真模型操作。依托可視化煤氣凈化仿真裝置，開(kāi)設(shè)鼓冷、脫硫、脫氨、脫苯、蒸苯五個(gè)工段的實(shí)驗(yàn)操作，模擬焦?fàn)t煤氣凈化的全過(guò)程，讓學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手實(shí)操，觀察料液在管線和設(shè)備中的流動(dòng)狀態(tài)，透徹理解煤氣凈化工藝過(guò)程。通過(guò)半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)操技能，強(qiáng)化學(xué)生的煤化工生產(chǎn)概念，加深學(xué)生的工程思維認(rèn)知。

第三層為工廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)。在生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地，由企業(yè)安排一些工程師或技術(shù)員講授有關(guān)的安全知識(shí)和各個(gè)工段的生產(chǎn)工藝等，然后分組參觀備煤、焦化、凈化、甲醇和精苯車間，技術(shù)員現(xiàn)場(chǎng)講解工藝和現(xiàn)場(chǎng)解答，使學(xué)生全面了解煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)過(guò)程、企業(yè)的管理措施與市場(chǎng)狀況。通過(guò)工廠實(shí)踐過(guò)程，使學(xué)生鞏固課堂所學(xué)的理論知識(shí)，樹(shù)立煤化工生產(chǎn)的工程意識(shí)，具備一定的工程素養(yǎng)。

通過(guò)三階段“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)習(xí)教學(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性，不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手技能，而且增強(qiáng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

(4)考核機(jī)制的改革

傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)考核主要以實(shí)習(xí)表現(xiàn)和實(shí)習(xí)報(bào)告為主，改革前本專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)考核增加了實(shí)習(xí)記錄環(huán)節(jié)，考核學(xué)生實(shí)習(xí)過(guò)程的學(xué)習(xí)認(rèn)真程度，但是仍然不能全面評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)過(guò)程的掌握程度。因此，我們將仿真實(shí)訓(xùn)引入實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容后，增加回答問(wèn)題、動(dòng)手操作、實(shí)習(xí)測(cè)試等考核環(huán)節(jié)(表2)，考評(píng)學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)內(nèi)容的掌握程度，杜絕學(xué)生走馬觀花式的實(shí)習(xí)思想。通過(guò)實(shí)習(xí)表現(xiàn)、實(shí)習(xí)記錄、回答問(wèn)題、動(dòng)手操作、實(shí)習(xí)測(cè)試、實(shí)習(xí)報(bào)告六環(huán)節(jié)考核模式改革，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)“虛實(shí)結(jié)合”的煤化工生產(chǎn)過(guò)程的理解程度，將過(guò)程考核與終端考核相結(jié)合全面評(píng)估學(xué)生對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的認(rèn)知，達(dá)成提升學(xué)生實(shí)踐能力和工程意識(shí)的目標(biāo)。

表2 化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)考核模式Table 2 Assessment mode of chemical production practice

3 結(jié) 語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的必不可少實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將仿真實(shí)訓(xùn)引入實(shí)習(xí)過(guò)程，開(kāi)展三階段“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)習(xí)教學(xué)模式改革，通過(guò)我?；I(yè)2014-2016級(jí)學(xué)生的實(shí)踐證明，本次教學(xué)改革收效顯著，三階段的教學(xué)模式強(qiáng)烈的激發(fā)了學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，訓(xùn)練了學(xué)生的動(dòng)手技能。學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知、工程意識(shí)和創(chuàng)新思維等多方面素質(zhì)得到了提升。然而，生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)改革是一項(xiàng)與時(shí)俱進(jìn)的任務(wù)，我們將不斷完善實(shí)習(xí)內(nèi)容和考核體系與質(zhì)量監(jiān)控體系，建設(shè)多樣化的實(shí)習(xí)基地和煤化工仿真工藝，培養(yǎng)真正的適應(yīng)社會(huì)快速發(fā)展需求的應(yīng)用復(fù)合型人才。