黃澤恩 馬江權 劉文杰

(常州大學 石油化工學院, 江蘇 常州 213164)

“一帶一路”的建設發(fā)展為石油石化人才的培養(yǎng)提供了堅實保障，雖然疫情的蔓延給國際化人才培養(yǎng)帶來了挑戰(zhàn)，但是日新月異的互聯(lián)網(wǎng)技術保證了國內(nèi)外師生“停課不停學”。信息技術正在促進著教育領域的深刻變革，根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》要求，人才培養(yǎng)必須以強化實踐教學為著力點，必須以信息技術的應用作為提高教學質量的重要手段[1，2]。目前高等教育面臨的重要挑戰(zhàn)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的國際化新型人才[3]，而虛擬仿真實驗教學作為高等院校工程實踐教育的重要環(huán)節(jié)和手段，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系中的作用日益突出。

結合《華盛頓協(xié)議》和工程教育認證對工科畢業(yè)生的要求，將虛擬仿真教學資源與理論課堂結合，真正引入理論教學課堂，突出學生學習主體地位，培養(yǎng)學生終身受益的自主學習習慣。以實驗型虛擬仿真項目為引導、以工程類項目為依托、以綜合創(chuàng)新學科競賽為載體搭建虛擬仿真實驗平臺，構建“大工程觀思維”貫穿式教學方法。將虛擬仿真訓練課內(nèi)與課外結合，虛擬與真實設備結合，線上和線下開放共享相結合，形成開放式的實驗教學模式，最大化利用平臺資源[3]。

1 虛擬仿真實驗教學平臺

虛擬仿真實驗教學平臺構架如圖1所示。它包括實踐教學平臺和化工設計模擬平臺，其中實踐教學平臺包括認識實習、仿真實習、受限空間仿真實習等平臺；化工設計模擬平臺包括Aspen plus過程設計模塊、分子模擬功能模塊、化工產(chǎn)品設計模塊、三維設計模塊等。

圖1 虛擬仿真實驗教學平臺構架

我們將虛擬仿真實驗教學平臺應用于實驗實踐教學、學科競賽創(chuàng)新、教學資源設計，均取得了良好的效果。

1.1 實驗實踐教學平臺

實驗實踐教學平臺，包括工廠認識實習、化工基本操作過程、裝置經(jīng)濟核算環(huán)節(jié)、污水-廢氣處理等功能模塊，各功能模塊相互聯(lián)系。通過整合教學資源，達到理論聯(lián)系實際，實踐檢驗理論，提高學生的基礎化工理論知識和化工動手能力的目的。

表1列出了平臺部分虛擬仿真軟件，涵蓋了化工原理實驗、化工單元、安全、制藥及化工工藝等方面。豐富的實習仿真教學資源由生產(chǎn)實習對應的教學資源組成，從功能上實現(xiàn)了從單元仿真到工藝流程的銜接。在工藝流程裝置實習中，可實現(xiàn)一人多崗的角色分配、內(nèi)操與外操聯(lián)合運作，培養(yǎng)團隊合作精神。各模塊均有操作步驟和考核功能，模塊能夠有效地提高學生操作實踐能力、中控室與外操協(xié)調等綜合能力。實驗實踐虛擬仿真平臺的建設，實現(xiàn)了理論知識到實踐知識，實踐知識檢驗理論知識的目的。實驗實踐教學平臺能模擬真實運行機制，將學生按各種角色分組(每組三名學生，承擔一個角色)，根據(jù)專業(yè)實習具體要求聯(lián)機運行全過程操作，教師后臺設置事故狀態(tài)，考查學生的團隊合作能力、操作熟練程度、處理應急事故狀態(tài)的能力[4]。

表1 平臺部分虛擬仿真項目表

1.2 學科競賽創(chuàng)新平臺

自平臺建成后，虛擬仿真實驗教學中心成為我校學生參加全國大學生化工實驗大賽和全國大學生化工設計競賽的準備場所。

全國大學生化工實驗大賽由理論、仿真和實驗操作三部分組成。其中仿真部分，平臺提供了豐富的資源，例如化工原理實驗室安全軟件，學生通過練習平臺軟件，提高了實驗室的危險源辨識能力；在化工單元及工藝軟件中，學生通過開車、停車及常見事故的處理的學習，掌握工藝流程，解決工藝流程中出現(xiàn)的問題。在歷屆全國大學生化工實驗大賽中，本校學生取得優(yōu)異成績，獲特等獎和一等獎各一次。

化工設計競賽中，參賽選手們使用中心提供的ASPEN流程模擬軟件進行物料衡算、能量衡算、流程優(yōu)化，并以教師開發(fā)的軟件數(shù)據(jù)對模擬計算過程進行驗證；以3D仿真軟件提供的工廠實景為參考，用SP3D、PDMS等管道設計軟件對車間設備、管道進行3D建模，用PDMS、3D MAX、SketchUp等軟件對總廠布置進行3D建模[5]。本校學生四次榮獲全國大學生化工設計競賽特等獎。

1.3 教學資源設計平臺

為培養(yǎng)化工類卓越工程師，充分利用虛擬仿真資源，中心建立了化工過程模擬-仿真實踐操作-工程制圖-通用化工廠的建模的“四位一體”的教學模式(圖2)，實現(xiàn)了軟件與教學一體化。中心還建立了省級石化科普廳、DCS中控室、現(xiàn)場操作室及化工設計協(xié)會等平臺。豐富的教學資源不僅為學生的專業(yè)基礎知識學習打下堅實基礎，而且有利于教師自身的工程實踐能力培養(yǎng)，全面提高了青年教師工程化水平。

圖2 “四位一體”的教學模式

2 平臺建設目標、思路

平臺以實現(xiàn)各種虛擬仿真實驗教學資源最大化共享為主要目標[6，7]。常州大學化工虛擬仿真實驗教學中心是首批國家級虛擬仿真實驗教學中心，中心以“共建、共享、共贏”為建設思路。利用計算機圖形技術、仿真技術、多媒體技術、計算機網(wǎng)絡技術、并行處理技術、3D虛擬現(xiàn)實技術等先進科技，建設了一個兼具實驗實踐虛擬仿真教學和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)虛擬仿真訓練的基于互聯(lián)網(wǎng)的在線仿真教學平臺，實現(xiàn)了優(yōu)質仿真教學資源的全省網(wǎng)絡共享。為化工、材料、環(huán)境、安全、石油儲運、自動化、機械等專業(yè)教學實踐活動服務。學生可不分時間、不分地點通過系統(tǒng)學習、考試、交流等，實現(xiàn)輔助課堂教學、實驗、實習、課程設計、網(wǎng)絡虛擬實驗等環(huán)節(jié)的教學需求，幫助學校提高學生專業(yè)知識、專業(yè)技能及其應用能力。

3 展望

逐步完善適用于本學科的虛擬仿真實驗教學資源建設標準和虛實結合的實驗教學體系，進一步提升資源的標準性、兼容性與易用性，同時合作建立具有材料化工等大類專業(yè)特色的虛擬仿真實驗教學資源庫，在開放共享過程中形成資源共享、良性循環(huán)。

推進資源開放共享的長效機制和政策環(huán)境。根據(jù)行業(yè)發(fā)展狀況和企業(yè)用人需求，持續(xù)優(yōu)化和完善資源，實現(xiàn)虛擬仿真與科學研究、工程實際、社會應用相結合，確保資源開放共享的常態(tài)化和可持續(xù)化。

積極對接國際化人才培養(yǎng)的新模式，探索新穎有效的教學育人模式，助力實現(xiàn)在“一帶一路”背景下石油石化國際化人才培養(yǎng)目標。