優化實踐教學體系 培養復合型人才

許亞嵐， 羅雄麟

(中國石油大學(北京)信息學院，北京102249)

0 引言

相對于理論教學，實踐教學更具直觀性、綜合性和創新性，是培養學生實踐能力、創新能力的關鍵環節，因此我校自動化專業聯合化工專業共建煉油化工虛擬工廠，探索實施“虛擬教學工廠”育人模式，優化實踐教學體系，獲得了豐富的實踐經驗和較好的建設成果。

1 建設煉油化工虛擬工廠

我校調研高?，F有的小型冷模實訓裝置、縮小型流程生產裝置、半實物仿真裝置［1，2］和石化企業使用的操作員培訓仿真系統(Operator Training Simulator，OTS)［3-5］后，融合OTS、縮小冷模物理仿真技術和半實物仿真技術，建設了新一代流程級仿真裝置——煉油化工虛擬工廠。同時，借鑒新加坡南洋理工學院的“教學工廠”辦學理念［6］，將煉油化工企業環境與我校教學科研環境融合在一起，探索“虛擬教學工廠”育人模式，實施以生產任務和科研項目為導向的情景式教學和研究方案，用來培養高水平的石油化工自動化復合型創新人才。

1．1 煉油化工虛擬工廠建設內容

煉油化工虛擬工廠耗資589萬元，由5套標準的OTS、1套OTS開發工具包和1套我校設計開發的催化裂化半實物工藝流程OTS三部分組成。我校從系統功能、擴展性、石化行業市場率等方面考慮，選用了Honeywell公司的 OTS 方案［4，5］。催化裂化半實物工藝流程按某煉廠實際裝置8∶1比例縮小建設，不運行實際物料，安裝檢測與調節仿真儀表，通過I/O卡件與Honeywell公司的C300控制器連接，進入控制站服務器后再通過OPC連接OTS，實現重要數據的現場顯示和操作。

石油化工產品種類繁多，生產工藝各不相同，虛擬工廠建設了常減壓、連續重整、柴油加氫、加氫裂化、以及催化裂化5套典型裝置，可進行開車、調度運行、停車、設備故障等內容的培訓和研究。5套裝置在5套標準OTS上可以任意切換，同時滿足30人實踐教學訓練。Honeywell的OTS主要由ePKS(Experion過程知識系統)DCS和Unisim流程模擬平臺組成，分別是最新一代的過程自動化系統和最先進的流程模擬技術，利用該軟件還可進行流程整合、建模和優化、先進控制等方面的研究［7］。另外，可以利用OTS開發工具包開發新的生產裝置［8］，也可以利用虛擬現實技術開發三維虛擬現實展示［9］，還可以充分考慮裝置間的影響關系和單元變量間的傳遞過程，將多個裝置模型連接起來進行全企業級的流程仿真［10］，不斷擴展和升級虛擬工廠，保持其技術先進性。

1．2 “虛擬教學工廠”育人模式

20世紀80年代初新加坡南洋理工學院借鑒德國“雙元制”教學模式，提出了“教學工廠”職業技術教育新模式［6］。根據其官方解釋，教學工廠是將實際的企業環境引入教學環境之中，并將兩者融合在一起;它是在現有的教學系統(包括理論課、討論課、實驗和項目安排)基礎上設立的，以學院為本位，不以企業為本位;企業項目和研發項目是教學工廠不可缺少的重要組成;它使學生能將所學知識和技能應用于跨學科、多元化的綜合科技開發和創新。近年來教學工廠理論傳入我國，成為職業教育研究的熱點之一。文獻［11］在教學工廠模式基礎上，提出了通過信息技術手段將實際的企業環境引入教學環境之中，并相互融合，實施以項目課題為導向的“虛擬工廠”教學模式。借鑒以上研究成果，將煉油化工企業環境與我校教學和科研融合在一起，創建煉油化工虛擬教學工廠，實施以生產管理為導向的情景式實踐教學，以企業項目和科研項目為內容的工程和科研訓練。

(1)煉油化工虛擬教學工廠構建和運行。參考當前煉油廠的組織機構設置，按照“精簡機構，扁平管理”原則，虛擬教學工廠設置生產部、管理部和研發部三大部門，再下設若干車間和科室，如圖1所示。研發部由相關教師和研究生組成，進行日常研究工作;生產部各車間以某工況穩定生產，對全校學生開放;管理部由教師和本科生組成，進行生產計劃調度、技術支持、設備管理、安全管理等工作。虛擬教學工廠與企業保持動態聯系，做好循環往復的5個環節:市場調研、職業分析、生產任務或企業項目開發、教學實施、教學評價。

圖1 煉油化工虛擬教學工廠組織結構圖

(2)以生產管理為導向的情景式實踐教學。根據煉油廠生產管理情況和各裝置操作規程，可設計開停車、產品產量調度、工藝參數調整、設備故障等多種生產情景，用于實踐教學。可以組織學生進行一套裝置的生產操作練習，增強專業知識和技能，也可以將各專業學生組合起來，同時進入生產部和管理部的相應崗位，進行全廠生產演練。

(3)以企業項目和科研項目為內容的工程和科研訓練。“用明天的技術培養今天的學生為未來服務?！笔切录悠履涎罄砉W院人才培養所奉行原則，也是我校研究性大學建設所倡導的。因此必須不斷收集企業項目、技術難點、以及學?？蒲许椖糠湃胙邪l部，引導本科生、研究生組成團隊進行工程和科研訓練，培養學生的創新性實踐能力、交流溝通能力和團隊合作精神。

2 改革教學內容，優化實踐教學體系

實踐教學是優化大學生知識結構和素質結構的有效途徑，它是復雜的系統工程，只有不斷優化其體系與內容、教學方法、考試方法等多個環節，才能實現實踐教學整體優化，促進教學質量的全面提高［12］。調研了石油化工和自動化領域未來人才的需求，采用逐層倒推法，從頂層設計培養方案，構建“虛擬教學工廠”育人模式下的實踐教學體系，創新實習方式，使學生在知識結構、思維方式以及工作方式上接受石油化工和自動化兩個方向的培養和熏陶，培養實踐能力強、社會適應能力強的石油化工自動化復合型創新人才［13］。

2．1 構建突出創新和實踐的專業培養方案

以國內外一流大學為參照，建立適應研究型教學、有利于學生自主學習的教學框架。強調人文素養和科學精神并重的基礎教育，在培養方案中對人文社會科學基礎課程、數學與自然科學基礎課程提出了學習要求;注重橫向拓寬專業基礎，加強學科交叉與融合，開設石油化工行業背景類選修課;開設創新與實踐通識講座和專業講座，強調將實踐與研究融入學習過程;設置以研究和工程訓練為主的實踐課和設計課，將大學生調查研究、科技創新等課外科技實踐活動列入培養方案。

2．2 構建“虛擬教學工廠”模式的實踐教學體系

按照“認知(感官)—技能(基礎)—綜合(提高)—創新(設計)—探究(學科)”的階梯層次，構建“虛擬教學工廠”育人模式下的5層實驗教學體系［14-15］:①以參觀煉油化工虛擬工廠為主要內容的認知實驗;②融于相關課程以演示、驗證型實驗項目為主要內容的基礎實驗;③ 以單元操作、工段操作和車間操作為主要內容的綜合實驗;④以企業項目和工程為主要內容的設計實驗;⑤ 以科研訓練、基于研究的畢業設計(論文)為主要內容的探究實驗。將相關課程融于虛擬教學工廠，設計開發新穎的、能激發學生興趣的實驗，讓學生課外選做，提高工程能力;將相關科研成果融于虛擬教學工廠，設計探究實驗，學生組成團隊進行科研訓練，激發學生的探究興趣和創新思維。

2．3 三段式生產實習方案

采用企業和虛擬工廠實習相結合的生產實習方式，充分發揮兩者的優點［16］。學生先在校內了解煉油化工企業的生產特點，了解主要生產裝置的工藝流程、反應機理和操作條件，以及虛擬工廠的技術原理和組織結構;然后到燕山石化接受安全教育，跟班勞動，了解工藝流程，操作條件，熟悉常規儀表和新型儀表，了解自動化系統的構成和安裝，集散控制系統等內容;最后回到學校，進行虛擬教學工廠生產部和管理部的各種崗位培訓，考核合格后，進行相應崗位的工作情景演練。燕山石化企業實習為學生提供了真實的生產環境、設備和先進的管理理念，以及企業文化熏陶，虛擬教學工廠實習提供了操作員、班組長、安全員、控制工程師、工藝工程師、部門主管、控制優化高級工程師等多種工作崗位，讓學生親身體驗，可以快速學習和掌握企業所需的各種工作能力，成為社會和企事業所需的“零適應期”石油化工自動化復合型創新人才。

3 實踐效果

煉油化工虛擬工廠為學校提供了一個與實際工廠一樣的教學和科研平臺，自2011年投用以來，承擔了多門課程實踐教學任務和多項科研任務。虛擬工廠由計算機仿真構建，軟件運行穩定，維護方便，不僅解決了目前化工和自動化專業生產實習中存在的問題，還可對中石油、中石化、中海油等企業人員進行培訓。自動化專業師生利用該平臺開展了多項科研工作，至今發表學術論文8篇。

“虛擬教學工廠”育人模式激發了學生的學習興趣，學生踴躍進入生產部進行各項操作訓練，積極組隊申請研發部擬出的科技創新項目，學生的工程實踐能力和創新能力顯著增強。2012年自動化專業各年級學生參加各項大賽，都取得了好成績。參加2012年西門子杯全國大學生工業自動化挑戰賽，獲設計開發競賽組全國一等獎(第1名)。

實踐教學的整體優化促進了學生理論學習熱情，自動化專業2012屆畢業生平均選修總課程超出5學分左右。企業和虛擬工廠相結合的三段式生產實習，拓展了實習教學的深度，提高了實習教學效果。自動化專業畢業生具有較寬的理論基礎、良好的實踐能力和創新能力、以及入職工作“零適應期”等特點，獲得了用人單位的一致好評，提升了學生的就業率。

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