Internet環境下符合工程理念的在線工程實驗設計及實現

姚 俊， 程 華, 應衛勇(華東理工大學 . 網絡教育學院; . 信息學院, 上海 200237)

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Internet環境下符合工程理念的在線工程實驗設計及實現

姚 俊a， 程 華b, 應衛勇a
(華東理工大學 a. 網絡教育學院; b. 信息學院, 上海 200237)

從課程的角度，采用比較研究和案例研究的方法，闡述了網上實驗課程基于CDIO的設計理念和系統構成，以及在教學中的實施，并以華東理工大學“集散系統(DCS)及實驗”網上課程實驗為例，介紹了該課程的基于CDIO的設計和在工程實踐性教學中的作用，指出探索與開發基于工程背景、符合CDIO教學理念要求的實驗課程對于工程應用型人才的培養具有重要的意義。

工程教育； CDIO； 在線實驗； 集散系統及實驗

0 引 言

近半個世紀以來，由于科學技術與社會化大生產在社會發展中起到的巨大作用，世界各國都認識到培養現代工程人才是高等工程教育的核心問題。在重視加強數學和科學基礎的前提下，更強調工程實踐能力、交流溝通與團隊合作能力、終生學習能力、職業道德等現代工程所要求的技能與理念[1-2]。

因此，教育工作者對工程學科課程體系中最重要的實驗與實踐課程提出了更高的要求。 在實驗課程的設計與教學組織中，如何體現工程理念，培養學生的工程實踐能力成為實驗課程開發領域的重點問題。CDIO工程教育模式相對于原有的教育模式，教育者整體教學理念都有創新和改變，其中也包括課程內容設計與組織形式的變化。在本文的研究中，CDIO的工程理念被引入到在線實驗開發與實現過程中[3-4]。

目前國內在工科課程在線實驗等課題上已經取得較大進展，較好解決了課程實驗難題，但是課程實驗的工程化實踐方面的研究還處于起步階段。國外一些著名的教育機構，如英國開放大學、利物浦大學等開展了這方面的研究并取得了成果。因此，發展具有工程化特點的在線實驗課程成為Internet環境下實施CDIO工程教育模式的重要課題。過去的關于CDIO應用的文獻主要集中在對工程教育培養模式的研究，本文則從在線實驗課程設計與實現的角度來探討CDIO模式在遠程工程教育中的應用[5-6]。

1 工程教育理念

各類工科院校都注重工程知識與技能的與時俱進、多元與跨文化的工程理念、并在工程人才培養過程中與企業及社會機構展開廣泛合作，積極摸索適合于本校特點的工程教育模式。其中，CDIO工程教育模式和全面工程教育的思想在工程教育有著較為深遠的影響, 被各國廣泛采用[7]。

1.1 CDIO工程理念

本世紀初，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學組成跨國研究團隊，經過4年的探索研究，創立了CDIO工程教育模式，并成立了以CDIO命名的國際合作組織。CDIO是以構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)、運作(Operate)為4個主線過程，綜合地考慮專業基礎知識、個人和職業的技能及團隊協作與溝通的技能，及在整個企業、社會環境下進行4個主線過程以達到全面提升工程實踐能力的培養過程。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力4個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這4個層面達到預定目標。CDIO的理念不僅繼承和發展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的12條標準。迄今為止，已有幾十所世界著名大學加人了CDIO組織。其機械系和航空航天系全面采用CDIO工程教育理念和教學大綱，取得了良好效果[8-10]。

CDIO的應用案例很多，多數應用在整個教育模式和宏觀過程，本文從在線工程實驗的角度來闡述CDIO的實施，主要在于通過體現工程實踐特點的的設計和教學組織達到“工程化”的目標。

1.2 國外高校在實驗課程領域實踐CDIO理念案例

實驗設計的工程特征是發達國家遠程教育機構在實驗設計上最值得我們借鑒之處[11]。以英國開放大學(The Open University，以下簡稱英開)為例，其在上世紀90年代就開設了工程學科專業。其工程學科課程體系中最重要的是實驗課程，采用以實驗室現場實驗 (主要在暑期學校(Summer School)完成)和家庭實驗包真實實驗為主，計算機仿真實驗(后來又有網上實驗和遠程控制實驗)為輔的實驗架構[12]。

以“能量轉換” (Energy Conversion)實驗為例，說明其實驗設計的工程特點。該實驗主要目的是學生了解工業生產電解銅的真實流程，理解相關原理知識在工業化生產中的應用，并親身體驗理論知識與生產實踐的具體結合，實驗過程實驗從粉碎銅礦石開始，到礦石粉的硫酸溶解，最后電解硫酸銅溶液析出銅，完全模擬了工業化生產的生產流程，整個實驗是基于工程實際設計的。

在整個課程實驗的教學組織中，也不同于普通的課程實驗，充分體現了CDIO的理念。在實驗過程中，首先要求學生學生在實驗前1個月必須根據實驗預備材料進行預習，對現 場實驗做到有備而來，這可以看做CDIO中的構思(Conceive)部分，一般的課程實驗都要求這一點。

在實驗過程中4人作為一個小組，首先集體給出實驗方案，不同于一般的課程實驗，實驗方案并不是確定的，老師只給出一些建議，事實上，從粉碎礦石到點解析出銅的多步實驗步驟中，有多種途徑可以完成實驗，由學生們集體討論選擇什么樣的方案。這可以看做CDIO中的設計(Design)部分，這和國內高校多數課程實驗完全規定了實驗步驟有很大的差別。

完成設計以后，學生在實驗室邊實驗，邊觀察，邊記錄，邊討論，每個實驗環節都要求去解答或解決一些相關的問題，如粉碎的效率、溶解濃度以及電解效率等，部分環節還要到計算機上進行數學模型的求解。實驗過程中進行觀察記錄和模型預測，最后對實驗結果進行驗證。 “暑期學校”結束前，學生還必須根據本星期實驗情況，做口頭報告(Presentation)；教師根據學生預習和作業情況、實驗過程的表現以及口頭報告，給出實驗課程的最終評價。這大致可以看做CDIO中的實施(Implement)與運行(Operate)部分。當然，這與CDIO中要求運行(Operate)部分的工作還有一些差別，只能看做是工程化生產的“小試”部分，距離真正意義上的生產過程還有較大距離。

可以看出，該實驗基于工程背景設計，在教學過程中也注重培養學生工程實踐能力，雖然并不完全體現CDIO的所有要素，但相對于國內高校一般課程實驗，更注重培養學生自身分析問題，設計流程、解決問題直至完成的能力，整個實驗具有實際的工程背景，具有較高的工程性，值得我們借鑒。

2 符合CDIO理念的在線工程實驗設計

如前所述，我們應該認真學習國外高校實驗教學的長處，分析目前實驗教學設計的問題，進而開發具有符合CDIO理念的工程性實驗。

2.1 實驗設計目前存在的問題

在傳統工科專業的課程教學中，主要是介紹原理和系統構成，對于設計、操作、故障分析與解決等重要技能未作較多要求。雖然在學習過程中有到企業的工程實際環境中實習實踐環節，但大多數工廠考慮到生產安全等問題，使得學生在企業的實習過程中不能進行實際操作，更難以有實際故障分析與解決的機會，最多也只能聽取介紹和查看資料，以便有個直觀認識，這顯然不能滿足工程應用型人才的培養。

另一方面，大多數實習實踐存在生產安全問題，特別是化工行業生產的不可間斷性和安全性決定了工程人員不太可能反復在實際工程環境中做系統實施和運行操作，因此采取在線的實現方式，通過基于Internet的虛擬技術，構建相對真實的生產環境，并提供虛擬操作平臺，使得學生熟悉生產和操作。由此建立學生在理論與實踐之間的立交橋，強化學生的工程意識與工程能力，填補學生在此階段的空白[13-15]。

因此，在線工程實驗設計中，首先需對原有實驗教學內容、方法進行重新梳理，基于CDIO的設計理念改進傳統的實驗模式和方法，強化工程實踐的內容；并通過現代計算機虛擬和通信技術，拓展工程實踐的應用范圍，使得工程實踐可以以更多元的方式、更廣泛的形式為眾多學生使用。

2.2 工程實驗中的CDIO理念

實驗教學在工程型人才的培養中占有重要地位，但當前高校的實驗教學和CDIO的要求還有較大差距。工程最本質的屬性是實踐，實踐是工程的起點和最終歸屬，而高校目前的大多數實驗教學主要是適用于理論性驗證和基本實驗室技能訓練，對于如何培養學生的工程意識、工程能力、創新能力還較少涉及，不能滿足工程實踐的要求。只有在在課程實驗的設計與教學組織中，體現了如下幾個要素的內容才可稱為具有CDIO理念的工程性實驗：

(1) 實驗環境是否接近工程實際環境。

(2) 實驗中要解決的問題是否是工程實踐中的實際問題。

(3) 在實驗思考、分析設計、實施和實際操作中的過程是否和工程實踐中類似。

在工程性實驗的設計與教學組織中，如何實現CDIO的四個主線過程，是實驗建設“工程化”要解決的首要問題：

(1) 構思(Conceive)環節：即發現問題。 在工程實際環境中，觀察與發現各種現象、分析現象之間的聯系。因此實驗系統必須較為真實地模擬這些現象，以便于學生觀察到異常，并加以分析。

(2) 設計(Design)環節：即分析問題、設計解決方案。學生經過現象分析，確定現象發生的內因與外因；結合理論進行討論，明確調節目標與調節手段，形成解決方案。實驗系統設計必須便于討論和方案設計。

(3) 實施(Implement)和運行(Operate)環節，即操作和管理。工程人員通過工程性實驗系統熟悉操作過程，完成一般的簡單操作到復雜操作動作的實施。往往具體操作的經驗也決定了實施和運行的有效性，因此實驗系統需提供真實可操作的環境。

在工廠實踐中，計算機及通信技術的手段已廣泛使用，例如DCS系統、SCADA系統等，生產過程的控制都是在控制室里通過計算機與網絡進行。這正是可以進行在線實驗設計的現實可行性和運行基礎。

2.3 在線工程實驗設計規則

在線工程實驗設計中體現CDIO理念，培養學生的實際工程能力和理念，必須遵循如下規則：

(1) 具有工程實際背景。按照工程實際環境設計實現，整個實驗過程CDIO過程應和工程實際過程一致，如華東理工大學開發的計算機網絡的“數字化校園”、“集散系統(DCS)及實驗”，“硝酸實習輔助教學系統”等工程實驗(如圖1)，反映了工作現場與操作現場的實際情況，整個實驗過程完全以工程實際操作過程為基礎設計。如 “硝酸生產過程實驗”儀器儀表選擇等步驟都具有項目全過程特點。

(2) 實驗應反映團隊合作。團隊合作是工程實踐中的重要部分，因此，工程實驗應反映出和其他團隊成員合作的環節。

(3) 實驗可與理論內容結合。不同于傳統實驗中僅對理論的驗證，工程實驗要求學生利用理論知識對工程實際過程中的某些步驟進行分析和計算，以便找出設計或解決方案。如“硝酸生產實驗”中涉及物理化學反應、化工原理計算。

(4) 實驗應反映工程背景復雜環境，特別是干擾和各種非理想狀態。工程實際環境遠比實驗室環境復雜，因此工程實驗設計中，應考慮各種干擾情況，并為學生提供處理途徑。如在“集散系統(DCS)實驗”中模擬管線的各種擾動，都是工程實際中可能遇到的。

(5) 實驗設計必須反映各種故障及處理途徑。如前所述，故障發現和處理是現代工程技術人員的主要工作，但在實際工程環境下卻很少有機會開展訓練。因此，在線工程實驗中對于各種故障的模擬是實驗的主要部分。

2.4 在線工程實驗設計方法與組成

在線工程實驗設計采用結構化的在線實驗設計方法，即基于層次結構進行自頂向下的逐層設計，在每一層中都考慮該層的主要功能及其在線的可實現性。在線的可行性主要基于Flash技術的虛擬實驗技術和視頻展示技術。

在線工程實驗課程由全過程實驗、組合實驗和獨立課程實驗組成。全過程實驗主要讓學生全面了解工業過程的全過程，主要為CDIO環節打下基礎；組合實驗則針對某一工段，以訓練學生操作和故障處理為目的；獨立課程實驗主要針對某一工程問題而設計。

圖1 硝酸生產過程在線實驗界面

2.4.1 全過程實驗流程

(1) 內容。查看整體的工程實踐目標、環境、總流程圖。

(2) 功能。反應生產實踐，學生可以了解生產全流程，以及觀察到具體實物的圖像，產生感性認識。同時可以將實體與計算機圖形的表示相結合進行認識，符合人的認知，也有利于基于計算機圖形的虛擬在線實驗的開展。

(3) 在線實現。全流程的計算機圖示法結合實體圖(或實體視頻)，都可采取在線flash方式實現。

2.4.2 組合實驗過程：(工段實驗)

(1) 定位。定位為一個工段或多個相鄰工段里的多個學科組合的生產實驗。如圖1就是一個硝酸生產工段的實驗界面。

(2) 內容。以小組的方式對組合實驗的故障處理、數據分析、報告撰寫、口頭匯報、討論。體現CDIO中的IO部分。

(3) 功能。通過多學科實驗、多工序/段實驗的組合，使學生在組合實驗的故障處理、數據分析中，不能僅僅考慮單方面的因素，這反映了實際生產所面臨的問題。例如，DCS流程出現某個現象/告警，不能僅僅考慮工藝參數的變化(如輸入流量變化)，而要同時考慮儀表故障因素、或前工段中間產品的變化。

在實際生產中，多個學科的內容緊密結合在一起，而在實際的課程實驗中，通常把某個學科的原理抽象出來，進行獨立的實驗。因此，返回到實際生產中，還需結合多個學科內容。化工生產中的工藝目標，如穩定的溫度必須通過自控PID手段實現。

(4) 在線實現。綜合組合實驗的數據庫，不同學科的實驗在同一套實驗數據下展開，分別完成各自的實驗目標。結合工段流程的計算機圖示法和獨立課程實驗的虛擬技術實現組合實驗的在線訪問與管理。

2.4.3 單個獨立課程實驗

(1) 內容。單個實驗，包含理論、設計、操作。體現CDIO中的CD部分：允許學生實驗過程中，做一定的實驗設計，建立實驗操作步驟。例如“可燃氣體爆炸極限測定”、“不同外壓下液體沸點測定”等。

(2) 功能。完成獨立課程實驗的實驗原理的解釋，具體實驗的操作流程與步驟，提供基于計算機的虛擬操作界面，允許學生多次重復進行實驗。針對工程實驗的設計目標，有意識的在課程實驗設計中增加現場因素，如溫度、壓力 。例如“可燃氣體爆炸極限測定”中溫度的設定。此類實驗可以稱為“部分符合工業環境的實驗”。

(3) 在線實現。實現形式為在線虛擬實驗。基于flash技術和后臺的數據模型計算，實現虛擬實驗的圖形化展示與實驗數據生成。數據模型計算中建立一定的誤差模型，使數據輸出具有一定的隨機特征。

3 基于CDIO的“集散系統(DCS)實驗”在線工程實驗設計實例

3.1 課程簡介

以“集散系統(DCS)及實驗”為例介紹基于CDIO理念的的網上實驗教學模式的實現。，DCS系統主要應用于大型石油化工，電力等企業,由于實際裝置通常穩定在正常工況下運行,誤操作會引起生產事故,所以傳統的師傅帶徒弟的方法，使被培訓人員很少有自己動手練習操作的機會，而開、停車過程及故障處理的學習更為困難，因此開發該課程的在線工程實驗對于學生的實驗實踐環節非常重要。

由于DCS系統本身的大多數操作都是基于計算機的操作，因此網上實驗課程的界面十分接近DCS系統的計算機控制部分操作的界面，這是其中一個粗丙酮精餾單元的培訓課程。

3.2 “DCS”工程實驗設計

本文將一個簡單故障處理操作來說明演示在DCS網上實驗培訓平臺上故障發現、分析處理過程，演示該系統如何結合工程實際，培養學生的工程能力。

3.2.1 構思(Conceive)與設計(Design)環節設計

(1) 學生觀察到粗丙酮塔T-601頂溫度儀表TI-6006異常過高報警，系統要求學生調節至正常運行溫度73.0～80.0℃。

(2) 按照工程常識，學生將作出如下分析，粗丙酮塔頂溫度上升可能有3個工藝方面的原因，分別是加水量過大，回流量過小或再沸器回水量過小，也有可能是儀表自身故障因素。

(3) 學生首先需分別檢查相關3個儀表，即加水量儀表FRC-6015，回流量儀表FR-6019，E-601再沸器回水儀表FRC-6014(見圖2)，以確定儀表正常工作。

(4) 然后分析儀表數據，發現回流量儀表FR-6019讀數偏小。

(5) 在找到問題后(回流量偏小)，根據工藝理論分析，確定解決方案，即增大塔頂FR-6019回流量。

3.2.2 實施(Implement)與運行(Operate)環節設計

學生實際操作，將溫度調節至正常運行溫度。整個操作過程必須符合現場操作規范。

(1) 首先將LRC-6023改為手動控制，每次增加調節閥閥位必須小于2%(如果超出這個閥位調節，訓練中系統將給出警告，在考試中則學生將被扣分)。

(2) 每次調節后系統會根據數學模型將相應儀表調至相應位置。

(3) 學生則根據儀表顯示情況繼續調解，直至塔頂溫度恢復到73.0～80.0℃。

(4) 此時，將LRC-6023設置為自動控制。

可以看出，整個故障處理過程中，課程系統并不像普通課程實驗制定嚴格的步驟，而是讓學生根據工程實際情況，通過觀察來制定解決方案，然后根據操作規范來運行，整個課程設計與教學過程較好地體現了CDIO的理念。

3.3 與傳統虛擬實驗比較

“集散系統(DCS)實驗”在線工程實驗的實施環境十分接近傳統教學中“化工原理實驗”中的精餾塔的操作和全塔效率測定實驗(實驗界面見圖2)。

圖2 化工原理課程的精餾塔的操實驗

兩個實驗的實驗對象雖然很接近，但在教學目的和實驗設計理念上存在較大差異。集散系統(DCS)實驗中的精餾塔操作實驗采用CDIO的理念，完全模擬工廠現場操作環境，主要目的是讓熟練掌握精餾粗丙酮單元的開關機操作，學習該單元的異常觀察，故障分析與解決及實際操作，實驗提供的指導主要是介紹現場操作要點，重點在于儀表的觀察與操作規范與要求，這是以現場操作規范為藍本制作的。在實驗過程中，開關機操作要求學生完全按照操作手冊操作，故障處理則要求學生通過觀察多個儀表異常，找出異常原因，并進行實際操作處理。最后要求學生分析故障詳細原因，討論更其他有效的辦法達到調節目標。此實驗著眼于培養在該型號的集散系統(DCS)環境下，工程人員的觀察分析操作能力。學生經過相應的實驗訓練以后可以較快地熟悉工程實際操作環境。

而“化工原理實驗”則是典型的傳統教學實驗，主要是驗證所學理論，熟悉基本實驗操作，實驗環境是經過簡化的實驗室環境，實驗目的是了解精餾過程，實驗過程相對固定，設計過程也相對簡單，學生只需要按照固定步驟就能完成實驗，主要是對所學原理性知識的鞏固，不能馬上把所學技能應用于工程實踐環境。

3.4 在線工程實驗的開發準則

要達到工程性課程教學效果，開發的在線實驗必須具有以下特性：

(1) 真實性。這在工程性實驗培訓平臺中最為重要，真實性主要體現為運行環境的真實性和數據的真實性。運行環境的真實性可以通過真實照片和圖片模擬現場、3D動畫等方式來實現，數據真實性應通過建立較為精確的數學模型或其他計算工具來模擬現場的數據。

(2) 易操作性。有針對學生的引領式實驗教學流程的學習導航，讓學生可以方便的進行工程模擬操作，在平時訓練中，在學生發生錯誤操作時，應有簡單易懂的錯誤提示。

(3) 智能化。較為復雜的故障的分析和解決途徑往往是多元化的，不同的解決方案都有可能達到目的，因此系統必須具有一定的智能化判斷。

4 結 語

基于CDIO的工程化網上實驗課程教學通過較為真實地模擬工程實際，在構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)與運行(Operate)等各個環節讓學生以工程的理念來發現問題、分析問題、解決問題和總結問題，提高學生的工程意識和能力。網上實驗課程建設中，對于有工程背景的課程可以進行工程化的改造，融入CDIO模式的多個要素，成為真正工程化的實驗課程。

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Design and Implementation of Online Engineering Experiment Course Based on Engineering Idea

YAOJuna,CHENGHuab,YINGWei-yonga
(a. College of Distance Education; b. School of Information, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

In this paper, the comparative and case study method were used, and the design idea and system structure of online experiment course were explained. DCS and its experiment, which was an online experiment course developed by ECUST, was set as an example. The design and application in teaching practice based on CDIO for this experiment course were introduced. Finally, a conclusion was reached that the experiment course which was based on engineering practice environment and CDIO idea is much helpful for the cultivation of engineering talents.

engineering education; CDIO; online experiment; DCS and its experiment

2014-01-23

教育部資助項目(CECC06)

姚 俊(1973-)，男， 四川隆昌人，碩士，工程師，主要研究方向：計算機網絡，現代遠程教育。

Tel.：021-64252438,13641679131; E-mail:yaojun@ecust.edu.cn

程 華(1975- )，男，安徽黃山人，博士，副研究員，主要研究方向：計算機網絡，數據融合。

Tel.：1361660030; E-mail:hcheng@ecust.edu.cn

TP 391

A

1006-7167(2015)02-0171-06