基于CDIO理念的虛擬仿真技術(shù)融入地方高校化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式改革探索

袁光輝，劉蓉，寇瑩，張芳，廖彪 (安康學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西 安康 725000)

0 引言

化學(xué)工程與工藝專業(yè)主要研究化學(xué)工程與化學(xué)工藝相關(guān)的基本知識(shí)和技能，涉及化學(xué)反應(yīng)、化工單元操作、化工過程與設(shè)備、工藝過程系統(tǒng)模擬優(yōu)化等多個(gè)方面，進(jìn)行化工合成、化學(xué)工藝優(yōu)化、化學(xué)檢驗(yàn)等。社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)的化工行業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求越來越迫切，急需一大批綜合能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)的化工應(yīng)用型人才。化工應(yīng)用型人才的基本支撐點(diǎn)是工程實(shí)踐能力。近年來，虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅猛。利用虛擬仿真技術(shù)可構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、交互式、開放式的虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源數(shù)字化和共享化的高度集成[1-2]。虛擬仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為各高校提升教育水平和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要手段。特別是化學(xué)化工類學(xué)科，一些高危險(xiǎn)、高污染和高成本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越離不開虛擬仿真技術(shù)[3]。隨著科學(xué)技術(shù)和化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，企事業(yè)單位要求化工類專業(yè)人才具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，具備持續(xù)學(xué)習(xí)和自我完善的能力，具備獨(dú)立開展化工研究和技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2016年我國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》，實(shí)現(xiàn)了本科工程學(xué)歷資格的國(guó)際互認(rèn)，國(guó)內(nèi)工程教育需要結(jié)合國(guó)際進(jìn)行方向和思路改革。2017年，教育部頒布的《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》中明確提出新工科建設(shè)應(yīng)以工程類人才的培養(yǎng)為核心，注重提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[4]。在新工科建設(shè)背景下，培養(yǎng)新時(shí)代亟需的具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才是高等工程教育改革的目標(biāo)[5]。CDIO模式是由瑞典皇家工學(xué)院、麻省理工學(xué)院等4所工程院校率先提出的一種工程教育理念，近年來得到了國(guó)際工程教育的倡導(dǎo)和推廣[6-7]。CDIO模式是以具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施為抓手，通過 Conceive-構(gòu)思、Design-設(shè)計(jì)、Implement-實(shí)施和Operate-運(yùn)行，培養(yǎng)的學(xué)生實(shí)踐操作能力，這與我國(guó)在新工科建設(shè)背景下的工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求相吻合[8]。研究以化學(xué)工程與工藝專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)課程為依托，結(jié)合地方高校特點(diǎn)，工程實(shí)踐與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，探索基于CDIO理念的化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式，旨在激發(fā)學(xué)生主體作用和創(chuàng)新實(shí)踐潛能，提升工程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

1 地方高校化工專業(yè)實(shí)踐能力培養(yǎng)過程中存在的問題

許多地方高校受限于軟硬件等條件，化工教育過度重視學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，忽視了引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐綜合應(yīng)用，化工實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)大多是按圖索驥、照本宣科，不同程度地存在化工設(shè)備容錯(cuò)率低、學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)感與獲得感不足等問題，培養(yǎng)過程中很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，難以實(shí)現(xiàn)知識(shí)掌握向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，工程教育的價(jià)值難以充分發(fā)揮。其原因是多方面的。

1.1 地方高校化工實(shí)踐教學(xué)手段相對(duì)單一

目前大多數(shù)地方高校化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)規(guī)模較小且都以化工單元操作為主，形式相對(duì)單一。因?yàn)榇蠖嗷ぴO(shè)備容錯(cuò)率低，大多數(shù)地方高校為了保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)安全，化工綜合實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)主要采取的是教師示范演示，學(xué)生則是按照特定實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行操作為主，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中畏首畏尾，缺乏主動(dòng)性和創(chuàng)新性，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與企業(yè)的化工產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)際存在一定的脫節(jié)，學(xué)生的化工綜合實(shí)踐能力得不到有效培養(yǎng)。

1.2 地方高校的化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置不足

由于化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備特別是大型化工實(shí)訓(xùn)設(shè)備價(jià)格昂貴，地方高校因?yàn)榻?jīng)費(fèi)等原因一般難以充足配置。面對(duì)人數(shù)較多的化工類專業(yè)學(xué)生，大多數(shù)地方高校一般采用的是4～5人一臺(tái)設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)，且大多為單列的化工單元操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，連續(xù)的化工生產(chǎn)過程被割裂了開來。另一方面，操作工藝要求高、危險(xiǎn)系數(shù)高，導(dǎo)致在地方高校校內(nèi)開展化工綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的難度較大。學(xué)生難以在地方高校實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)化工工藝的放大設(shè)計(jì)與綜合實(shí)訓(xùn)，單列的化工單元操作實(shí)驗(yàn)使學(xué)生無法有效參與化工生產(chǎn)整過程，容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)化工產(chǎn)品整體生產(chǎn)過程的理解和掌握能力得不到很好培養(yǎng)。

1.3 地方高校教師相對(duì)缺乏化工實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)

地方高校的大部分化工專業(yè)教師沒有化工廠的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的化工綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)只能進(jìn)行理論和簡(jiǎn)單操作指導(dǎo)，缺乏貼合化工企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的綜合實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)。高校聘用的企業(yè)技術(shù)人員雖然化工生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，但相對(duì)缺乏教育方法和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，影響化工實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。

1.4 學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力相對(duì)較差

現(xiàn)代化工生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化，工藝設(shè)計(jì)、工程問題解決和工程數(shù)據(jù)的運(yùn)算都離不開計(jì)算機(jī)，傳統(tǒng)的紙筆、計(jì)算器已無法完成化工運(yùn)算。目前地方高校的大多化工專業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力差，利用相關(guān)化工軟件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題的能力偏弱。

1.5 企業(yè)的化工實(shí)訓(xùn)難以達(dá)到預(yù)期效果

化工人才培養(yǎng)方案往往要求企業(yè)一次性完成幾十人的全程實(shí)訓(xùn)，大部分企業(yè)難以高質(zhì)量完成。考慮到化工企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)以及安全等因素，實(shí)訓(xùn)企業(yè)往往會(huì)嚴(yán)格限制學(xué)生的動(dòng)手操作，部分企業(yè)甚至以見習(xí)代替實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，學(xué)生在企業(yè)的化工實(shí)訓(xùn)期間大多是參觀裝置設(shè)備、了解工藝運(yùn)行狀況，很少被允許在中控室進(jìn)行實(shí)際化工生產(chǎn)操作。這種處處受限而無法全程參與進(jìn)來的企業(yè)實(shí)訓(xùn)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)感覺乏味，學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性收到很大影響，學(xué)生的實(shí)訓(xùn)獲得感不強(qiáng)，實(shí)訓(xùn)效果難以得到保證和提高。

2 基于CDIO理念的地方高校化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式改革

2.1 構(gòu)思設(shè)置課題

基于CDIO理念，在化工專業(yè)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行化工課題設(shè)置，給學(xué)生提供具有情境性和真實(shí)性的課題，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，豐富學(xué)生體驗(yàn)，構(gòu)思出最合理設(shè)計(jì)方案。結(jié)合化工專業(yè)特點(diǎn)，課題設(shè)置及實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件的選型應(yīng)符合工程實(shí)際，貼近實(shí)際需求場(chǎng)景，以便啟發(fā)學(xué)生多角度綜合觀察和思考[9]。如可構(gòu)思設(shè)置“年產(chǎn)10萬噸高純異戊二烯項(xiàng)目”“催化裂化工工藝”“合成氨工藝”“煤樣中的金屬元素分析檢測(cè)與去除工藝”等實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，實(shí)踐教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合，使抽象的理論知識(shí)具體化，培養(yǎng)學(xué)生“大工程觀思維”。

2.2 設(shè)計(jì)課題方案

CDIO設(shè)計(jì)課題方案環(huán)節(jié)目的是鍛煉學(xué)生能夠自行構(gòu)思設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施方案的能力，教師進(jìn)行輔助指導(dǎo)，保證項(xiàng)目順利實(shí)施[10]。如“年產(chǎn)10萬噸高純異戊二烯項(xiàng)目”“催化裂化工工藝”“合成氨工藝”等實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，學(xué)生可根據(jù)工藝車間特點(diǎn)，從車間主任、工程師、質(zhì)檢員等角色出發(fā)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和化工專業(yè)知識(shí)進(jìn)行物料衡算、熱量衡算、工藝流程、化工儀表等設(shè)計(jì)計(jì)算，促使學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、積極討論、創(chuàng)新研究獲得專業(yè)知識(shí)，提高化工工藝設(shè)計(jì)能力。

2.3 實(shí)施課題項(xiàng)目

項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案完成后即進(jìn)入CDIO課題實(shí)施階段。在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生小組需隨時(shí)在組內(nèi)交流討論、分析問題、明確分工。教師應(yīng)傾聽觀察學(xué)生表現(xiàn)，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考。通過虛擬仿真技術(shù)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合可極大提高實(shí)踐教學(xué)效率，“年產(chǎn)10萬噸高純異戊二烯項(xiàng)目”等課題引入虛擬仿真技術(shù)可解決實(shí)際化工設(shè)備容錯(cuò)率低等問題，允許學(xué)生在實(shí)施過程中的試錯(cuò)與糾錯(cuò)，從而構(gòu)建課題設(shè)置與化工產(chǎn)品研發(fā)、化工生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和管理能力的關(guān)聯(lián)。學(xué)生通過課題項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施不僅可以完成化工實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，掌握人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱要求的實(shí)訓(xùn)知識(shí)和基本實(shí)踐技能，還可以結(jié)合虛擬仿真技術(shù)更加全面的掌握化工生產(chǎn)原理、工藝過程、儀器設(shè)備選用與維護(hù)等，有利于提高學(xué)生化工實(shí)踐能力及分析解決復(fù)雜工藝問題的能力。

2.4 運(yùn)行考核評(píng)價(jià)

課題項(xiàng)目實(shí)施結(jié)束后，即進(jìn)入CDIO運(yùn)行考核評(píng)價(jià)。各小組提交化工設(shè)計(jì)說明書、化工課題實(shí)施與測(cè)試報(bào)告，接受教師考核與評(píng)價(jià)。此外教師還應(yīng)給出化工設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，引導(dǎo)學(xué)生開拓思路。虛擬仿真技術(shù)可減少教師工作量和簡(jiǎn)化考核評(píng)價(jià)。學(xué)生結(jié)合虛擬仿真技術(shù)完成設(shè)計(jì)的化工課題項(xiàng)目后，即完成了化工實(shí)踐與實(shí)訓(xùn)，虛擬仿真系統(tǒng)可隨時(shí)進(jìn)行學(xué)生實(shí)踐實(shí)訓(xùn)操作情況、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等的收集和分析，并可生成化工實(shí)踐實(shí)訓(xùn)成績(jī)和報(bào)告。系統(tǒng)可對(duì)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)成果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)和給定考核等級(jí)[11]。教師可結(jié)合實(shí)訓(xùn)報(bào)告和學(xué)生考核等級(jí)對(duì)學(xué)生全方面評(píng)價(jià)，同時(shí)結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果適時(shí)調(diào)整化工實(shí)踐課題項(xiàng)目和實(shí)訓(xùn)方案。

3 化工專業(yè)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合評(píng)價(jià)

化工專業(yè)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合評(píng)價(jià)體系可參考CDIO教學(xué)模式的實(shí)施效果建立[12]。學(xué)生成績(jī)可由學(xué)生實(shí)踐教學(xué)過程中的個(gè)人表現(xiàn)(20%)、實(shí)踐過程及操作(30%)、化工課題運(yùn)行考核評(píng)價(jià)(50%)三部分組成。其中個(gè)人表現(xiàn)包括考勤、紀(jì)律、衛(wèi)生、預(yù)習(xí)報(bào)告等，實(shí)踐過程及操作包括設(shè)備操作、數(shù)據(jù)記錄與分析、團(tuán)隊(duì)合作、異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象處理等，化工課題運(yùn)行考核評(píng)價(jià)包括實(shí)踐方案設(shè)計(jì)、方案可行性、技術(shù)選型、實(shí)施計(jì)劃、實(shí)踐報(bào)告等。化工專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)符合人才培養(yǎng)目標(biāo)及各培養(yǎng)目標(biāo)所支撐的學(xué)生畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，有利于反應(yīng)學(xué)生在化工綜合實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中的整體真實(shí)評(píng)價(jià)[13-14]。

4 結(jié)語(yǔ)

在新時(shí)代和新工科建設(shè)背景下，地方高校化工專業(yè)應(yīng)立足于化工技術(shù)創(chuàng)新和化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，為企事業(yè)單位從事工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)備操作、質(zhì)量監(jiān)控與生產(chǎn)管理等工作培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。該研究依托CDIO工程教育模式，探討了在虛擬仿真技術(shù)與實(shí)際實(shí)踐相結(jié)合的前提下，通過構(gòu)思課題方向、設(shè)計(jì)課題方案、實(shí)施課題項(xiàng)目、運(yùn)行考核評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)的化工實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，并結(jié)合化工專業(yè)特色，構(gòu)建化工綜合實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)化工實(shí)踐教學(xué)的不足和缺陷，為化工綜合實(shí)踐教學(xué)提供了安全、便捷的高效實(shí)施路徑。基于CDIO理念的虛擬仿真技術(shù)融入化工專業(yè)綜合實(shí)踐的教學(xué)活動(dòng)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，便于學(xué)生掌握數(shù)學(xué)、化學(xué)工程、精細(xì)化工、化工設(shè)備、化工設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及獨(dú)立開展化工研究和技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。