基于CDIO理念的虛擬仿真技術融入地方高校化工專業實踐教學模式改革探索

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

0 引言

化學工程與工藝專業主要研究化學工程與化學工藝相關的基本知識和技能，涉及化學反應、化工單元操作、化工過程與設備、工藝過程系統模擬優化等多個方面，進行化工合成、化學工藝優化、化學檢驗等。社會的快速發展對傳統的化工行業進行轉型升級的要求越來越迫切，急需一大批綜合能力和創新能力強的化工應用型人才。化工應用型人才的基本支撐點是工程實踐能力。近年來，虛擬仿真技術發展迅猛。利用虛擬仿真技術可構建網絡化、交互式、開放式的虛擬實踐教學平臺，可實現教學資源數字化和共享化的高度集成[1-2]。虛擬仿真技術輔助實驗教學已經成為各高校提升教育水平和提高人才培養質量的重要手段。特別是化學化工類學科，一些高危險、高污染和高成本的實驗教學越來越離不開虛擬仿真技術[3]。隨著科學技術和化工產業的高速發展，企事業單位要求化工類專業人才具有較強的工程實踐能力，具有自主學習和終身學習的意識，具備持續學習和自我完善的能力，具備獨立開展化工研究和技術開發的創新設計能力。

2016年我國加入《華盛頓協議》，實現了本科工程學歷資格的國際互認，國內工程教育需要結合國際進行方向和思路改革。2017年，教育部頒布的《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》中明確提出新工科建設應以工程類人才的培養為核心，注重提升人才培養質量[4]。在新工科建設背景下，培養新時代亟需的具有較強工程實踐能力的應用型人才是高等工程教育改革的目標[5]。CDIO模式是由瑞典皇家工學院、麻省理工學院等4所工程院校率先提出的一種工程教育理念，近年來得到了國際工程教育的倡導和推廣[6-7]。CDIO模式是以具體項目設計和實施為抓手，通過 Conceive-構思、Design-設計、Implement-實施和Operate-運行，培養的學生實踐操作能力，這與我國在新工科建設背景下的工程應用型人才的培養要求相吻合[8]。研究以化學工程與工藝專業綜合實驗與實訓課程為依托，結合地方高校特點，工程實踐與虛擬仿真技術相結合，探索基于CDIO理念的化工專業實踐教學模式，旨在激發學生主體作用和創新實踐潛能，提升工程實踐教學質量。

1 地方高校化工專業實踐能力培養過程中存在的問題

許多地方高校受限于軟硬件等條件，化工教育過度重視學生理論知識的學習，忽視了引導學生進行工程實踐綜合應用，化工實驗實訓教學大多是按圖索驥、照本宣科，不同程度地存在化工設備容錯率低、學生實際體驗感與獲得感不足等問題，培養過程中很難調動學生學習積極性和主動性，難以實現知識掌握向實際應用的轉變，工程教育的價值難以充分發揮。其原因是多方面的。

1.1 地方高校化工實踐教學手段相對單一

目前大多數地方高校化工基礎實驗教學多采用分組實驗，實驗規模較小且都以化工單元操作為主，形式相對單一。因為大多化工設備容錯率低，大多數地方高校為了保證設備正常運轉和實驗安全，化工綜合實驗與實訓主要采取的是教師示范演示，學生則是按照特定實驗流程進行操作為主，導致學生實驗過程中畏首畏尾，缺乏主動性和創新性，實驗實訓與企業的化工產品生產實際存在一定的脫節，學生的化工綜合實踐能力得不到有效培養。

1.2 地方高校的化工實驗設備配置不足

由于化工實驗設備特別是大型化工實訓設備價格昂貴，地方高校因為經費等原因一般難以充足配置。面對人數較多的化工類專業學生，大多數地方高校一般采用的是4～5人一臺設備開展實驗，且大多為單列的化工單元操作實驗設備，連續的化工生產過程被割裂了開來。另一方面，操作工藝要求高、危險系數高，導致在地方高校校內開展化工綜合實訓實體實驗的難度較大。學生難以在地方高校實驗室實現化工工藝的放大設計與綜合實訓，單列的化工單元操作實驗使學生無法有效參與化工生產整過程，容易導致學生對化工產品整體生產過程的理解和掌握能力得不到很好培養。

1.3 地方高校教師相對缺乏化工實訓經驗

地方高校的大部分化工專業教師沒有化工廠的工作經驗，對學生的化工綜合實訓教學只能進行理論和簡單操作指導，缺乏貼合化工企業生產實際的綜合實訓指導。高校聘用的企業技術人員雖然化工生產實踐經驗豐富，但相對缺乏教育方法和教學經驗，影響化工實訓教學效果。

1.4 學生計算機應用能力相對較差

現代化工生產已基本實現全程自動化，工藝設計、工程問題解決和工程數據的運算都離不開計算機，傳統的紙筆、計算器已無法完成化工運算。目前地方高校的大多化工專業學生計算機應用能力差，利用相關化工軟件進行工藝設計、解決實際問題的能力偏弱。

1.5 企業的化工實訓難以達到預期效果

化工人才培養方案往往要求企業一次性完成幾十人的全程實訓，大部分企業難以高質量完成。考慮到化工企業的生產特點以及安全等因素，實訓企業往往會嚴格限制學生的動手操作，部分企業甚至以見習代替實習實訓，學生在企業的化工實訓期間大多是參觀裝置設備、了解工藝運行狀況，很少被允許在中控室進行實際化工生產操作。這種處處受限而無法全程參與進來的企業實訓，導致學生對實訓感覺乏味，學習積極性和主動性收到很大影響，學生的實訓獲得感不強，實訓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實踐教學模式改革

2.1 構思設置課題

基于CDIO理念，在化工專業實踐實訓課程設計中進行化工課題設置，給學生提供具有情境性和真實性的課題，結合虛擬仿真技術進行項目設計，豐富學生體驗，構思出最合理設計方案。結合化工專業特點，課題設置及實驗設備組件的選型應符合工程實際，貼近實際需求場景，以便啟發學生多角度綜合觀察和思考[9]。如可構思設置“年產10萬噸高純異戊二烯項目”“催化裂化工工藝”“合成氨工藝”“煤樣中的金屬元素分析檢測與去除工藝”等實踐實訓教學項目，實踐教學與虛擬仿真教學相結合，使抽象的理論知識具體化，培養學生“大工程觀思維”。

2.2 設計課題方案

CDIO設計課題方案環節目的是鍛煉學生能夠自行構思設計實驗項目實施方案的能力，教師進行輔助指導，保證項目順利實施[10]。如“年產10萬噸高純異戊二烯項目”“催化裂化工工藝”“合成氨工藝”等實踐實訓教學項目，學生可根據工藝車間特點，從車間主任、工程師、質檢員等角色出發，結合虛擬仿真技術和化工專業知識進行物料衡算、熱量衡算、工藝流程、化工儀表等設計計算，促使學生通過自主學習、積極討論、創新研究獲得專業知識，提高化工工藝設計能力。

2.3 實施課題項目

項目設計方案完成后即進入CDIO課題實施階段。在這個環節，學生小組需隨時在組內交流討論、分析問題、明確分工。教師應傾聽觀察學生表現，啟發引導學生思考。通過虛擬仿真技術和實際實驗的虛實結合可極大提高實踐教學效率，“年產10萬噸高純異戊二烯項目”等課題引入虛擬仿真技術可解決實際化工設備容錯率低等問題，允許學生在實施過程中的試錯與糾錯，從而構建課題設置與化工產品研發、化工生產工藝設計和管理能力的關聯。學生通過課題項目的設計和實施不僅可以完成化工實踐教學任務，掌握人才培養方案和教學大綱要求的實訓知識和基本實踐技能，還可以結合虛擬仿真技術更加全面的掌握化工生產原理、工藝過程、儀器設備選用與維護等，有利于提高學生化工實踐能力及分析解決復雜工藝問題的能力。

2.4 運行考核評價

課題項目實施結束后，即進入CDIO運行考核評價。各小組提交化工設計說明書、化工課題實施與測試報告，接受教師考核與評價。此外教師還應給出化工設計改進建議，引導學生開拓思路。虛擬仿真技術可減少教師工作量和簡化考核評價。學生結合虛擬仿真技術完成設計的化工課題項目后，即完成了化工實踐與實訓，虛擬仿真系統可隨時進行學生實踐實訓操作情況、實驗數據等的收集和分析，并可生成化工實踐實訓成績和報告。系統可對學生的實訓成果進行量化評價和給定考核等級[11]。教師可結合實訓報告和學生考核等級對學生全方面評價，同時結合評價結果適時調整化工實踐課題項目和實訓方案。

3 化工專業實踐實訓教學綜合評價

化工專業實踐實訓教學綜合評價體系可參考CDIO教學模式的實施效果建立[12]。學生成績可由學生實踐教學過程中的個人表現(20%)、實踐過程及操作(30%)、化工課題運行考核評價(50%)三部分組成。其中個人表現包括考勤、紀律、衛生、預習報告等，實踐過程及操作包括設備操作、數據記錄與分析、團隊合作、異常實驗現象處理等，化工課題運行考核評價包括實踐方案設計、方案可行性、技術選型、實施計劃、實踐報告等。化工專業綜合實踐教學評價標準符合人才培養目標及各培養目標所支撐的學生畢業要求指標點，有利于反應學生在化工綜合實踐教學活動中的整體真實評價[13-14]。

4 結語

在新時代和新工科建設背景下，地方高校化工專業應立足于化工技術創新和化工產業發展需求，為企事業單位從事工程設計、產品研發、設備操作、質量監控與生產管理等工作培養高素質應用型人才。該研究依托CDIO工程教育模式，探討了在虛擬仿真技術與實際實踐相結合的前提下，通過構思課題方向、設計課題方案、實施課題項目、運行考核評價等環節的化工實踐實訓教學模式，并結合化工專業特色，構建化工綜合實踐教學活動的評價指標體系。虛擬仿真技術彌補了傳統化工實踐教學的不足和缺陷，為化工綜合實踐教學提供了安全、便捷的高效實施路徑。基于CDIO理念的虛擬仿真技術融入化工專業綜合實踐的教學活動，可以激發學生學習的主動性和積極性，便于學生掌握數學、化學工程、精細化工、化工設備、化工設計等方面的基礎知識和實驗技能，提高學生的工程實踐能力及獨立開展化工研究和技術開發的創新設計能力。