Internet環(huán)境下符合工程理念的在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

姚 俊， 程 華, 應(yīng)衛(wèi)勇(華東理工大學(xué) . 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院; . 信息學(xué)院, 上海 200237)

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Internet環(huán)境下符合工程理念的在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

姚 俊a， 程 華b, 應(yīng)衛(wèi)勇a
(華東理工大學(xué) a. 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院; b. 信息學(xué)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(wǎng)上實(shí)驗(yàn)課程基于CDIO的設(shè)計(jì)理念和系統(tǒng)構(gòu)成，以及在教學(xué)中的實(shí)施，并以華東理工大學(xué)“集散系統(tǒng)(DCS)及實(shí)驗(yàn)”網(wǎng)上課程實(shí)驗(yàn)為例，介紹了該課程的基于CDIO的設(shè)計(jì)和在工程實(shí)踐性教學(xué)中的作用，指出探索與開(kāi)發(fā)基于工程背景、符合CDIO教學(xué)理念要求的實(shí)驗(yàn)課程對(duì)于工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有重要的意義。

工程教育； CDIO； 在線實(shí)驗(yàn)； 集散系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)

0 引 言

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，由于科學(xué)技術(shù)與社會(huì)化大生產(chǎn)在社會(huì)發(fā)展中起到的巨大作用，世界各國(guó)都認(rèn)識(shí)到培養(yǎng)現(xiàn)代工程人才是高等工程教育的核心問(wèn)題。在重視加強(qiáng)數(shù)學(xué)和科學(xué)基礎(chǔ)的前提下，更強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力、交流溝通與團(tuán)隊(duì)合作能力、終生學(xué)習(xí)能力、職業(yè)道德等現(xiàn)代工程所要求的技能與理念[1-2]。

因此，教育工作者對(duì)工程學(xué)科課程體系中最重要的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程提出了更高的要求。 在實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)與教學(xué)組織中，如何體現(xiàn)工程理念，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力成為實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題。CDIO工程教育模式相對(duì)于原有的教育模式，教育者整體教學(xué)理念都有創(chuàng)新和改變，其中也包括課程內(nèi)容設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)在工科課程在線實(shí)驗(yàn)等課題上已經(jīng)取得較大進(jìn)展，較好解決了課程實(shí)驗(yàn)難題，但是課程實(shí)驗(yàn)的工程化實(shí)踐方面的研究還處于起步階段。國(guó)外一些著名的教育機(jī)構(gòu)，如英國(guó)開(kāi)放大學(xué)、利物浦大學(xué)等開(kāi)展了這方面的研究并取得了成果。因此，發(fā)展具有工程化特點(diǎn)的在線實(shí)驗(yàn)課程成為Internet環(huán)境下實(shí)施CDIO工程教育模式的重要課題。過(guò)去的關(guān)于CDIO應(yīng)用的文獻(xiàn)主要集中在對(duì)工程教育培養(yǎng)模式的研究，本文則從在線實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)探討CDIO模式在遠(yuǎn)程工程教育中的應(yīng)用[5-6]。

1 工程教育理念

各類工科院校都注重工程知識(shí)與技能的與時(shí)俱進(jìn)、多元與跨文化的工程理念、并在工程人才培養(yǎng)過(guò)程中與企業(yè)及社會(huì)機(jī)構(gòu)展開(kāi)廣泛合作，積極摸索適合于本校特點(diǎn)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(yuǎn)的影響, 被各國(guó)廣泛采用[7]。

1.1 CDIO工程理念

本世紀(jì)初，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)組成跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)4年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育模式，并成立了以CDIO命名的國(guó)際合作組織。CDIO是以構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)、運(yùn)作(Operate)為4個(gè)主線過(guò)程，綜合地考慮專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人和職業(yè)的技能及團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通的技能，及在整個(gè)企業(yè)、社會(huì)環(huán)境下進(jìn)行4個(gè)主線過(guò)程以達(dá)到全面提升工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)過(guò)程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這4個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來(lái)工程教育改革的理念，更重要的是系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)的12條標(biāo)準(zhǔn)。迄今為止，已有幾十所世界著名大學(xué)加人了CDIO組織。其機(jī)械系和航空航天系全面采用CDIO工程教育理念和教學(xué)大綱，取得了良好效果[8-10]。

CDIO的應(yīng)用案例很多，多數(shù)應(yīng)用在整個(gè)教育模式和宏觀過(guò)程，本文從在線工程實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)闡述CDIO的實(shí)施，主要在于通過(guò)體現(xiàn)工程實(shí)踐特點(diǎn)的的設(shè)計(jì)和教學(xué)組織達(dá)到“工程化”的目標(biāo)。

1.2 國(guó)外高校在實(shí)驗(yàn)課程領(lǐng)域?qū)嵺`CDIO理念案例

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的工程特征是發(fā)達(dá)國(guó)家遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上最值得我們借鑒之處[11]。以英國(guó)開(kāi)放大學(xué)(The Open University，以下簡(jiǎn)稱英開(kāi))為例，其在上世紀(jì)90年代就開(kāi)設(shè)了工程學(xué)科專業(yè)。其工程學(xué)科課程體系中最重要的是實(shí)驗(yàn)課程，采用以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn) (主要在暑期學(xué)校(Summer School)完成)和家庭實(shí)驗(yàn)包真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)(后來(lái)又有網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn))為輔的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)[12]。

以“能量轉(zhuǎn)換” (Energy Conversion)實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的工程特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)主要目的是學(xué)生了解工業(yè)生產(chǎn)電解銅的真實(shí)流程，理解相關(guān)原理知識(shí)在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，并親身體驗(yàn)理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐的具體結(jié)合，實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)從粉碎銅礦石開(kāi)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(yè)化生產(chǎn)的生產(chǎn)流程，整個(gè)實(shí)驗(yàn)是基于工程實(shí)際設(shè)計(jì)的。

在整個(gè)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)組織中，也不同于普通的課程實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)了CDIO的理念。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先要求學(xué)生學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前1個(gè)月必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)備材料進(jìn)行預(yù)習(xí)，對(duì)現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)驗(yàn)做到有備而來(lái)，這可以看做CDIO中的構(gòu)思(Conceive)部分，一般的課程實(shí)驗(yàn)都要求這一點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中4人作為一個(gè)小組，首先集體給出實(shí)驗(yàn)方案，不同于一般的課程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案并不是確定的，老師只給出一些建議，事實(shí)上，從粉碎礦石到點(diǎn)解析出銅的多步實(shí)驗(yàn)步驟中，有多種途徑可以完成實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生們集體討論選擇什么樣的方案。這可以看做CDIO中的設(shè)計(jì)(Design)部分，這和國(guó)內(nèi)高校多數(shù)課程實(shí)驗(yàn)完全規(guī)定了實(shí)驗(yàn)步驟有很大的差別。

完成設(shè)計(jì)以后，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室邊實(shí)驗(yàn)，邊觀察，邊記錄，邊討論，每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都要求去解答或解決一些相關(guān)的問(wèn)題，如粉碎的效率、溶解濃度以及電解效率等，部分環(huán)節(jié)還要到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求解。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行觀察記錄和模型預(yù)測(cè)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 “暑期學(xué)校”結(jié)束前，學(xué)生還必須根據(jù)本星期實(shí)驗(yàn)情況，做口頭報(bào)告(Presentation)；教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)和作業(yè)情況、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的表現(xiàn)以及口頭報(bào)告，給出實(shí)驗(yàn)課程的最終評(píng)價(jià)。這大致可以看做CDIO中的實(shí)施(Implement)與運(yùn)行(Operate)部分。當(dāng)然，這與CDIO中要求運(yùn)行(Operate)部分的工作還有一些差別，只能看做是工程化生產(chǎn)的“小試”部分，距離真正意義上的生產(chǎn)過(guò)程還有較大距離。

可以看出，該實(shí)驗(yàn)基于工程背景設(shè)計(jì)，在教學(xué)過(guò)程中也注重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，雖然并不完全體現(xiàn)CDIO的所有要素，但相對(duì)于國(guó)內(nèi)高校一般課程實(shí)驗(yàn)，更注重培養(yǎng)學(xué)生自身分析問(wèn)題，設(shè)計(jì)流程、解決問(wèn)題直至完成的能力，整個(gè)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如前所述，我們應(yīng)該認(rèn)真學(xué)習(xí)國(guó)外高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的長(zhǎng)處，分析目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，進(jìn)而開(kāi)發(fā)具有符合CDIO理念的工程性實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目前存在的問(wèn)題

在傳統(tǒng)工科專業(yè)的課程教學(xué)中，主要是介紹原理和系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)于設(shè)計(jì)、操作、故障分析與解決等重要技能未作較多要求。雖然在學(xué)習(xí)過(guò)程中有到企業(yè)的工程實(shí)際環(huán)境中實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)，但大多數(shù)工廠考慮到生產(chǎn)安全等問(wèn)題，使得學(xué)生在企業(yè)的實(shí)習(xí)過(guò)程中不能進(jìn)行實(shí)際操作，更難以有實(shí)際故障分析與解決的機(jī)會(huì)，最多也只能聽(tīng)取介紹和查看資料，以便有個(gè)直觀認(rèn)識(shí)，這顯然不能滿足工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

另一方面，大多數(shù)實(shí)習(xí)實(shí)踐存在生產(chǎn)安全問(wèn)題，特別是化工行業(yè)生產(chǎn)的不可間斷性和安全性決定了工程人員不太可能反復(fù)在實(shí)際工程環(huán)境中做系統(tǒng)實(shí)施和運(yùn)行操作，因此采取在線的實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)基于Internet的虛擬技術(shù)，構(gòu)建相對(duì)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，并提供虛擬操作平臺(tái)，使得學(xué)生熟悉生產(chǎn)和操作。由此建立學(xué)生在理論與實(shí)踐之間的立交橋，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)與工程能力，填補(bǔ)學(xué)生在此階段的空白[13-15]。

因此，在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，首先需對(duì)原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法進(jìn)行重新梳理，基于CDIO的設(shè)計(jì)理念改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶头椒ǎ瑥?qiáng)化工程實(shí)踐的內(nèi)容；并通過(guò)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)虛擬和通信技術(shù)，拓展工程實(shí)踐的應(yīng)用范圍，使得工程實(shí)踐可以以更多元的方式、更廣泛的形式為眾多學(xué)生使用。

2.2 工程實(shí)驗(yàn)中的CDIO理念

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工程型人才的培養(yǎng)中占有重要地位，但當(dāng)前高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和CDIO的要求還有較大差距。工程最本質(zhì)的屬性是實(shí)踐，實(shí)踐是工程的起點(diǎn)和最終歸屬，而高校目前的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是適用于理論性驗(yàn)證和基本實(shí)驗(yàn)室技能訓(xùn)練，對(duì)于如何培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、工程能力、創(chuàng)新能力還較少涉及，不能滿足工程實(shí)踐的要求。只有在在課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)組織中，體現(xiàn)了如下幾個(gè)要素的內(nèi)容才可稱為具有CDIO理念的工程性實(shí)驗(yàn)：

(1) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否接近工程實(shí)際環(huán)境。

(2) 實(shí)驗(yàn)中要解決的問(wèn)題是否是工程實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題。

(3) 在實(shí)驗(yàn)思考、分析設(shè)計(jì)、實(shí)施和實(shí)際操作中的過(guò)程是否和工程實(shí)踐中類似。

在工程性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)組織中，如何實(shí)現(xiàn)CDIO的四個(gè)主線過(guò)程，是實(shí)驗(yàn)建設(shè)“工程化”要解決的首要問(wèn)題：

(1) 構(gòu)思(Conceive)環(huán)節(jié)：即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。 在工程實(shí)際環(huán)境中，觀察與發(fā)現(xiàn)各種現(xiàn)象、分析現(xiàn)象之間的聯(lián)系。因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須較為真實(shí)地模擬這些現(xiàn)象，以便于學(xué)生觀察到異常，并加以分析。

(2) 設(shè)計(jì)(Design)環(huán)節(jié)：即分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案。學(xué)生經(jīng)過(guò)現(xiàn)象分析，確定現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)因與外因；結(jié)合理論進(jìn)行討論，明確調(diào)節(jié)目標(biāo)與調(diào)節(jié)手段，形成解決方案。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須便于討論和方案設(shè)計(jì)。

(3) 實(shí)施(Implement)和運(yùn)行(Operate)環(huán)節(jié)，即操作和管理。工程人員通過(guò)工程性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熟悉操作過(guò)程，完成一般的簡(jiǎn)單操作到復(fù)雜操作動(dòng)作的實(shí)施。往往具體操作的經(jīng)驗(yàn)也決定了實(shí)施和運(yùn)行的有效性，因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需提供真實(shí)可操作的環(huán)境。

在工廠實(shí)踐中，計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的手段已廣泛使用，例如DCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等，生產(chǎn)過(guò)程的控制都是在控制室里通過(guò)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。這正是可以進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)可行性和運(yùn)行基礎(chǔ)。

2.3 在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則

在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)CDIO理念，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程能力和理念，必須遵循如下規(guī)則：

(1) 具有工程實(shí)際背景。按照工程實(shí)際環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程CDIO過(guò)程應(yīng)和工程實(shí)際過(guò)程一致，如華東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的“數(shù)字化校園”、“集散系統(tǒng)(DCS)及實(shí)驗(yàn)”，“硝酸實(shí)習(xí)輔助教學(xué)系統(tǒng)”等工程實(shí)驗(yàn)(如圖1)，反映了工作現(xiàn)場(chǎng)與操作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程完全以工程實(shí)際操作過(guò)程為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。如 “硝酸生產(chǎn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)”儀器儀表選擇等步驟都具有項(xiàng)目全過(guò)程特點(diǎn)。

(2) 實(shí)驗(yàn)應(yīng)反映團(tuán)隊(duì)合作。團(tuán)隊(duì)合作是工程實(shí)踐中的重要部分，因此，工程實(shí)驗(yàn)應(yīng)反映出和其他團(tuán)隊(duì)成員合作的環(huán)節(jié)。

(3) 實(shí)驗(yàn)可與理論內(nèi)容結(jié)合。不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)理論的驗(yàn)證，工程實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用理論知識(shí)對(duì)工程實(shí)際過(guò)程中的某些步驟進(jìn)行分析和計(jì)算，以便找出設(shè)計(jì)或解決方案。如“硝酸生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)”中涉及物理化學(xué)反應(yīng)、化工原理計(jì)算。

(4) 實(shí)驗(yàn)應(yīng)反映工程背景復(fù)雜環(huán)境，特別是干擾和各種非理想狀態(tài)。工程實(shí)際環(huán)境遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境復(fù)雜，因此工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮各種干擾情況，并為學(xué)生提供處理途徑。如在“集散系統(tǒng)(DCS)實(shí)驗(yàn)”中模擬管線的各種擾動(dòng)，都是工程實(shí)際中可能遇到的。

(5) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須反映各種故障及處理途徑。如前所述，故障發(fā)現(xiàn)和處理是現(xiàn)代工程技術(shù)人員的主要工作，但在實(shí)際工程環(huán)境下卻很少有機(jī)會(huì)開(kāi)展訓(xùn)練。因此，在線工程實(shí)驗(yàn)中對(duì)于各種故障的模擬是實(shí)驗(yàn)的主要部分。

2.4 在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與組成

在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化的在線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，即基于層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行自頂向下的逐層設(shè)計(jì)，在每一層中都考慮該層的主要功能及其在線的可實(shí)現(xiàn)性。在線的可行性主要基于Flash技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)和視頻展示技術(shù)。

在線工程實(shí)驗(yàn)課程由全過(guò)程實(shí)驗(yàn)、組合實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立課程實(shí)驗(yàn)組成。全過(guò)程實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生全面了解工業(yè)過(guò)程的全過(guò)程，主要為CDIO環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)；組合實(shí)驗(yàn)則針對(duì)某一工段，以訓(xùn)練學(xué)生操作和故障處理為目的；獨(dú)立課程實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)某一工程問(wèn)題而設(shè)計(jì)。

圖1 硝酸生產(chǎn)過(guò)程在線實(shí)驗(yàn)界面

2.4.1 全過(guò)程實(shí)驗(yàn)流程

(1) 內(nèi)容。查看整體的工程實(shí)踐目標(biāo)、環(huán)境、總流程圖。

(2) 功能。反應(yīng)生產(chǎn)實(shí)踐，學(xué)生可以了解生產(chǎn)全流程，以及觀察到具體實(shí)物的圖像，產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)可以將實(shí)體與計(jì)算機(jī)圖形的表示相結(jié)合進(jìn)行認(rèn)識(shí)，符合人的認(rèn)知，也有利于基于計(jì)算機(jī)圖形的虛擬在線實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

(3) 在線實(shí)現(xiàn)。全流程的計(jì)算機(jī)圖示法結(jié)合實(shí)體圖(或?qū)嶓w視頻)，都可采取在線flash方式實(shí)現(xiàn)。

2.4.2 組合實(shí)驗(yàn)過(guò)程：(工段實(shí)驗(yàn))

(1) 定位。定位為一個(gè)工段或多個(gè)相鄰工段里的多個(gè)學(xué)科組合的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。如圖1就是一個(gè)硝酸生產(chǎn)工段的實(shí)驗(yàn)界面。

(2) 內(nèi)容。以小組的方式對(duì)組合實(shí)驗(yàn)的故障處理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)告撰寫(xiě)、口頭匯報(bào)、討論。體現(xiàn)CDIO中的IO部分。

(3) 功能。通過(guò)多學(xué)科實(shí)驗(yàn)、多工序/段實(shí)驗(yàn)的組合，使學(xué)生在組合實(shí)驗(yàn)的故障處理、數(shù)據(jù)分析中，不能僅僅考慮單方面的因素，這反映了實(shí)際生產(chǎn)所面臨的問(wèn)題。例如，DCS流程出現(xiàn)某個(gè)現(xiàn)象/告警，不能僅僅考慮工藝參數(shù)的變化(如輸入流量變化)，而要同時(shí)考慮儀表故障因素、或前工段中間產(chǎn)品的變化。

在實(shí)際生產(chǎn)中，多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容緊密結(jié)合在一起，而在實(shí)際的課程實(shí)驗(yàn)中，通常把某個(gè)學(xué)科的原理抽象出來(lái)，進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。因此，返回到實(shí)際生產(chǎn)中，還需結(jié)合多個(gè)學(xué)科內(nèi)容。化工生產(chǎn)中的工藝目標(biāo)，如穩(wěn)定的溫度必須通過(guò)自控PID手段實(shí)現(xiàn)。

(4) 在線實(shí)現(xiàn)。綜合組合實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)在同一套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下展開(kāi)，分別完成各自的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。結(jié)合工段流程的計(jì)算機(jī)圖示法和獨(dú)立課程實(shí)驗(yàn)的虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)組合實(shí)驗(yàn)的在線訪問(wèn)與管理。

2.4.3 單個(gè)獨(dú)立課程實(shí)驗(yàn)

(1) 內(nèi)容。單個(gè)實(shí)驗(yàn)，包含理論、設(shè)計(jì)、操作。體現(xiàn)CDIO中的CD部分：允許學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，做一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立實(shí)驗(yàn)操作步驟。例如“可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定”、“不同外壓下液體沸點(diǎn)測(cè)定”等。

(2) 功能。完成獨(dú)立課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理的解釋，具體實(shí)驗(yàn)的操作流程與步驟，提供基于計(jì)算機(jī)的虛擬操作界面，允許學(xué)生多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。針對(duì)工程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有意識(shí)的在課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中增加現(xiàn)場(chǎng)因素，如溫度、壓力 。例如“可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定”中溫度的設(shè)定。此類實(shí)驗(yàn)可以稱為“部分符合工業(yè)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)”。

(3) 在線實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)形式為在線虛擬實(shí)驗(yàn)。基于flash技術(shù)和后臺(tái)的數(shù)據(jù)模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的圖形化展示與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成。數(shù)據(jù)模型計(jì)算中建立一定的誤差模型，使數(shù)據(jù)輸出具有一定的隨機(jī)特征。

3 基于CDIO的“集散系統(tǒng)(DCS)實(shí)驗(yàn)”在線工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 課程簡(jiǎn)介

以“集散系統(tǒng)(DCS)及實(shí)驗(yàn)”為例介紹基于CDIO理念的的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)。，DCS系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型石油化工，電力等企業(yè),由于實(shí)際裝置通常穩(wěn)定在正常工況下運(yùn)行,誤操作會(huì)引起生產(chǎn)事故,所以傳統(tǒng)的師傅帶徒弟的方法，使被培訓(xùn)人員很少有自己動(dòng)手練習(xí)操作的機(jī)會(huì)，而開(kāi)、停車過(guò)程及故障處理的學(xué)習(xí)更為困難，因此開(kāi)發(fā)該課程的在線工程實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)非常重要。

由于DCS系統(tǒng)本身的大多數(shù)操作都是基于計(jì)算機(jī)的操作，因此網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)課程的界面十分接近DCS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制部分操作的界面，這是其中一個(gè)粗丙酮精餾單元的培訓(xùn)課程。

3.2 “DCS”工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文將一個(gè)簡(jiǎn)單故障處理操作來(lái)說(shuō)明演示在DCS網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)平臺(tái)上故障發(fā)現(xiàn)、分析處理過(guò)程，演示該系統(tǒng)如何結(jié)合工程實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。

3.2.1 構(gòu)思(Conceive)與設(shè)計(jì)(Design)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

(1) 學(xué)生觀察到粗丙酮塔T-601頂溫度儀表TI-6006異常過(guò)高報(bào)警，系統(tǒng)要求學(xué)生調(diào)節(jié)至正常運(yùn)行溫度73.0～80.0℃。

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

(3) 學(xué)生首先需分別檢查相關(guān)3個(gè)儀表，即加水量?jī)x表FRC-6015，回流量?jī)x表FR-6019，E-601再沸器回水儀表FRC-6014(見(jiàn)圖2)，以確定儀表正常工作。

(4) 然后分析儀表數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)回流量?jī)x表FR-6019讀數(shù)偏小。

(5) 在找到問(wèn)題后(回流量偏小)，根據(jù)工藝?yán)碚摲治觯_定解決方案，即增大塔頂FR-6019回流量。

3.2.2 實(shí)施(Implement)與運(yùn)行(Operate)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

學(xué)生實(shí)際操作，將溫度調(diào)節(jié)至正常運(yùn)行溫度。整個(gè)操作過(guò)程必須符合現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)范。

(1) 首先將LRC-6023改為手動(dòng)控制，每次增加調(diào)節(jié)閥閥位必須小于2%(如果超出這個(gè)閥位調(diào)節(jié)，訓(xùn)練中系統(tǒng)將給出警告，在考試中則學(xué)生將被扣分)。

(2) 每次調(diào)節(jié)后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)數(shù)學(xué)模型將相應(yīng)儀表調(diào)至相應(yīng)位置。

(3) 學(xué)生則根據(jù)儀表顯示情況繼續(xù)調(diào)解，直至塔頂溫度恢復(fù)到73.0～80.0℃。

(4) 此時(shí)，將LRC-6023設(shè)置為自動(dòng)控制。

可以看出，整個(gè)故障處理過(guò)程中，課程系統(tǒng)并不像普通課程實(shí)驗(yàn)制定嚴(yán)格的步驟，而是讓學(xué)生根據(jù)工程實(shí)際情況，通過(guò)觀察來(lái)制定解決方案，然后根據(jù)操作規(guī)范來(lái)運(yùn)行，整個(gè)課程設(shè)計(jì)與教學(xué)過(guò)程較好地體現(xiàn)了CDIO的理念。

3.3 與傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)比較

“集散系統(tǒng)(DCS)實(shí)驗(yàn)”在線工程實(shí)驗(yàn)的實(shí)施環(huán)境十分接近傳統(tǒng)教學(xué)中“化工原理實(shí)驗(yàn)”中的精餾塔的操作和全塔效率測(cè)定實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)界面見(jiàn)圖2)。

圖2 化工原理課程的精餾塔的操實(shí)驗(yàn)

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象雖然很接近，但在教學(xué)目的和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念上存在較大差異。集散系統(tǒng)(DCS)實(shí)驗(yàn)中的精餾塔操作實(shí)驗(yàn)采用CDIO的理念，完全模擬工廠現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境，主要目的是讓熟練掌握精餾粗丙酮單元的開(kāi)關(guān)機(jī)操作，學(xué)習(xí)該單元的異常觀察，故障分析與解決及實(shí)際操作，實(shí)驗(yàn)提供的指導(dǎo)主要是介紹現(xiàn)場(chǎng)操作要點(diǎn)，重點(diǎn)在于儀表的觀察與操作規(guī)范與要求，這是以現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)范為藍(lán)本制作的。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)機(jī)操作要求學(xué)生完全按照操作手冊(cè)操作，故障處理則要求學(xué)生通過(guò)觀察多個(gè)儀表異常，找出異常原因，并進(jìn)行實(shí)際操作處理。最后要求學(xué)生分析故障詳細(xì)原因，討論更其他有效的辦法達(dá)到調(diào)節(jié)目標(biāo)。此實(shí)驗(yàn)著眼于培養(yǎng)在該型號(hào)的集散系統(tǒng)(DCS)環(huán)境下，工程人員的觀察分析操作能力。學(xué)生經(jīng)過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練以后可以較快地熟悉工程實(shí)際操作環(huán)境。

而“化工原理實(shí)驗(yàn)”則是典型的傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要是驗(yàn)證所學(xué)理論，熟悉基本實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)環(huán)境是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私饩s過(guò)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程相對(duì)固定，設(shè)計(jì)過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)單，學(xué)生只需要按照固定步驟就能完成實(shí)驗(yàn)，主要是對(duì)所學(xué)原理性知識(shí)的鞏固，不能馬上把所學(xué)技能應(yīng)用于工程實(shí)踐環(huán)境。

3.4 在線工程實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)準(zhǔn)則

要達(dá)到工程性課程教學(xué)效果，開(kāi)發(fā)的在線實(shí)驗(yàn)必須具有以下特性：

(1) 真實(shí)性。這在工程性實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)平臺(tái)中最為重要，真實(shí)性主要體現(xiàn)為運(yùn)行環(huán)境的真實(shí)性和數(shù)據(jù)的真實(shí)性。運(yùn)行環(huán)境的真實(shí)性可以通過(guò)真實(shí)照片和圖片模擬現(xiàn)場(chǎng)、3D動(dòng)畫(huà)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)真實(shí)性應(yīng)通過(guò)建立較為精確的數(shù)學(xué)模型或其他計(jì)算工具來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

(2) 易操作性。有針對(duì)學(xué)生的引領(lǐng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程的學(xué)習(xí)導(dǎo)航，讓學(xué)生可以方便的進(jìn)行工程模擬操作，在平時(shí)訓(xùn)練中，在學(xué)生發(fā)生錯(cuò)誤操作時(shí)，應(yīng)有簡(jiǎn)單易懂的錯(cuò)誤提示。

(3) 智能化。較為復(fù)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(dá)到目的，因此系統(tǒng)必須具有一定的智能化判斷。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于CDIO的工程化網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)通過(guò)較為真實(shí)地模擬工程實(shí)際，在構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)施(Implement)與運(yùn)行(Operate)等各個(gè)環(huán)節(jié)讓學(xué)生以工程的理念來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和總結(jié)問(wèn)題，提高學(xué)生的工程意識(shí)和能力。網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中，對(duì)于有工程背景的課程可以進(jìn)行工程化的改造，融入CDIO模式的多個(gè)要素，成為真正工程化的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目(CECC06)

姚 俊(1973-)，男， 四川隆昌人，碩士，工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)代遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)融合。

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

TP 391

A

1006-7167(2015)02-0171-06