過程裝備與控制工程專業立體化實驗教學的實踐與探索

李 強，許偉偉，王建軍，金有海，王振波

（1.中國石油大學（華東）化學工程學院，山東 青島 266580；2.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

1 立體化實驗教學改革的需求

實驗教學是培養學生綜合素質和創新能力的重要手段和途徑，是將單一的認知過程變為“實踐—認識—理論—再認識—再理論—再實踐”的過程，是將抽象的理論在實踐中進行充分檢驗和運用的良好平臺［1－2］。

雖然過程裝備與控制工程專業（以下簡稱裝控專業）實驗教學改革一直在進行，但受制于傳統的實驗教學理念，實驗教學只是為理論教學服務，教師作為實驗主體，要詳細講解實驗過程，學生只是被動地接受來自書本的知識，實踐能力并沒有得到很好的訓練。由于受制于傳統的實驗體系，實驗教學只能在固定的時間和專門的實驗室中進行，不利于綜合性、探究性和研究性實驗內容的開展；由于受制于稀少的實驗資源，實驗教學多以演示型和驗證性實驗為主，學生動手機會較少，學習興趣難以被激發，制約了學生自主性和創新性的充分發揮。隨著過程工業的快速發展，對學生動手能力要求越來越高，迫切需要對裝控專業的實驗教學進行改革。

隨著計算機技術、信息技術和網絡技術的快速發展、推廣和普及［3－6］，半實物、全數字化動態模型及3D虛擬仿真技術已將傳統機械裝置的硬件功能軟件化，并使得原來“粗放”的實驗室硬件管理模式轉向“集約化”管理，實現了一個獨立的、開放的、面向社會的實驗系統，一個資源共享、多功能、多元化、多層次的綜合實驗教學平臺［7－8］，這不僅能改革傳統的教學和管理模式，提高教育水平，還能極大地降低實驗教學成本、提高工作效率。

根據《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》中提出的“加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設，重點建設一批國家級實驗教學示范中心、國家大學生校外實踐教學基地、高職實訓基地”的部署，中國石油大學國家級石油化工與裝備虛擬仿真實驗教學中心圍繞改進和提高實驗教學的質量和效果、更好地培養學生的協作能力、創新精神和工程意識的思路，對裝控專業立體化實驗教學的建設進行了必要的改革探索與實踐。

2 立體化實驗教學平臺的建設與實踐

裝控專業實驗教學采用虛擬實驗、仿真模擬、實踐創新3種教學模式，通過理論強化、模擬仿真、現場認知、工程實訓4個訓練梯度，遵循理論與實踐結合、虛擬與現實結合、模擬與仿真結合、教學與科研結合、校內與校外結合的“五結合”原則，構建了由教學演示型、仿真實踐型、綜合實訓型、認知設計型和開放提高型等5個教學模塊的綜合實驗教學結構體系（見圖1），助推學生的工程能力與創新能力的提高。

圖1 立體化實驗教學平臺框圖

2.1 教學演示型實驗教學

傳統教學模式的教學內容單一、工程背景不強，偏重于理論知識的傳授，學生實踐動手能力普遍較弱，達不到“培養學生的動手能力和創新能力”的教學目的［9］。中國石油大學（華東）裝控專業遵循“厚基礎、重實踐、強能力”原則，在實驗教學中注重理論知識的形象化展示，強調拓展知識面、強化適應能力和實踐能力，開展研究型實驗教學。裝控專業立足于所承擔的國家“十二五”規劃教材建設和精品課程建設，構建了包括多媒體課件、視頻教材、網絡資源、教學軟件等元素的教學素材庫（見圖2），以豐富的多元素資料充實實驗教學過程，這些資源的利用有效地提高了實驗項目的教學效果。

2.2 仿真實踐型實驗教學

根據裝控專業的特點，仿真實踐型教學模塊配備FLUENT、ANSYS、MSC、UG等大型商用仿真軟件。學生根據指導教師給出的工程案例，在計算機上進行各種復雜系統的建模、仿真和事故重構，實現概念化設計、虛擬樣機性能評價、復雜結構逆向求反等。學生可以根據不同的工況進行設計計算，然后比較不同的計算結果，更直觀地了解課堂上所學的基本原理。

圖2 裝控專業課程多媒體素材庫

圖3為基于ANSYS軟件的壓力容器應力分析結果，可以非常清晰地得到壓力容器在不同工況、不同位置的受力情況，并將各門力學知識綜合應用到項目中。通過這種仿真操作，不僅可以增強學生對專業課和相關知識的理解，而且可以提高學生的學習興趣和創新的主動性。

圖3 仿真實踐計算結果

為了解決實驗場地、實驗儀器少而學生人數多的矛盾，利用計算機技術和互聯網通信技術建立了網上實驗操作系統（見圖4）。通過網上實驗操作系統，學生可以在計算機上進行多種化工裝備性能實驗的模擬和虛擬仿真，可以模擬泵和壓縮機的啟動、關閉過程，正常運行和各種事故的處理，彌補了傳統實驗學生親自動手操作機會少的不足，真實地再現化工機械在生產中的工作過程。例如“往復壓縮機性能實驗網上平臺”就是通過網上操作及動畫演示，使學生掌握往復壓縮機的工作原理，掌握其啟動、關閉過程及操作注意事項。

圖4 網上實驗系統

2.3 綜合實訓型實驗教學

以國際頂級CAD/CAM/CAE軟件為平臺，結合復雜系統建模和仿真技術進行開發，使實驗內容由單一性、局部性向綜合性、整體性拓展，實驗方法由示范性、驗證性向開發性、設計性轉變，探索產學研協同創新機制和實驗教學新模式。

該實驗教學項目主要是由離心泵結構及工作原理實訓、往復壓縮機工作原理實訓、換熱器組裝實訓和分離設備工作原理實訓組成。圖5為離心泵結構及工作原理實訓平臺。利用該平臺，學生可以通過離心泵模型、仿真軟件以及現場拆裝練習，掌握離心泵的內部結構和輸送流體的工作原理，掌握離心泵的啟動過程及操作注意事項。通過虛擬仿真和現場實驗相結合的教學模式，可以引導學生進行知識結構的優化，并大大激發學生的科研興趣和學習動力，顯著提升學生理論聯系實際的能力。

圖5 離心泵結構及工作原理實訓平臺

與傳統的實物實驗不同，虛擬仿真實驗以虛擬的三維模型代替實物，完成結構認知、虛擬拆裝、虛擬制造、分析、測試、運行等實驗［10－11］，解決了實驗場地、安全性、經費等問題，不僅能使學生的實驗技能訓練更加符合工業實際情況，為學生就業奠定堅實的基礎，而且可以實現實驗教學的遠程操作，有利于教學實驗的開發并擴大輻射效應。

2.4 認知設計型實驗教學

認知設計型實踐教學依托國家級工程教育實踐中心、校工程教育訓練中心和校外穩定的實習基地，采用層次化、遞進式的教學模式。學生由入學時對工程概念的感性認知，到大二認識實習對過程工業的理性認識，再到大三現場實習的倒班實訓（見圖6），學生逐步深入生產一線，加強理論與生產實際的結合，鞏固課堂中所學到的理論知識，最終實現工程實踐能力的大幅度提升。

圖6 學生認知實習現場

設計型課程4年不斷線，加強設計內容的系統性、綜合性和規范性，采用項目教學、課程設計與畢業設計相結合的模式，都是對學生獨立思考、分析和解決問題能力的訓練。例如在“過程設備綜合課程設計”中，學生在教師的全面指導下，根據給定的工藝條件和要求，綜合運用所學知識，獨立完成典型化工設備（塔）的機械設計，包括設計參數的確定、標準和通用零部件的選用、主要零部件的材料選擇與設計計算、結構設計、塔體強度設計及穩定性校核驗算、施工圖的繪制和技術要求的編寫等。學生在完成設計任務后，可以利用仿真實踐教學模塊，通過仿真驗證工藝設計參數。

2.5 開放提高型實驗教學

按照“基礎、綜合、創新”3個層次完善實驗教學體系，鼓勵教師將科研成果、學科前沿知識融入實驗教學，供學生選擇和參與［12－13］。學生也可以根據自己的興趣、愛好和創意提出研究課題，自己組建課題研究團隊并選擇指導教師。通過這種開放的實驗項目，使學生獨立思考及創新的能力有不同程度的提高，培養了學生勇于探索和發現問題、解決問題的創新意識，并進一步鞏固和提高專業知識和實驗技能，為今后從事科研工作奠定了較好的基礎。例如部分學生創新小組已在教師的指導下，完成了“密閉循環式氣浮實驗裝置設計搭建及實驗探究”、“多機械臂同步控制實驗平臺建設”等創新創業項目。

3 結束語

中國石油大學（華東）在裝控專業立體化實驗教學平臺的建設中，將學校、學院的實驗資源、仿真實踐教學資源、虛擬仿真實驗教學資源與工程實訓資源整合到一起，構建了由教學演示型、仿真實踐型、綜合實訓型、認知設計型、開放提高型所組成的立體化實驗教學結構體系，盡可能使工程應用性實驗與理論教學實驗有機結合，將不同課程的實驗進行合理的交叉融合，將研究性實驗與教學性實驗融合在同一實驗平臺中，使真實實驗平臺與虛擬實驗系統互為補充，通過開放性實驗彌補實驗教學課時的不足。通過這種全方位、立體化實驗平臺，全面提高了學生的科學素質和創新精神，強化了理論與實踐實驗的有機結合與融會貫通。

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