新工科時代輕化工程專業新型工程教育信息化研究—以西安工程大學為例

師文釗，習智華，劉瑾姝，王雪燕，任 燕

（西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安 710048）

輕化工程專業中涉及的染整加工行業是傳統行業，常規紡織品附加值低，市場競爭激烈，具有新功能的產品開發投入費用大，企業對人才的需求日益提升。而在生態環保、綠色加工的行業發展背景下，新型紡織印染制造關鍵技術、設備、工藝、產品及其質量評價等的研發及應用，也給輕化工程專業工程教育教學帶來了巨大的壓力[1]。目前，輕化工程專業工程教育與行業企業實際生產加工有所脫節，所培養學生的工程實踐能力與知識結構水平契合程度一般，一定程度上制約了紡織印染專業工程教育的發展[2]。新技術、新產業與新業態異軍突起、迅猛發展需要大批跨學科交叉的新型卓越工程技術人才，高校現行的工程教育信息化方法及內容不能適應新型卓越人才的培養[3]。

1 新型工程教育信息化研究的必要性

1.1 紡織工業“十三五”發展要求

針對“十二五”以來紡織工業創新型人才缺乏、綜合創新能力較弱等問題，紡織工業發展規劃（2016～2020年）[4]要求進一步發揮高等院校工程技術研究中心、重點實驗室等在紡織印染產業中的基礎型科學研究和關鍵技術攻關作用，大幅提升紡織印染綠色制造技術及應用水平，研發低給液染色等關鍵技術；推動互聯網、大數據等在紡織印染行業融合應用；開發新型印染生產線數字化監控系統，建立智能化印染連續生產車間和數字化間歇式染色車間，推動信息化技術在紡織生產、研發、管理等環節的運用。以上具體要求均為目前紡織印染專業人才培養帶來了新的挑戰。紡織類高校只有在紡織印染工業發展的大背景下，進一步研究并應用新型工程教育信息化方法，才能及時應對行業發展新要求，適應產業對新型工程技術人才的需求。

1.2 陜西省紡織產業轉型升級需求

陜西省作為全國重要的紡織工業基地已經有近60年的發展歷史，而作為陜西的傳統重要支柱產業，紡織工業對陜西省的經濟與社會發展影響巨大[5]。但從1990年至今，受市場經濟的快速發展和國家產業政策調整等影響，陜西省紡織印染產業出現了產業鏈殘缺、企業生產成本增加、產品附加值低、人才流失嚴重等問題，明顯制約了陜西省紡織印染工業的發展。在“一帶一路”倡議的帶動下，作為絲綢之路的起點，陜西的紡織印染產業得到了難得的發展機遇[6]。在紡織產業轉型升級的契機下，高校更應借助新型信息化方法，為工程教育人才培養奠定堅實基礎。通過新型工程教育信息化研究和實踐，可為紡織印染產業進一步提高產業效率，滿足紡織印染產品差異化、小批量、多品種的生產需求，培養多元化、創新型卓越工程人才，提供智力和人才支撐。

2 目前輕化工程專業工程教育信息化存在的問題

2.1 工程教育與行業企業脫節

2.1.1 教學設備滯后

紡織印染生產工藝流程長、設備種類繁多、工藝設計變換復雜，行業關鍵技術，如低給液染色、針織物平幅連續加工等新型綠色染整加工，新型印染生產線數字化監控系統、數控化印染主機裝備等自動化、數字化、智能化印染設備及生產，高效環保型漿料、染料及助劑等紡織化學品開發及應用等技術的研發及應用，促使行業企業不斷更新設備及技術以適應市場需求，而高校工程教育受資金、場地等資源方面限制，教學設備多為小樣機、中樣機等，設備機型少，連續化印染加工設備間斷且系統性、加工單元前后一致性差，設備更新通常滯后于行業企業設備需求，從而導致專業工程教育實踐環節與實際生產加工不吻合，工程教育教學無法達到通識教育所要求的寬廣的知識面和專業教育所需要的尖端前沿科學要求，難以滿足行業技術發展對高校專業人才培養的要求。

2.1.2 教學資源脫節

紡織印染加工中高端裝備、高性能纖維、智能紡織品服裝的研究與制造是紡織產業結構調整和產業升級的重點，而目前輕化工程專業工程教育教學資源受限于現有培養方案、教學課時安排等，較多側重于理論知識的原理性介紹，雖有實際生產設備、工藝、產品及質量控制等內容的介紹，但仍欠缺新型綠色染整加工、智能化印染加工、智能制造關鍵技術等在實際生產加工中應用的相應教學素材和內容。實際紡織印染加工產品種類繁多、工藝復雜、產品質量評價體系不同，校內教育教學內容中多為基礎的、傳統的產品類型的加工工藝及原理，涉及的市場產品類型有限，無法較好地拓展學生對新技術、新產品的知識掌握，難以滿足行業企業對新產品開發等方面的需求。

2.2 工程教育信息化建設滯后

在“互聯網+”迅速發展時代背景下，信息技術同樣在紡織印染行業各個環節得以深入應用，不斷促進生產加工模式智能化、精細化轉變，大數據、云平臺等催生出更多紡織印染加工新業態、新模式，紡織印染加工與信息技術、互聯網的深度融合對傳統工程教育人才培養提出了新挑戰。高校目前的教育教學大多仍以課堂教學為主，雖然近些年逐步發展了在線學習等方式，但主要集中在專業個別課程的建設上，且受培養方案及授課要求限制，信息化技術在教育教學中的實際應用較少。傳統的課堂教學早已不能滿足學生學習新知識、新技術去解決新業態、新模式中問題的要求，更不能適應行業企業對人才培養工程實踐能力、創新能力的新需求。另外，不少高校所進行的工程教育信息化平臺建設，管理模式大多是粗放式的，注重建設而不顧安全、注重硬件而不注重軟件、只關注數據采集而不考慮數據維護等[7]。

綜上所述，現有工程教育信息化手段難以適應紡織印染產業轉型升級的需求，輕化工程專業新型工程教育信息化改革是紡織印染產業工程教育發展亟需解決的關鍵問題。

3 輕化工程專業新型工程教育信息化建設措施

教育始終是陜西全面建設西部強省的重要支撐和標志，但陜西省內具有輕化工程染整方向本科學位授予權的單位只有西安工程大學，具有紡織化學與染整工程二級學科碩士學位授予權的單位也只有西安工程大學。西安工程大學輕化工程專業工程教育及人才培養發展對陜西省紡織印染產業轉型升級、助推區域經濟社會發展具有重要意義。

針對以上工程教育信息化亟需解決的問題，西安工程大學輕化工程專業著手新型工程教育信息化的建設，通過紡織印染專業新型工程教育信息化研究與實踐更新擴充工程教育中相關與行業企業及時對接的知識體系、結構及相應教輔材料，為實現優質教學資源共享、學生自主學習和交流、學習行為分析和教學持續改進，培養學生數字化思維，提升信息技術應用能力奠定了基礎。通過建設若干優質在線課程，研究工程實踐教學中虛擬仿真等信息技術的深度應用，提高工程教育效率及教學效果。

3.1 研究開設特色在線開放課程，提高學生解決復雜工程問題能力

3.1.1 專業教師為主體

目前，以輕化工程專業在建在線精品資源共享課程為基礎，結合新工科背景，學院對工程教育提出的“新型”、“新生”、“新興”等概念，以引領專業和其他學科建設及產業發展為導向，跨越原有產業和行業知識和能力培養界限，以工程教育認證為契機，制定完善培養方案，優化課程設置，針對專業主干課及專業選修課不同培養目標，結合教師個人科研及在企業行業內的實踐經歷，從教學資源設計及建設、自主學習信息反饋機制設計及建設、課內教學過程設計及建設、持續性考核評價體系改革等方面構建符合新工科人才培養要求的新型翻轉課堂新模式，探索面向復雜工程問題的課程模式。

結合所構建新型翻轉課堂教學模式，開設符合新工科要求的在線開放課程如《染整工藝原理》、《毛織物染整》、《染色物理化學》、《紡織品染整概論》等。結合不同課程培養目的與要求，以產業發展為導向，凝練重點、難點知識，構建知識點框架導圖、拓展性問題設計、測試題庫等，以學校現有網絡教學平臺為依托，將所建設教學材料上傳以供學生首先進行線上學習。基于網絡教學平臺現有在線交流、評測及文件共享工具，對學生自主學習過程進行識別跟蹤，及時提取學生存在的問題為線下課堂教學設計提供依據。老師根據線上學習存在的問題，按照學生自學學習情況對學生進行分組，根據企業現有印染加工流程、案例及產品等構建課堂情景，采用角色扮演、案例教學等方法，分配研究項目，以學生小組討論為主，根據學生討論興趣點引導學生進一步進行課外深入探討和學習。采取過程性評價和總結性評價兩種方式對教學過程進行評價分析，持續性記錄教學行為，檢驗師生發展水平[8]。

通過信息化技術在學生學習中的應用，培養學生思維獨立性和學習自主性，提高學生信息化學習的能力，充分發揮學生個性特長，促進個性化學習。利用線上、線下相結合的教學模式，在課程有限的時間內更有效的培養學生分析和解決紡織印染加工復雜工程問題的能力和創新能力。同時，促進教師角色轉變，使教適應學，教輔助學，教服務學，提高教師自身教育信息化素養，為培養服務國家產略、滿足產業需求及面向未來發展的工程人才奠定知識基礎，發揮學校對區域經濟發展和產業轉型升級的支撐作用。

3.1.2 企業工程技術人員為主體

依托陜西省大學生校外創新創業教育實踐基地，以目前與學校簽訂校企合作協議的企業為試點，從行業發展及企業生產經營實際出發，結合企業內部員工培訓相關流程、內容及要求，企業內工程技術人員針對自己所在崗位就職所需知識及能力儲備，收集資料、整理歸納，可在在校教師協助下，制作以工程技術人員為主體的視頻資源，包含實際生產中產品加工流程、設備運行、質量評價等各環節具體內容，并將其與相關在線開放課程結合，豐富學生在校內工程教育的專業實踐知識積累，發揮行業企業在工程教育中的重要作用，使行業企業從原有被動的接受學校輸送的人才到主動參與學校的工程教育，促進工程教育目標清晰、內容更新，真正服務于行業企業。

3.2 建設應用虛擬仿真實驗教學平臺，強化學生綜合創新設計能力

紡織產品的多樣化使企業對學生的專業知識與實踐能力要求不斷提高，西安工程大學地處西北，專業工程教育過程與企業、市場對接反應遲緩。因此，在紡織印染專業工程教育中引入仿真技術可降低教學成本，提高教學水平。

西安工程大學輕化工程專業通過解析“跨時空、多環節、連續式、不可逆、大信息量”的印染加工工藝流程及生產環節并進行原理抽象，應用現代信息技術，立足自主研發，建成輕化工程專業虛擬仿真教學實驗平臺，根據專業培養目標和課程設置，從專業基礎知識和創新設計能力兩個層面服務工程教育。該平臺包括染整工藝3D仿真、設備原理（動畫）與結構展示、分析過程仿真及大型分析儀器等多個模塊，并對紡織品前處理、染色、印花機后整理加工完整流程、設備及質量評價等內容進行仿真。按照實際工廠布局建筑等要求，構建虛擬工廠，包括產房、生產平臺及質量評價單元等。通過動態效果的3D模型，呈現出產品在設備中的實際生產狀態，遵循設備運行的工作原理，構建實際生產設備的運行三維動態圖、工作系統圖、主要設置組成圖、主要結構剖面圖及工作原理圖等，并制作了代表性設備半剖視3D模型，可通過模擬拆裝操作，呈現設備內部織物、物料及介質等的運行狀態，更貼切地模擬出印染工廠實際生產的過程及環境。

通過以上虛擬仿真工廠的建立，學生可通過實際操作在工廠全流程3D生產場景中以第一人稱視角進行查看，并結合與實際生產產品加工流程完全一致的“任務學習型”引導操作，通過已設計好的學習任務，按照指導完成實際生產中的專業基礎知識學習。通過染整加工單元操作設備實驗項目及大型分析儀器模塊的學習，使學生對工藝過程的主要指標進行控制調節，學生利用該教學平臺可進行單機訓練，也可借助局域網在教師指導下進行相關操作訓練，將學生培養成為“實用型”、“適用性”人才，更順利地融入工作崗位，改造和新建一些實驗課程和實驗內容，充分發揮特色專業的優勢，使學生接觸更多與本專業相關的前沿研究，掌握新型印染技術，不拘泥于書本內容，拓寬學生的知識面并培養獨立研究問題的能力[9]。

4 輕化工程專業新型工程教育信息化建設的創新

4.1 更新完善教學資源，行業企業角色變化

結合新工科對工程教育提出的新要求，對現有與行業企業發展脫節的知識、能力教育教學環節進行更新完善，使知識體系等教學資源滿足行業發展要求。行業企業變被動接納到主動參與教育培養，更有目的性、針對性和時效性，切實發揮行業企業應有的作用。

4.2 結合虛擬仿真平臺，改革工程教育信息化方法

利用現有在建的虛擬仿真實驗教學平臺，結合開發的在線開放課程，采取“遠程虛擬仿真和虛實結合仿真”兩種教學方式相結合，解決了印染加工實際生產過程的連續式、高成本、不可逆以及傳統實踐實訓環境中不能實際動手操作的難題，避免了實訓設備對操作條件的限制，彌補了高成本、大型綜合實踐現實設備的缺失與不足，為學生提供了安全、綠色的實踐訓練平臺，實現了教師與學生網絡互動以及學生學習可視化、教師考評標準化、高效化。

5 結語

隨著互聯網技術的不斷發展，針對新工科領域，西安工程大學輕化工程專業通過建設一批優質在線課程、探索工程實踐教學中虛擬仿真等信息技術的深度應用，獲得了優質教學資源共享、學生自主學習和交流、學習行為分析和教學持續改進的效果，順應未來高校教育信息化發展的趨勢，對提高工程教育效率和教學效果，培養學生數字化思維、提升信息技術應用能力有著重要的作用。