化工產(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐

劉驥翔， 張 婷， 魏 杰， 侯 虹， 蘇海佳

(北京化工大學(xué) a. 教務(wù)處; b. 巴黎居里工程師學(xué)院， 北京 100029)

0 引 言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》指出，信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，要推動信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[1-3]。開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，是開展實驗教學(xué)改革和高等教育信息化發(fā)展的要求，具有重要的現(xiàn)實意義[4-5]。學(xué)校立足于行業(yè)專業(yè)特色，對化工類虛擬仿真實驗教學(xué)進行了積極探索和深刻變革，2012年成立了“化工產(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，并于2015年獲批為“國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)設(shè)備和裝置相結(jié)合，通過模擬實驗環(huán)境、實驗過程、實驗現(xiàn)象、實訓(xùn)場景，獲得直觀真實的實驗效果，有效地實現(xiàn)了實驗教學(xué)目標[6-8]。

1 意義與效果

化工類專業(yè)培養(yǎng)目標對學(xué)生的實踐能力要求很高，因此實驗教學(xué)是化工類人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。我校是以工科為主的具有鮮明行業(yè)特色的院校，化工類專業(yè)基礎(chǔ)雄厚，教育教學(xué)資源豐富。學(xué)校以人才培養(yǎng)、教育改革和發(fā)展需求為導(dǎo)向，積極開展化工類虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，是對實驗教學(xué)改革的有效探索，也是提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措，具有十分重要的現(xiàn)實意義[9]。

1.1 有效提高了卓越工程人才培養(yǎng)質(zhì)量

2010年我國啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需求的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，為我國走新型工業(yè)化道路和建設(shè)創(chuàng)新型國家服務(wù)。培養(yǎng)卓越工程人才，重點在培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和實踐能力。傳統(tǒng)的工程教育脫離工程實際，學(xué)生實踐學(xué)習(xí)時間短、內(nèi)容淺、參與度低，不能融入到工程實踐全過程。化工產(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實驗教學(xué)中心以真實的丙烯酸甲酯生產(chǎn)工廠為背景，建設(shè)了智能仿真工廠。該智能仿真工廠采用與真實工廠相一致的設(shè)備、管路、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，以虛擬技術(shù)模擬物料，學(xué)生可以進行與實際工廠相一致的開車、生產(chǎn)、停車、異常工況處理等操作實踐，有效培養(yǎng)和挖掘了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的實踐能力和工程素養(yǎng)。

1.2 充分順應(yīng)了化工行業(yè)發(fā)展趨勢

化工行業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著科技的不斷進步，化工行業(yè)已經(jīng)逐步向綠色化、可持續(xù)化發(fā)展轉(zhuǎn)型[10]。當前的化工行業(yè)既需要專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐能力突出的專業(yè)人才，更需要對行業(yè)發(fā)展有深刻理解、善于產(chǎn)品開發(fā)、精于運營管理、具有大工程觀的卓越工程人才。化工產(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實驗教學(xué)中心以真實的化工企業(yè)為藍本，以虛擬仿真信息化技術(shù)為支撐，構(gòu)建面向大化工行業(yè)的化工產(chǎn)品全生命周期仿真實訓(xùn)環(huán)境，包含化工產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計、實施、生產(chǎn)、管理、升級改造、企業(yè)運營管理及產(chǎn)品退出市場的全生命周期的多環(huán)節(jié)一體化全過程。培養(yǎng)過程既注重領(lǐng)域知識和技術(shù)的完整性，又突出學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的系統(tǒng)性，努力打造適應(yīng)行業(yè)發(fā)展、符合企業(yè)要求的具有大工程觀的卓越工程人才。

1.3 基本滿足了化工類專業(yè)實習(xí)實訓(xùn)要求

在化工企業(yè)中開展實習(xí)實訓(xùn)面臨以下幾個困難：① 化工過程中涉及易燃、易爆、有毒及強腐蝕性物料，反應(yīng)通常是高溫、高壓環(huán)境下進行。出于安全考慮，學(xué)生進入企業(yè)的實踐學(xué)習(xí)主要以參觀為主，缺乏實際操作體驗[11]；② 教學(xué)內(nèi)容與實際生產(chǎn)不匹配。化工企業(yè)生產(chǎn)周期性較強，生產(chǎn)安排不能隨意調(diào)整，導(dǎo)致學(xué)生進入廠區(qū)后學(xué)習(xí)實踐的內(nèi)容與課程要求往往不一致；③ 經(jīng)費不足[12]。隨著物價提高，學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)的交通、住宿、餐飲、保險費用是很大一筆開支[13]。建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，通過校企合作，在校內(nèi)建立仿真工廠，將真實的工廠搬進校園，學(xué)生既能夠參與真實的生產(chǎn)過程，保證了學(xué)習(xí)效果，又可以節(jié)省資源，有效地解決了學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)的難題[14]。

2 平臺與課程

我校立足于與高等教育信息化和實驗教學(xué)改革，以培養(yǎng)學(xué)生大工程觀和工程實踐能力為目標，在2個國家級實驗教學(xué)示范中心和12個國家級大學(xué)生校外實踐教育基地的基礎(chǔ)上，深入開展科教結(jié)合、校企合作，建設(shè)了化工產(chǎn)品全生命周期國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(以下簡稱中心)。中心以化工產(chǎn)品全生命周期為主線，著力建設(shè)6個平臺，面向全校7個學(xué)院22個專業(yè)學(xué)生；開設(shè)專業(yè)實踐課程、實習(xí)實訓(xùn)課程和創(chuàng)新開放課程3個層次的課程體系。

2.1 1條主線

參照化工類企業(yè)運行模式，中心以化工產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計、生產(chǎn)、運營的全生命周期為主線，構(gòu)建從產(chǎn)品創(chuàng)意、一體化設(shè)計、生產(chǎn)運行到運營管理的全方位的工程實踐環(huán)境(見圖1)。以化工產(chǎn)品全生命周期為主線，將真實的企業(yè)引入教學(xué)課堂，實現(xiàn)了企業(yè)與課堂零距離。學(xué)生能夠深度參與到創(chuàng)意、設(shè)計、生產(chǎn)和運營的各個環(huán)節(jié)，在強化學(xué)生理論學(xué)習(xí)效果的基礎(chǔ)上全面地培養(yǎng)學(xué)生面向化工產(chǎn)品全生命周期的工程實踐能力，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、設(shè)計能力、工程實施能力、生產(chǎn)操作能力、溝通能力和商務(wù)領(lǐng)導(dǎo)能力。

圖1 化工產(chǎn)品全生命周期示意圖

2.2 6個平臺

依據(jù)化工產(chǎn)品全生命周期主線，中心建設(shè)了化工安全仿真室，操作、設(shè)備實訓(xùn)室，頭腦風暴室，設(shè)計開發(fā)室，智能仿真工廠和運營管理室6個平臺，6個平臺及開展的實驗內(nèi)容如圖2所示。學(xué)生進入中心后，首先進行安全實踐教學(xué)，包括化工企業(yè)安全管理規(guī)章制度、安全分析方法、應(yīng)急疏散演練等內(nèi)容。之后進行基礎(chǔ)實訓(xùn)，在操作、設(shè)備實訓(xùn)室進行實物拆卸和組裝，熟悉設(shè)備裝配、測試等，為學(xué)生進入設(shè)備設(shè)計和工廠操作環(huán)節(jié)了解化工廠常見設(shè)備、儀表內(nèi)部機構(gòu)和工作原理打下基礎(chǔ)。化工安全仿真和操作設(shè)備實訓(xùn)室2個平臺以前期實訓(xùn)為主，是全生命周期實踐流程的基礎(chǔ)。頭腦風暴室以產(chǎn)品創(chuàng)意訓(xùn)練為主；設(shè)計開發(fā)室主要進行產(chǎn)品設(shè)計、快速研發(fā)和工程設(shè)計；智能仿真工廠是由真實的設(shè)備、管路、儀表、控制系統(tǒng)和虛擬物料構(gòu)成的年產(chǎn)30萬噸的丙烯酸甲酯生產(chǎn)工廠，主要進行工藝流程設(shè)計、生產(chǎn)控制和故障診斷；運營管理室以市場營銷、物流、財務(wù)管理為主。6個平臺涵蓋了化工產(chǎn)品全生命周期的所有環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供真實、系統(tǒng)的工程體驗。

2.3 三層次、三模塊課程體系

中心面向全校學(xué)生開放，根據(jù)不同年級實踐課程教學(xué)內(nèi)容不同，分為專業(yè)實踐課程、實習(xí)實訓(xùn)課程和創(chuàng)新開放課程三個層次。專業(yè)實踐課程側(cè)重于專業(yè)課的實踐訓(xùn)練；實習(xí)實訓(xùn)課程面向針對認識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)開展；創(chuàng)新開放課程以自設(shè)題目和競賽類題目為主。三層次課程體系貫穿本科培養(yǎng)全過程，做到實踐教學(xué)4年不斷線。根據(jù)學(xué)校的專業(yè)設(shè)置，實踐項目分為化學(xué)化工模塊，機電信息模塊和經(jīng)濟管理模塊。化學(xué)化工模塊實驗項目面向化工、材料、應(yīng)化、生工、制藥等專業(yè)開放；機電信息模塊實驗項目面向機械、裝備、安全、自動化、信息等專業(yè)；經(jīng)濟管理模塊實驗項目面向會計、物流、國貿(mào)、工商等專業(yè)。三模塊實驗項目各有側(cè)重，通過模塊之間的實驗項目有機關(guān)聯(lián)，滿足不同專業(yè)的教學(xué)要求。

3 特色與創(chuàng)新

3.1 完整、真實的工程體驗

教育部指導(dǎo)文件指出，虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)該充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則[15]。開展虛擬仿真實驗教學(xué)不是一味的追求虛擬、脫離實體實驗，而是要依托虛擬仿真技術(shù)，更好地發(fā)揮實體實驗的教學(xué)功能。化工產(chǎn)品全生命周期虛擬仿真實驗教學(xué)中心開發(fā)出的“九實一虛智能仿真工廠”(見表1)，包含的設(shè)備、儀表、控制、運行等實體和生產(chǎn)使用軟件，涵蓋了工廠生產(chǎn)運行的全過程，除物料為虛擬外，其余實驗環(huán)境均為實體或企業(yè)實際應(yīng)用，實現(xiàn)了在工程環(huán)境中開展實踐教學(xué)，給學(xué)生以完整、真實的工程體驗。

表1 九實一虛仿真工廠

3.2 構(gòu)建分層次、多模塊的實踐教學(xué)課程體系

中心課程體系內(nèi)容設(shè)置以工程人才培養(yǎng)要求和實踐教學(xué)目標為根本，依據(jù)不同年級和不同專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)需求，實踐平臺建設(shè)與實驗項目設(shè)置分為三個橫向?qū)哟魏腿齻€縱向模塊。為滿足學(xué)校工程教育本科4年不斷線的要求，中心開設(shè)專業(yè)實踐課程、實習(xí)實訓(xùn)課程、創(chuàng)新開放型課程，對應(yīng)專業(yè)教學(xué)、工程實訓(xùn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)三個教學(xué)層次。從學(xué)科大類劃分，實驗項目分為化學(xué)化工，機電信息和經(jīng)濟管理三個模塊，不同模塊實驗項目對于不同專業(yè)的要求不同。分層次、多模塊的課程體系，滿足了實踐教學(xué)既要有深度又要有廣度的要求，有利于培養(yǎng)專業(yè)深厚、能力全面的工程人才。

3.3 科教結(jié)合、校企合作的建設(shè)模式

中心建設(shè)依托學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科，將科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗項目，所有仿真系統(tǒng)均有自主知識產(chǎn)權(quán)。科研一線老師參與中心建設(shè)，一大批國家重點實驗室和省部級重點實驗室為中心建設(shè)提供支撐，以科研帶動實驗教學(xué)，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容。中心與燕山石化、西門子、大連橡膠塑料機械股份有限公司等企業(yè)建立了密切的合作關(guān)系，共同開發(fā)實驗項目，研制實驗設(shè)備，完善實踐課程內(nèi)容，改進教學(xué)方法，提升實驗教學(xué)水平。

4 結(jié) 語

化工產(chǎn)品全生命周期國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心目前已滿足全校22個專業(yè)的實踐教學(xué)需求，年均開設(shè)實習(xí)、實驗課程18門，覆蓋學(xué)生2 500余名，年教學(xué)量超過2萬人時；約有30余所兄弟院校和企業(yè)前來學(xué)習(xí)交流，接待500余人次中學(xué)生及家長來訪參觀，人才培養(yǎng)的輻射示范作用逐步顯現(xiàn)。未來將進一步完善中心建設(shè)，促進實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，變革教育理念，創(chuàng)新人才培養(yǎng)，加強國際交流與合作，充分發(fā)揮中心建設(shè)在學(xué)校高等工程教育改革和發(fā)展中的支撐作用，將中心建成高水平的“大化工”工程人才培養(yǎng)基地，帶動學(xué)校高等教育質(zhì)量的全面提升。

參考文獻(References)：

[1] 李 平，毛昌杰，徐 進. 開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J]. 實驗室研究與探索，2013,32(11)：5-8.

[2] 鐘 宏，韓響玲，劉有才，等. 礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心“四位一體”，建設(shè)模式的探索與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理，2014，31(9)：10-13.

[3] 李炎鋒，杜修力，紀金豹，等. 土木類專業(yè)建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的探索與實踐[J]. 中國大學(xué)教育，2014(9)：82-85.

[4] 吳 涓，孫岳民，雷 威，等. 東南大學(xué)機電綜合虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進展[J]. 實驗技術(shù)與管理，2014，31(10)：5-9.

[5] 王衛(wèi)國. 虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(12)：5-8.

[6] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等. 材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2014，31(2)：5-8.

[7] 宋建爭，李建軍，張永強. 化工虛擬仿真實驗教學(xué)探索與實踐[J]. 教學(xué)研究，2014，37(3)：107-109.

[8] 吳世華，楊光明，王秋長，等. 加強實驗教學(xué)示范中心建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[J]. 實驗技術(shù)與管理，2012，29(1)：4-6

[9] 鄭興榮，馮麗娟. 化工仿真教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J]. 廣東化工，2016，43(11)：295.

[10] 楊賀勤，劉志成，謝在庫. 綠色化工技術(shù)研究新進展[J]. 化工進展，2016，35(6)：1575-1584.

[11] 趙 爽，王 敏，魯奇林，等. 化工過程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)探[J]. 課程教育研究，2015(9)：236.

[12] 李延斌，高有華，孫學(xué)雁. 畢業(yè)設(shè)計與生產(chǎn)實習(xí)相結(jié)合的校內(nèi)校企聯(lián)合實踐教學(xué)改革[J]. 大學(xué)教育，2016(7)：31-32.

[13] 賴南君，蒲冠州，葉仲斌,等. 高校化工類學(xué)生企業(yè)實習(xí)問題研究-以西南石油大學(xué)化工學(xué)院相關(guān)專業(yè)為例[J].中國培訓(xùn)，2016(10)：26-28.

[14] 唐向陽，馬驍飛，郭翠梨，等. 建設(shè)高水平化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心的思路與探索[J]. 高等理科教育，2015(6)：102-106.

[15] 王曉迪. 虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中八項關(guān)系的理解與探討[J]. 實驗技術(shù)與管理，2014，31(8)：9-11.