虛擬仿真在OBE實踐教學及創新創業中的作用

姚頌東, 方志剛, 陳 林, 王 南, 全艷玲

(遼寧科技大學 化工學院, 遼寧 鞍山 114051)

OBE(outcomes-based education)教育理念提出始于上世紀80年代到90年代早期,最初用于美國和澳大利亞的基礎教育改革,教育核心在于建立“基于學習產出來組織實施和評價教育的結構模式”。教育組織構架的建設和課程管理不再是教學教改的目的,而是實現OBE目標的手段[1-2]。如果將OBE理念貫穿至實踐教學多個體系中,將會使高校的實踐教學體系構建及學習產出效果提升一個臺階。我校屬于應用型轉型試點高校,目前正著手開展新工科建設,加強工程教育認證、構建基于OBE教育理念的課程教學體系。我校化工學院作為擁有一級學科博士點和學校唯一的省屬雙一流建設學科,在化學工程類(化學工程與工藝和能源化學工程)專業的教育改革中,構建了基于OBE教育理念下的化工實踐教學體系,已成為學校貫徹“以本為本”、推動4個回歸的重中之重。

1 基于OBE教育理念的化工實踐教學體系

高校實踐教學體系通常包括課程設計、實驗(課內實驗及實驗課程)、實習(認識實習和生產實習)、實訓(專項技能實訓如計算機技能培訓，和專業技能實訓如虛擬仿真工廠實訓)、畢業設計、大學生競賽以及大學生創新創業等。將OBE教育理念應用于化工實踐教學,需要在以下幾個方面進行轉變(見圖1)。

圖1 傳統模式與OBE教育模式下的化工類實踐教學體系對比圖

1.1 實踐教學模式的轉變

傳統的實踐教學模式只是傳授學生技能,不太考慮實踐教學體制本身對學生將來的影響,但在OBE模式下,實踐教學體制不僅要滿足學科要求,同時還要受到用人單位、工程業界專家、畢業學生等的批判和評價[1-4]。其次,在傳統教育模式下,實踐教學課程設置是以學科為中心開展的,課程目標更多地讓學生修習課程后能系統地掌握本專業所需要的實驗知識,但在OBE教育理念下,實踐教學不僅要考慮學生在畢業時所要達成的目標,還要以此為基礎進行反向構建并選擇實踐教學內容[1-2]。

1.2 實踐教學目標設計要求的轉變

在傳統教育模式下,實踐教學體系課程設置是以學科為中心開展的,課程目標更多地是讓學生修習課程后能系統地掌握本專業所需要的實驗知識及技能,未能與企業需求緊密連接,但在OBE模式下,實踐教學目標的設計不僅要滿足社會發展對學科的要求,還要考慮到用人單位真正的需求以及如何在實踐教學中讓學生獲得能在未來成功及終生發展的知識、技能、素質、品質等[1-4]。

1.3 實踐教學產出模式的轉變

傳統的實踐教學體系產出的是能滿足學校專業課程體系的畢業生。實踐教學評價以學生獲得多少知識和技能作為評價對象的指標,主要通過教師觀察、考核、打分來評價學生。分數的評定只是將學生劃分為“優良中差”,而不能對學生的技能提高和能力優劣進行比較[1]。在OBE教育理念下,實踐教學不僅要考慮學生在畢業時所要達成的目標,更要以此為基礎進行反向構建并選擇實踐課程體系內容。體系核心在于實踐教學要為所有學生獲得技能提供幫助,給每位學生提供因材施教的學習機會和充足的學習資源,并讓他們在以后的社會實踐中獲得學習成功[3-4]。

1.4 實踐教學反饋機制的構建

傳統的實踐教學模式是一個開環機制,體制構建者(教務處、教學院長、系主任)只是根據學校定位和學科發展制定培養計劃,而學生經過課程體系培訓后能否達成最初的培養目標以及能否滿足企業需求不得而知,所有的反饋都是依據后期畢業生的問卷調查以及在校學生的學生評教等制度得以實施,并不能真正反映到培養計劃的制定和課程體系的執行中[2, 5]。OBE教育理念下的實踐教學培養體系最重要的一個環節就是反饋環節,只有對成果產出學習者的知識、技能、品質、能力進行量化并記錄,才能真正了解所培養的成果產出的實際效果和質量,同時,要考慮到人才培養目標和培養效果的達成度,即用自己的尺子量自己,才能不斷修訂培養目標和實踐教學課堂體系,最終達成學生和用人單位的滿意度以及“辦學定位與人才培養目標”和國家地區需求的適宜度[1,3-4]。

2 化工虛擬仿真實踐環節在OBE教育理念下的實踐教學體系中的作用

自教育部2011年和2013年發布《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》以及《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》之后,虛擬仿真作為實驗教學和實習實訓教學的延伸,正成為各高校實踐教學的重要組成部分,并在OBE教學體系的構建中起著舉足輕重的作用[5-9]。與OBE課程體系不同,化工虛擬仿真可以通過虛擬仿真項目建設、虛擬仿真平臺建設、虛擬仿真實訓基地實習以及舉辦虛擬仿真大賽環節得以實施,并在學生掌握工程知識、使用現代化工具、了解職業規范、項目管理、學會個人和團隊溝通等方面起至關重要的作用。化工虛擬仿真各個環節與OBE畢業要求之間的關聯矩陣見圖2(僅列出高度相關,標記為H)。

圖2 化工虛擬仿真環節與OBE培養要求高度(H)相關性之間的關聯矩陣

2.1 項目建設在OBE實踐教學體系中的作用

我校化工學院于2017年底獲批省虛擬仿真實驗中心,并于2018年6月開展化工虛擬仿真項目建設并著手遼寧省和國家級虛擬仿真項目申報,目前獲批2018年省級項目并作為遼寧省推薦教育部項目參加2018年國家級虛擬仿真項目評審。項目從選題開始就基于OBE課程體系設計,使得其可最大化為學生提供培養目標中各項能力指標。項目凸顯了學生的教學主體地位,拓展了實踐教學的深度和廣度,提高了實踐教學的效率和效果。項目所涉及的操作要點、能力提供及項目級別見表1。

表1 化工虛擬仿真項目及其能力提供

虛擬仿真項目建設基于能源化學工程專業實驗——加氫脫硫實驗,利用計算機技術模擬真實操作場景,學生通過真實實驗設備與虛擬仿真交互來體驗“身臨其境”的操作感覺,從而使實驗預習不受時間與空間的限定(使用現代化工具能力培養)[9]。實驗項目本身既可讓化工類學生掌握清潔燃油生產技術,從源頭上治理霧霾(環境和可持續性發展能力培養),又可通過虛實結合的實驗環境,避免高溫、高壓、高危險及高污染對學員帶來的傷害,滿足國家潔凈能源人才培養戰略需求(職業規范培養)。項目通過專業實驗和軟件模擬,真實再現了“工業加氫催化劑硫化”“加氫脫硫反應性能評價”及“加氫脫硫催化劑動力學測定”等操作過程,能讓學生在幾小時內掌握 “工業催化劑裝填、氣密、干燥、潤濕及硫化”“固定床反應器開工、運轉、評價及停工”及“釜式反應器裝釜、充壓、氣密、置換、密封、等容取樣”等過程,對化工與制藥類各個專業都有顯著的示范作用(工程能力培養)。此外,虛擬仿真項目將教師科研成果融于項目中,實驗結果符合擬一級反應數率方程,而學生設定不同操作條件,在不同取樣時間下可獲得相應數值。虛擬仿真項目使學生能夠基于能源化學基本原理,采用科學研究方法對復雜工程問題進行研究,包括設計實驗、開展實驗、分析數據、詮釋數據,并通過信息綜合得到合理有效的結論(設計能力、研究能力培養)。

2.2 平臺建設在OBE實踐教學體系中的作用

我校化工虛擬仿真平臺結合專業需求量身打造,充分利用現代網絡通信技術、多媒體技術和虛擬現實技術,除了能為學生提供專業工程知識、職業規范、工程與社會能力之外,還對學生的終身學習能力、問題分析能力以及使用現代化工具能力的培養作用顯著[5, 10-11]。通過對學生在場景測試、實驗操作、考試成績以及實習報告等方面的綜合表現,檢查學生對主要工藝的掌握程度。學生通過個人資源中心課程學習及測試,可實現課前預習、課堂互動、線下查詢等功能(問題分析能力培養)。平臺秉承學生為本、校企合作及資源共建共享原則,除滿足本校化工類專業實驗教學外,還向兄弟高校、化工企業及社會開放(工程與社會能力培養),通過預約實訓中心課時和在線虛擬仿真訓練,全方位提供虛實結合的定制化教學服務計劃,發揮項目的示范作用和輻射作用,為化學化工類高層次人才培養作出貢獻(終身能力培養)。

2.3 仿真實訓在OBE實踐教學體系中的作用

我校化工學院每年定期組織專業學生走出去,到國家級虛擬仿真實習基地進行生產實習實訓。項目實訓以班組為單位,采取倒班循環方式,內操和外操進行合作,極大地提升了學生的管理能力、溝通能力、個人與團隊能力以及工程與社會能力。每個團隊設置班長1名、內操負責1名,在虛擬仿真工廠(常減壓蒸餾、催化裂化)模擬冷態開工期間,班長需要理解并掌握工程管理原理,及時對項目開工中所涉及到的工程項目進行決策。內操在模擬DCS操控系統環境下,需了解相應化學工程產品周期、全流程的基本構成,并在開工中提供解決方案,運用工程管理方法進行決策(管理能力培養)。團隊每個成員都注意個人和團隊之間的相互配合。班長和隊員逐漸具備一定的團隊協作能力和管理組織能力,能夠在團隊中承擔各自角色。在操作過程中,團隊協作意識及團隊精神逐漸凝練,能夠理解團隊中每個角色的意義及責任并發揮作用(個人和團隊能力培養)。內外操之間通過對講機聯系,極大地提升了團隊成員之間的有效溝通、交流。不同團隊之間還能夠就復雜流程操作等問題以口頭、文字、計算機DCS界面及3D模擬軟件操作等方式準確表達自己的觀點、回應質疑、了解團隊之間的差異性(溝通能力培養)。

2.4 仿真大賽在OBE實踐教學體系中的作用

化工學院在構建化工虛擬仿真平臺的同時不忘技術推廣,舉辦校級化工虛擬仿真大賽,目前已成功舉辦了2屆。虛擬仿真大賽運行基于“以學生為本”的原則,從策劃、統籌、發布、宣傳、技術輔導、比賽組織與監控、比賽結果與統計、頒獎等環節全部由學生自己完成,使學生的能力(項目管理能力)得到顯著提升。比賽分3D大型儀器分析類、3D化工實訓裝置類、大型分析儀器拆解類、化工原理類、化工工藝實驗類、基礎化學實驗類、3D化工虛擬仿真工廠類,讓不同專業的學生都能掌握相應的工程知識(工程知識培養)。所有的比賽項目均結合學校礦業、冶金、化學、化工、能源、環境類專業實驗及實踐教學培養方案、化學基礎課程及專業課程的教學大綱進行篩選,提供高度仿真的虛擬實驗環境和虛擬實驗項目,讓學生盡早適應未來標準化的工作環境(職業規范能力培養)。通過大賽,每位參賽選手都對虛擬仿真技術有了更深的了解,對OBE教學體系的構建起著舉足輕重的作用[5]。

3 化工虛擬仿真實踐環節在創新創業教育教學中的應用

應用型高校OBE化工類課程體系的構建是培養學生在畢業后具有能夠在真實企業裝置上進行操作、獲得產品的能力并在未來5～10年后得到技能和管理水平的提升。化工虛擬仿真利用網絡教學、多媒體技術營造虛實結合的虛擬實驗教學環境,可全面提升學生的創新意識[11-12]。

3.1 化工虛擬仿真在創新意識方面的作用

創新意識包括創造動機、創造興趣、創造情感和創造意志[4, 12]。首先,創新動機的提升來源于虛擬仿真的自身魅力。化工虛擬仿真技術(項目、平臺及仿真實訓工廠)能夠將所有化工基礎理論知識在虛擬現實結合的平臺中生動再現。通過虛擬平臺軟件操作,學生可以了解化工原理課程中的傳質傳熱反應設備及工作原理,學會相應操作。其次,通過化工設備分解和廠區總貌布局,學生可觀察廠區結構、內部布局以及蒸餾塔、反應器、換熱器的內部結構,迅速掌握化工機械和化工設計課程的核心所在。通過冷態開車、事故處理可以了解裝置溫度、壓力、液位、流量等儀表設備的控制機制并明晰化工儀表課程對于裝置運轉的重要性。在體驗式的學習過程中,通過多學科的融合,可大大提升學生的創造動機。學生在思索中更合理地進行工藝設計、工藝改進,更精準地進行設備控制并將這些創新動機融入競賽、創新項目及畢業設計等環節中。

虛擬仿真平臺項目可以激發學生的創新興趣、創造情感[12],通過一些復雜的、抽象的、無法直接觀察的實驗現象和過程的虛擬演示,可以激發學生創造興趣、提升創造情感[9, 11-12]。學生接觸虛擬仿真后,無論是實驗模擬、裝置操作和生產實訓,都表現出極大的創新興趣。教師通過修改虛擬仿真項目的參數或改變實驗條件,完全模擬真實的實驗并通過實驗進行驗證,而學生會對真實實驗過程中的每一個環節進行思索并進行虛實實驗比對。部分學生將這部分創作興趣引入到其他創新環節過程中,從而激發更多的創作靈感。而創作情感的延伸也有利于打造學生釋放自我、放開思維、探索未知的創造意志[9, 12]。

3.2 化工虛擬仿真在創業能力方面的培養作用

創業是一種綜合能力,它包括對市場機會的挖掘能力、管理團隊的協調能力、適應管理和承受壓力的應變能力、解決問題的專業能力和務實求變的創新能力[9, 11]。化工虛擬仿真在創業能力方面的培養作用體現在學生培養的方方面面，主要包括創業思維訓練、創業能力訓練和創業實踐。學院依托化工虛擬仿真平臺,倡導和組織學生參加挑戰杯、大學生節能減排大賽、遼寧省化工原理大賽以及全國大學生化工實驗大賽。學生在大賽中獲獎并提高自己的創業思維和創業興趣。通過比賽,學生參加課外學習熱情高漲,主動聯系指導教師進行相關培訓和實驗室學習,形成課內外虛實結合、實驗和實踐互補的良好局面。部分大賽優秀作品還被申請獲批進行省級及國家級大學生創新創業訓練計劃項目,也有一些成果在學校大學生創業孵化園進行運營,參與市場競爭,實現學生的創業夢想。化工虛擬仿真在這3個層次的層層遞進,可以有效地形成從理論、實驗、實踐的虛實結合創業類人才培養體系[5,9]。

3.3 化工虛擬仿真在創新創業教育教學中的作用

學校通過深化OBE人才培養模式改革,將創新創業教育教學理念貫穿到人才培養全過程,強化了創新教育課程體系在人才培養中的主體和主導作用,注重教師對學生創新意識和創新能力的培養[12]。通過因材施教、分類教學、自主選課等方式滿足學生的個性發展,培養和引導學生獨立思考、勇于探索的創新性思維[11-12]。化工虛擬仿真技術作為OBE實踐教學體系的一部分,為應用型本科高校“多層次、一體化”創新創業教育教學體系構建提供了深厚的技術保障。

由于平臺的開放性,虛擬仿真可以使學生接觸和了解更多的生產工藝過程。教師根據創新創業教育需求,可以無阻礙地豐富授課資源,讓學生在創新思維的引導下,創造性地進行化工產品工藝技術路線開發和化工工藝過程改進。通過網上互動學習和實驗項目操作,可在課堂激發學生創作興趣。學生創新意識的增強,能使他們通過文獻查閱進行原創性的實驗設計,自主探索實驗方法。虛擬仿真管理平臺可以實現資源共享,各學科教師都可以從中汲取營養、完善課程體系,有利于教師激發學生的學習興趣、提高學生的創新能力,并對教學成效性進行及時反饋。

4 結語

虛擬仿真技術可以構建從創新思維培訓、創業能力培養至創業綜合模擬等多層次、立體化、開放式的“校內與校外相結合、課內與課外相結合、現實與虛擬相結合”的OBE實踐教學體系。堅持以教師為主導、學生為主體,教師組織學生協同合作的虛實結合的創新創業教育模式,可以讓學生在課程實驗、課程設計、實習實訓及畢業設計過程中獲得工程知識以及研究、設計、開發、溝通、合作、管理等各項綜合素質能力,培養學生具備完善的知識體系和職業技能。通過對學習過程量化,通過企業反饋和不斷持續改進培養目標和畢業要求,完善創新創業教育培養模式,最終讓學生不再是傳統教育模式下的普通本科畢業生,而是一個基于結果產出的、融入創新創業教育理念的成功學習者。