過程裝備與控制工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)研究

岳利文，董華東，張永海，秦 靜

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.北京市工業(yè)技師學(xué)院 學(xué)工處，北京 100023)

1 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)的需求

實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)在過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)體系中是一個(gè)非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。通過認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)可以使學(xué)生更加全面的了解專業(yè)是什么能做什么，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情。生產(chǎn)實(shí)習(xí)則可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，從問題的界定、分析和解決的能力的綜合素養(yǎng)。然而，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)僅僅是安排學(xué)生到企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)，是一種相對(duì)單一的認(rèn)知過程[1]。過程裝備與控制工程專業(yè)(以下簡(jiǎn)稱過控專業(yè))的實(shí)踐教學(xué)一直在提倡到實(shí)際生產(chǎn)線上去進(jìn)行。然而，現(xiàn)代過程企業(yè)多是系統(tǒng)集成化程度高，工位操作復(fù)雜且安全責(zé)任相對(duì)較大。同時(shí)，現(xiàn)在的在校大學(xué)生的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)欠缺、操作不夠熟練，這就導(dǎo)致了在實(shí)際生產(chǎn)的接觸過程中具有較大的安全隱患的。即使通過專業(yè)和企業(yè)的努力可以頂崗實(shí)習(xí)，往往也是"師傅帶、學(xué)生看、動(dòng)手看天氣"基礎(chǔ)性工作[2]。因此，在傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的開展過程變成了走過場(chǎng)的教學(xué)活動(dòng)。

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬信息技術(shù)、無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和逐步走入人們的日常生活，半實(shí)物沙盤和數(shù)字化全息模擬技術(shù)已可以將傳統(tǒng)過程裝置包括外觀、功能及工控在內(nèi)的大部分硬件功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和虛擬化，并可以深度整合一個(gè)綜合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。這為教學(xué)水平的提高，實(shí)踐教學(xué)安全性的提升、工作效率充分利用帶來可能，并使合作企業(yè)更易于接受學(xué)生進(jìn)行“真正”的頂崗實(shí)習(xí)。

2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與教學(xué)開展

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)并不是替代傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式，而是將傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式中一些無法直接進(jìn)行的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式展現(xiàn)為教學(xué)創(chuàng)造條件從而豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)更深層次的教學(xué)體驗(yàn)。

2.1 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

以鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院過程裝備與控制工程的四塔精制工藝及裝備仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)為例。

過控專業(yè)與某甲醇生產(chǎn)企業(yè)合作共同進(jìn)行虛擬化建設(shè)，依據(jù)實(shí)習(xí)企業(yè)真實(shí)的工藝過程，運(yùn)用靈境仿真技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置、閥門儀表及DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化重組構(gòu)建高度真實(shí)的生產(chǎn)工藝過程，形成了“半實(shí)物沙盤”、“3D計(jì)算機(jī)仿真”、“線上實(shí)習(xí)實(shí)踐”等幾個(gè)虛擬仿真教學(xué)模塊，為“半實(shí)物仿真沙盤-3D計(jì)算機(jī)仿真-線上實(shí)習(xí)實(shí)踐-企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)”的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的開展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(1)半實(shí)物仿真沙盤：半實(shí)物仿真沙盤采用比例縮小的實(shí)物工廠模型，使學(xué)生初步了解四塔精制廠區(qū)布置及裝備安置情況，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有感性認(rèn)識(shí)。

(2)3D人工環(huán)境系統(tǒng)：3D人工環(huán)境系統(tǒng)為學(xué)生提供3D漫游動(dòng)畫和廠區(qū)3D空間的虛擬世界。3D漫游動(dòng)畫以第一人稱為視角介紹整個(gè)廠區(qū)，以生產(chǎn)物料的流動(dòng)為線索來展現(xiàn)工段的工藝，使學(xué)生對(duì)于廠區(qū)的工藝進(jìn)行更加深入的了解。廠區(qū)3D空間的虛擬世界則提供了類似于游戲的3D操作界面，它以游戲關(guān)卡的形式制造出一種“打怪升級(jí)”的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者通過與人工環(huán)境之間的互動(dòng)在不知不覺中獲取知識(shí)、技能的一種學(xué)習(xí)方式。

(3)仿真控制系統(tǒng)：虛擬仿真系統(tǒng)提供了DCS控制系統(tǒng)和SIS控制系統(tǒng)相結(jié)合人機(jī)交互界面，通過對(duì)界面上的DCS控制系統(tǒng)和SIS控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，可以對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的工況進(jìn)行干預(yù)。

(4)化工單元操作系統(tǒng)：虛擬仿真系統(tǒng)提供了與過程工藝相關(guān)的化工原理虛擬實(shí)現(xiàn)來幫助學(xué)生理解每一部分工藝流程的原理和熟悉化工單元基本操作，這些工況包括：精餾塔單元實(shí)驗(yàn)操作、填料塔吸收單元實(shí)驗(yàn)操作和離子泵串并聯(lián)實(shí)驗(yàn)操作等。

(5)裝備知識(shí)庫(kù)：裝備知識(shí)庫(kù)包含了流程內(nèi)動(dòng)靜設(shè)備的結(jié)構(gòu)解析、設(shè)備工作原理以及安全操作和管理的相關(guān)知識(shí)和化工安全設(shè)施的相關(guān)知識(shí)。學(xué)生查閱可以通過虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)超鏈接的形式與虛擬仿真系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，它也可以在半仿真沙盤中掃描相應(yīng)的二維碼查閱相關(guān)動(dòng)靜設(shè)備知識(shí)。

(6)量化考核系統(tǒng)：仿真考核系統(tǒng)分為學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、操作正確性、工程問題的解決方案等幾種分別從不同角度考核學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、設(shè)備控制要點(diǎn)和事故處理程度的理解掌握情況。

2.2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)開展

實(shí)踐教學(xué)的開展通過課前自主預(yù)習(xí)、問題導(dǎo)向教學(xué)、量化考核和企業(yè)實(shí)踐等四個(gè)環(huán)節(jié)完成。

2.2.1 課前自主預(yù)習(xí)

課前自主預(yù)習(xí)是實(shí)訓(xùn)開始之前的重要環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)，學(xué)生通過學(xué)習(xí)實(shí)習(xí)大綱教學(xué)要求中相關(guān)實(shí)習(xí)知識(shí)點(diǎn)、相關(guān)基礎(chǔ)背景知識(shí)、半實(shí)物仿真沙盤以及線上學(xué)習(xí)，能夠具像地熟悉和了解精制工藝流程及原理和工作參數(shù)，了解相關(guān)操作要點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)，對(duì)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)要求既有宏觀認(rèn)知又有對(duì)具體單元步驟有較清晰的了解和認(rèn)識(shí)，以期提高后續(xù)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效率和效果；預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)提出有相關(guān)要求，完成預(yù)習(xí)的相關(guān)實(shí)習(xí)報(bào)告等材料，考核合格后進(jìn)行課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)。

2.2.2 問題導(dǎo)向教學(xué)

問題導(dǎo)向教學(xué)過程中通過采取提出問題、解決問題、討論解決方案和完成工況練習(xí)等手段，讓學(xué)生獲得系統(tǒng)的綜合的演練，加強(qiáng)其對(duì)基本理論和工藝流程的認(rèn)識(shí)和理解，建立過程的概念，加深對(duì)過程規(guī)律理解，促進(jìn)對(duì)實(shí)際問題的界定、分析和解決的能力的培養(yǎng)。

教學(xué)過程中，學(xué)生根據(jù)自愿形成若干小組，以問題為導(dǎo)向，學(xué)生進(jìn)行分組式或獨(dú)立式的研究、討論、交流，通過查閱相關(guān)書籍、素材、資料等自行進(jìn)行反復(fù)分析研究，教師啟發(fā)學(xué)生逐步深入地研究、討論相關(guān)問題并利用相關(guān)知識(shí)、方法探索解決一些問題并形成解決方案，促使其思考相關(guān)較深層次的實(shí)際復(fù)雜工程問題。并在反復(fù)討論和研究過程中，學(xué)生更好的掌握相關(guān)實(shí)習(xí)知識(shí)點(diǎn)、相關(guān)基礎(chǔ)和背景知識(shí)，理解相關(guān)操作要點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)。

2.2.3 量化考核

完成前兩步學(xué)習(xí)活動(dòng)后，需要對(duì)知識(shí)和技能的掌握情況進(jìn)行考核。這也是促進(jìn)學(xué)生再次進(jìn)行自主查缺補(bǔ)漏的一種教學(xué)手段。

量化考核主要圍繞實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)完成情況及問題回答等內(nèi)容和仿真系統(tǒng)工況控制進(jìn)行量化考核。

2.2.4 企業(yè)實(shí)踐

在量化考核合格后，學(xué)生進(jìn)入相關(guān)合作企業(yè)，在企業(yè)導(dǎo)師帶領(lǐng)下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)。同時(shí)，結(jié)合自由和開放的線上學(xué)習(xí)促使學(xué)生查缺補(bǔ)漏并理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

3 結(jié)束語

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和教學(xué)開展是實(shí)踐教學(xué)的改革和創(chuàng)新，在學(xué)生具備了基本實(shí)驗(yàn)技能、初步設(shè)計(jì)技能和基礎(chǔ)工程分析能力之后，通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，較為系統(tǒng)地理解和實(shí)施工程系統(tǒng)從工程分析、方案制定、工程驗(yàn)證到效能評(píng)價(jià)等完整的流程，將會(huì)大大滿足關(guān)于技術(shù)型、應(yīng)用型、設(shè)計(jì)型人才培養(yǎng)的需要。