黃澤恩 馬江權(quán) 劉文杰

(常州大學(xué) 石油化工學(xué)院, 江蘇 常州 213164)

“一帶一路”的建設(shè)發(fā)展為石油石化人才的培養(yǎng)提供了堅實保障，雖然疫情的蔓延給國際化人才培養(yǎng)帶來了挑戰(zhàn)，但是日新月異的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保證了國內(nèi)外師生“停課不停學(xué)”。信息技術(shù)正在促進(jìn)著教育領(lǐng)域的深刻變革，根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》要求，人才培養(yǎng)必須以強(qiáng)化實踐教學(xué)為著力點，必須以信息技術(shù)的應(yīng)用作為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段[1，2]。目前高等教育面臨的重要挑戰(zhàn)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的國際化新型人才[3]，而虛擬仿真實驗教學(xué)作為高等院校工程實踐教育的重要環(huán)節(jié)和手段，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系中的作用日益突出。

結(jié)合《華盛頓協(xié)議》和工程教育認(rèn)證對工科畢業(yè)生的要求，將虛擬仿真教學(xué)資源與理論課堂結(jié)合，真正引入理論教學(xué)課堂，突出學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位，培養(yǎng)學(xué)生終身受益的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。以實驗型虛擬仿真項目為引導(dǎo)、以工程類項目為依托、以綜合創(chuàng)新學(xué)科競賽為載體搭建虛擬仿真實驗平臺，構(gòu)建“大工程觀思維”貫穿式教學(xué)方法。將虛擬仿真訓(xùn)練課內(nèi)與課外結(jié)合，虛擬與真實設(shè)備結(jié)合，線上和線下開放共享相結(jié)合，形成開放式的實驗教學(xué)模式，最大化利用平臺資源[3]。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)架如圖1所示。它包括實踐教學(xué)平臺和化工設(shè)計模擬平臺，其中實踐教學(xué)平臺包括認(rèn)識實習(xí)、仿真實習(xí)、受限空間仿真實習(xí)等平臺；化工設(shè)計模擬平臺包括Aspen plus過程設(shè)計模塊、分子模擬功能模塊、化工產(chǎn)品設(shè)計模塊、三維設(shè)計模塊等。

圖1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)架

我們將虛擬仿真實驗教學(xué)平臺應(yīng)用于實驗實踐教學(xué)、學(xué)科競賽創(chuàng)新、教學(xué)資源設(shè)計，均取得了良好的效果。

1.1 實驗實踐教學(xué)平臺

實驗實踐教學(xué)平臺，包括工廠認(rèn)識實習(xí)、化工基本操作過程、裝置經(jīng)濟(jì)核算環(huán)節(jié)、污水-廢氣處理等功能模塊，各功能模塊相互聯(lián)系。通過整合教學(xué)資源，達(dá)到理論聯(lián)系實際，實踐檢驗理論，提高學(xué)生的基礎(chǔ)化工理論知識和化工動手能力的目的。

表1列出了平臺部分虛擬仿真軟件，涵蓋了化工原理實驗、化工單元、安全、制藥及化工工藝等方面。豐富的實習(xí)仿真教學(xué)資源由生產(chǎn)實習(xí)對應(yīng)的教學(xué)資源組成，從功能上實現(xiàn)了從單元仿真到工藝流程的銜接。在工藝流程裝置實習(xí)中，可實現(xiàn)一人多崗的角色分配、內(nèi)操與外操聯(lián)合運(yùn)作，培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神。各模塊均有操作步驟和考核功能，模塊能夠有效地提高學(xué)生操作實踐能力、中控室與外操協(xié)調(diào)等綜合能力。實驗實踐虛擬仿真平臺的建設(shè)，實現(xiàn)了理論知識到實踐知識，實踐知識檢驗理論知識的目的。實驗實踐教學(xué)平臺能模擬真實運(yùn)行機(jī)制，將學(xué)生按各種角色分組(每組三名學(xué)生，承擔(dān)一個角色)，根據(jù)專業(yè)實習(xí)具體要求聯(lián)機(jī)運(yùn)行全過程操作，教師后臺設(shè)置事故狀態(tài)，考查學(xué)生的團(tuán)隊合作能力、操作熟練程度、處理應(yīng)急事故狀態(tài)的能力[4]。

表1 平臺部分虛擬仿真項目表

1.2 學(xué)科競賽創(chuàng)新平臺

自平臺建成后，虛擬仿真實驗教學(xué)中心成為我校學(xué)生參加全國大學(xué)生化工實驗大賽和全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽的準(zhǔn)備場所。

全國大學(xué)生化工實驗大賽由理論、仿真和實驗操作三部分組成。其中仿真部分，平臺提供了豐富的資源，例如化工原理實驗室安全軟件，學(xué)生通過練習(xí)平臺軟件，提高了實驗室的危險源辨識能力；在化工單元及工藝軟件中，學(xué)生通過開車、停車及常見事故的處理的學(xué)習(xí)，掌握工藝流程，解決工藝流程中出現(xiàn)的問題。在歷屆全國大學(xué)生化工實驗大賽中，本校學(xué)生取得優(yōu)異成績，獲特等獎和一等獎各一次。

化工設(shè)計競賽中，參賽選手們使用中心提供的ASPEN流程模擬軟件進(jìn)行物料衡算、能量衡算、流程優(yōu)化，并以教師開發(fā)的軟件數(shù)據(jù)對模擬計算過程進(jìn)行驗證；以3D仿真軟件提供的工廠實景為參考，用SP3D、PDMS等管道設(shè)計軟件對車間設(shè)備、管道進(jìn)行3D建模，用PDMS、3D MAX、SketchUp等軟件對總廠布置進(jìn)行3D建模[5]。本校學(xué)生四次榮獲全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽特等獎。

1.3 教學(xué)資源設(shè)計平臺

為培養(yǎng)化工類卓越工程師，充分利用虛擬仿真資源，中心建立了化工過程模擬-仿真實踐操作-工程制圖-通用化工廠的建模的“四位一體”的教學(xué)模式(圖2)，實現(xiàn)了軟件與教學(xué)一體化。中心還建立了省級石化科普廳、DCS中控室、現(xiàn)場操作室及化工設(shè)計協(xié)會等平臺。豐富的教學(xué)資源不僅為學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)，而且有利于教師自身的工程實踐能力培養(yǎng)，全面提高了青年教師工程化水平。

圖2 “四位一體”的教學(xué)模式

2 平臺建設(shè)目標(biāo)、思路

平臺以實現(xiàn)各種虛擬仿真實驗教學(xué)資源最大化共享為主要目標(biāo)[6，7]。常州大學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心是首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，中心以“共建、共享、共贏”為建設(shè)思路。利用計算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)等先進(jìn)科技，建設(shè)了一個兼具實驗實踐虛擬仿真教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)虛擬仿真訓(xùn)練的基于互聯(lián)網(wǎng)的在線仿真教學(xué)平臺，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)仿真教學(xué)資源的全省網(wǎng)絡(luò)共享。為化工、材料、環(huán)境、安全、石油儲運(yùn)、自動化、機(jī)械等專業(yè)教學(xué)實踐活動服務(wù)。學(xué)生可不分時間、不分地點通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)、考試、交流等，實現(xiàn)輔助課堂教學(xué)、實驗、實習(xí)、課程設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗等環(huán)節(jié)的教學(xué)需求，幫助學(xué)校提高學(xué)生專業(yè)知識、專業(yè)技能及其應(yīng)用能力。

3 展望

逐步完善適用于本學(xué)科的虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和虛實結(jié)合的實驗教學(xué)體系，進(jìn)一步提升資源的標(biāo)準(zhǔn)性、兼容性與易用性，同時合作建立具有材料化工等大類專業(yè)特色的虛擬仿真實驗教學(xué)資源庫，在開放共享過程中形成資源共享、良性循環(huán)。

推進(jìn)資源開放共享的長效機(jī)制和政策環(huán)境。根據(jù)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和企業(yè)用人需求，持續(xù)優(yōu)化和完善資源，實現(xiàn)虛擬仿真與科學(xué)研究、工程實際、社會應(yīng)用相結(jié)合，確保資源開放共享的常態(tài)化和可持續(xù)化。

積極對接國際化人才培養(yǎng)的新模式，探索新穎有效的教學(xué)育人模式，助力實現(xiàn)在“一帶一路”背景下石油石化國際化人才培養(yǎng)目標(biāo)。