优化实践教学体系 培养复合型人才

许亚岚， 罗雄麟

(中国石油大学(北京)信息学院，北京102249)

0 引言

相对于理论教学，实践教学更具直观性、综合性和创新性，是培养学生实践能力、创新能力的关键环节，因此我校自动化专业联合化工专业共建炼油化工虚拟工厂，探索实施“虚拟教学工厂”育人模式，优化实践教学体系，获得了丰富的实践经验和较好的建设成果。

1 建设炼油化工虚拟工厂

我校调研高校现有的小型冷模实训装置、缩小型流程生产装置、半实物仿真装置［1，2］和石化企业使用的操作员培训仿真系统(Operator Training Simulator，OTS)［3-5］后，融合OTS、缩小冷模物理仿真技术和半实物仿真技术，建设了新一代流程级仿真装置——炼油化工虚拟工厂。同时，借鉴新加坡南洋理工学院的“教学工厂”办学理念［6］，将炼油化工企业环境与我校教学科研环境融合在一起，探索“虚拟教学工厂”育人模式，实施以生产任务和科研项目为导向的情景式教学和研究方案，用来培养高水平的石油化工自动化复合型创新人才。

1．1 炼油化工虚拟工厂建设内容

炼油化工虚拟工厂耗资589万元，由5套标准的OTS、1套OTS开发工具包和1套我校设计开发的催化裂化半实物工艺流程OTS三部分组成。我校从系统功能、扩展性、石化行业市场率等方面考虑，选用了Honeywell公司的 OTS 方案［4，5］。催化裂化半实物工艺流程按某炼厂实际装置8∶1比例缩小建设，不运行实际物料，安装检测与调节仿真仪表，通过I/O卡件与Honeywell公司的C300控制器连接，进入控制站服务器后再通过OPC连接OTS，实现重要数据的现场显示和操作。

石油化工产品种类繁多，生产工艺各不相同，虚拟工厂建设了常减压、连续重整、柴油加氢、加氢裂化、以及催化裂化5套典型装置，可进行开车、调度运行、停车、设备故障等内容的培训和研究。5套装置在5套标准OTS上可以任意切换，同时满足30人实践教学训练。Honeywell的OTS主要由ePKS(Experion过程知识系统)DCS和Unisim流程模拟平台组成，分别是最新一代的过程自动化系统和最先进的流程模拟技术，利用该软件还可进行流程整合、建模和优化、先进控制等方面的研究［7］。另外，可以利用OTS开发工具包开发新的生产装置［8］，也可以利用虚拟现实技术开发三维虚拟现实展示［9］，还可以充分考虑装置间的影响关系和单元变量间的传递过程，将多个装置模型连接起来进行全企业级的流程仿真［10］，不断扩展和升级虚拟工厂，保持其技术先进性。

1．2 “虚拟教学工厂”育人模式

20世纪80年代初新加坡南洋理工学院借鉴德国“双元制”教学模式，提出了“教学工厂”职业技术教育新模式［6］。根据其官方解释，教学工厂是将实际的企业环境引入教学环境之中，并将两者融合在一起;它是在现有的教学系统(包括理论课、讨论课、实验和项目安排)基础上设立的，以学院为本位，不以企业为本位;企业项目和研发项目是教学工厂不可缺少的重要组成;它使学生能将所学知识和技能应用于跨学科、多元化的综合科技开发和创新。近年来教学工厂理论传入我国，成为职业教育研究的热点之一。文献［11］在教学工厂模式基础上，提出了通过信息技术手段将实际的企业环境引入教学环境之中，并相互融合，实施以项目课题为导向的“虚拟工厂”教学模式。借鉴以上研究成果，将炼油化工企业环境与我校教学和科研融合在一起，创建炼油化工虚拟教学工厂，实施以生产管理为导向的情景式实践教学，以企业项目和科研项目为内容的工程和科研训练。

(1)炼油化工虚拟教学工厂构建和运行。参考当前炼油厂的组织机构设置，按照“精简机构，扁平管理”原则，虚拟教学工厂设置生产部、管理部和研发部三大部门，再下设若干车间和科室，如图1所示。研发部由相关教师和研究生组成，进行日常研究工作;生产部各车间以某工况稳定生产，对全校学生开放;管理部由教师和本科生组成，进行生产计划调度、技术支持、设备管理、安全管理等工作。虚拟教学工厂与企业保持动态联系，做好循环往复的5个环节:市场调研、职业分析、生产任务或企业项目开发、教学实施、教学评价。

图1 炼油化工虚拟教学工厂组织结构图

(2)以生产管理为导向的情景式实践教学。根据炼油厂生产管理情况和各装置操作规程，可设计开停车、产品产量调度、工艺参数调整、设备故障等多种生产情景，用于实践教学。可以组织学生进行一套装置的生产操作练习，增强专业知识和技能，也可以将各专业学生组合起来，同时进入生产部和管理部的相应岗位，进行全厂生产演练。

(3)以企业项目和科研项目为内容的工程和科研训练。“用明天的技术培养今天的学生为未来服务。”是新加坡南洋理工学院人才培养所奉行原则，也是我校研究性大学建设所倡导的。因此必须不断收集企业项目、技术难点、以及学校科研项目放入研发部，引导本科生、研究生组成团队进行工程和科研训练，培养学生的创新性实践能力、交流沟通能力和团队合作精神。

2 改革教学内容，优化实践教学体系

实践教学是优化大学生知识结构和素质结构的有效途径，它是复杂的系统工程，只有不断优化其体系与内容、教学方法、考试方法等多个环节，才能实现实践教学整体优化，促进教学质量的全面提高［12］。调研了石油化工和自动化领域未来人才的需求，采用逐层倒推法，从顶层设计培养方案，构建“虚拟教学工厂”育人模式下的实践教学体系，创新实习方式，使学生在知识结构、思维方式以及工作方式上接受石油化工和自动化两个方向的培养和熏陶，培养实践能力强、社会适应能力强的石油化工自动化复合型创新人才［13］。

2．1 构建突出创新和实践的专业培养方案

以国内外一流大学为参照，建立适应研究型教学、有利于学生自主学习的教学框架。强调人文素养和科学精神并重的基础教育，在培养方案中对人文社会科学基础课程、数学与自然科学基础课程提出了学习要求;注重横向拓宽专业基础，加强学科交叉与融合，开设石油化工行业背景类选修课;开设创新与实践通识讲座和专业讲座，强调将实践与研究融入学习过程;设置以研究和工程训练为主的实践课和设计课，将大学生调查研究、科技创新等课外科技实践活动列入培养方案。

2．2 构建“虚拟教学工厂”模式的实践教学体系

按照“认知(感官)—技能(基础)—综合(提高)—创新(设计)—探究(学科)”的阶梯层次，构建“虚拟教学工厂”育人模式下的5层实验教学体系［14-15］:①以参观炼油化工虚拟工厂为主要内容的认知实验;②融于相关课程以演示、验证型实验项目为主要内容的基础实验;③ 以单元操作、工段操作和车间操作为主要内容的综合实验;④以企业项目和工程为主要内容的设计实验;⑤ 以科研训练、基于研究的毕业设计(论文)为主要内容的探究实验。将相关课程融于虚拟教学工厂，设计开发新颖的、能激发学生兴趣的实验，让学生课外选做，提高工程能力;将相关科研成果融于虚拟教学工厂，设计探究实验，学生组成团队进行科研训练，激发学生的探究兴趣和创新思维。

2．3 三段式生产实习方案

采用企业和虚拟工厂实习相结合的生产实习方式，充分发挥两者的优点［16］。学生先在校内了解炼油化工企业的生产特点，了解主要生产装置的工艺流程、反应机理和操作条件，以及虚拟工厂的技术原理和组织结构;然后到燕山石化接受安全教育，跟班劳动，了解工艺流程，操作条件，熟悉常规仪表和新型仪表，了解自动化系统的构成和安装，集散控制系统等内容;最后回到学校，进行虚拟教学工厂生产部和管理部的各种岗位培训，考核合格后，进行相应岗位的工作情景演练。燕山石化企业实习为学生提供了真实的生产环境、设备和先进的管理理念，以及企业文化熏陶，虚拟教学工厂实习提供了操作员、班组长、安全员、控制工程师、工艺工程师、部门主管、控制优化高级工程师等多种工作岗位，让学生亲身体验，可以快速学习和掌握企业所需的各种工作能力，成为社会和企事业所需的“零适应期”石油化工自动化复合型创新人才。

3 实践效果

炼油化工虚拟工厂为学校提供了一个与实际工厂一样的教学和科研平台，自2011年投用以来，承担了多门课程实践教学任务和多项科研任务。虚拟工厂由计算机仿真构建，软件运行稳定，维护方便，不仅解决了目前化工和自动化专业生产实习中存在的问题，还可对中石油、中石化、中海油等企业人员进行培训。自动化专业师生利用该平台开展了多项科研工作，至今发表学术论文8篇。

“虚拟教学工厂”育人模式激发了学生的学习兴趣，学生踊跃进入生产部进行各项操作训练，积极组队申请研发部拟出的科技创新项目，学生的工程实践能力和创新能力显著增强。2012年自动化专业各年级学生参加各项大赛，都取得了好成绩。参加2012年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛，获设计开发竞赛组全国一等奖(第1名)。

实践教学的整体优化促进了学生理论学习热情，自动化专业2012届毕业生平均选修总课程超出5学分左右。企业和虚拟工厂相结合的三段式生产实习，拓展了实习教学的深度，提高了实习教学效果。自动化专业毕业生具有较宽的理论基础、良好的实践能力和创新能力、以及入职工作“零适应期”等特点，获得了用人单位的一致好评，提升了学生的就业率。

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