过程装备与控制工程专业立体化实验教学的实践与探索

李 强，许伟伟，王建军，金有海，王振波

（1.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）

1 立体化实验教学改革的需求

实验教学是培养学生综合素质和创新能力的重要手段和途径，是将单一的认知过程变为“实践—认识—理论—再认识—再理论—再实践”的过程，是将抽象的理论在实践中进行充分检验和运用的良好平台［1－2］。

虽然过程装备与控制工程专业（以下简称装控专业）实验教学改革一直在进行，但受制于传统的实验教学理念，实验教学只是为理论教学服务，教师作为实验主体，要详细讲解实验过程，学生只是被动地接受来自书本的知识，实践能力并没有得到很好的训练。由于受制于传统的实验体系，实验教学只能在固定的时间和专门的实验室中进行，不利于综合性、探究性和研究性实验内容的开展；由于受制于稀少的实验资源，实验教学多以演示型和验证性实验为主，学生动手机会较少，学习兴趣难以被激发，制约了学生自主性和创新性的充分发挥。随着过程工业的快速发展，对学生动手能力要求越来越高，迫切需要对装控专业的实验教学进行改革。

随着计算机技术、信息技术和网络技术的快速发展、推广和普及［3－6］，半实物、全数字化动态模型及3D虚拟仿真技术已将传统机械装置的硬件功能软件化，并使得原来“粗放”的实验室硬件管理模式转向“集约化”管理，实现了一个独立的、开放的、面向社会的实验系统，一个资源共享、多功能、多元化、多层次的综合实验教学平台［7－8］，这不仅能改革传统的教学和管理模式，提高教育水平，还能极大地降低实验教学成本、提高工作效率。

根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》中提出的“加强实验室、实习实训基地、实践教学共享平台建设，重点建设一批国家级实验教学示范中心、国家大学生校外实践教学基地、高职实训基地”的部署，中国石油大学国家级石油化工与装备虚拟仿真实验教学中心围绕改进和提高实验教学的质量和效果、更好地培养学生的协作能力、创新精神和工程意识的思路，对装控专业立体化实验教学的建设进行了必要的改革探索与实践。

2 立体化实验教学平台的建设与实践

装控专业实验教学采用虚拟实验、仿真模拟、实践创新3种教学模式，通过理论强化、模拟仿真、现场认知、工程实训4个训练梯度，遵循理论与实践结合、虚拟与现实结合、模拟与仿真结合、教学与科研结合、校内与校外结合的“五结合”原则，构建了由教学演示型、仿真实践型、综合实训型、认知设计型和开放提高型等5个教学模块的综合实验教学结构体系（见图1），助推学生的工程能力与创新能力的提高。

图1 立体化实验教学平台框图

2.1 教学演示型实验教学

传统教学模式的教学内容单一、工程背景不强，偏重于理论知识的传授，学生实践动手能力普遍较弱，达不到“培养学生的动手能力和创新能力”的教学目的［9］。中国石油大学（华东）装控专业遵循“厚基础、重实践、强能力”原则，在实验教学中注重理论知识的形象化展示，强调拓展知识面、强化适应能力和实践能力，开展研究型实验教学。装控专业立足于所承担的国家“十二五”规划教材建设和精品课程建设，构建了包括多媒体课件、视频教材、网络资源、教学软件等元素的教学素材库（见图2），以丰富的多元素资料充实实验教学过程，这些资源的利用有效地提高了实验项目的教学效果。

2.2 仿真实践型实验教学

根据装控专业的特点，仿真实践型教学模块配备FLUENT、ANSYS、MSC、UG等大型商用仿真软件。学生根据指导教师给出的工程案例，在计算机上进行各种复杂系统的建模、仿真和事故重构，实现概念化设计、虚拟样机性能评价、复杂结构逆向求反等。学生可以根据不同的工况进行设计计算，然后比较不同的计算结果，更直观地了解课堂上所学的基本原理。

图2 装控专业课程多媒体素材库

图3为基于ANSYS软件的压力容器应力分析结果，可以非常清晰地得到压力容器在不同工况、不同位置的受力情况，并将各门力学知识综合应用到项目中。通过这种仿真操作，不仅可以增强学生对专业课和相关知识的理解，而且可以提高学生的学习兴趣和创新的主动性。

图3 仿真实践计算结果

为了解决实验场地、实验仪器少而学生人数多的矛盾，利用计算机技术和互联网通信技术建立了网上实验操作系统（见图4）。通过网上实验操作系统，学生可以在计算机上进行多种化工装备性能实验的模拟和虚拟仿真，可以模拟泵和压缩机的启动、关闭过程，正常运行和各种事故的处理，弥补了传统实验学生亲自动手操作机会少的不足，真实地再现化工机械在生产中的工作过程。例如“往复压缩机性能实验网上平台”就是通过网上操作及动画演示，使学生掌握往复压缩机的工作原理，掌握其启动、关闭过程及操作注意事项。

图4 网上实验系统

2.3 综合实训型实验教学

以国际顶级CAD/CAM/CAE软件为平台，结合复杂系统建模和仿真技术进行开发，使实验内容由单一性、局部性向综合性、整体性拓展，实验方法由示范性、验证性向开发性、设计性转变，探索产学研协同创新机制和实验教学新模式。

该实验教学项目主要是由离心泵结构及工作原理实训、往复压缩机工作原理实训、换热器组装实训和分离设备工作原理实训组成。图5为离心泵结构及工作原理实训平台。利用该平台，学生可以通过离心泵模型、仿真软件以及现场拆装练习，掌握离心泵的内部结构和输送流体的工作原理，掌握离心泵的启动过程及操作注意事项。通过虚拟仿真和现场实验相结合的教学模式，可以引导学生进行知识结构的优化，并大大激发学生的科研兴趣和学习动力，显著提升学生理论联系实际的能力。

图5 离心泵结构及工作原理实训平台

与传统的实物实验不同，虚拟仿真实验以虚拟的三维模型代替实物，完成结构认知、虚拟拆装、虚拟制造、分析、测试、运行等实验［10－11］，解决了实验场地、安全性、经费等问题，不仅能使学生的实验技能训练更加符合工业实际情况，为学生就业奠定坚实的基础，而且可以实现实验教学的远程操作，有利于教学实验的开发并扩大辐射效应。

2.4 认知设计型实验教学

认知设计型实践教学依托国家级工程教育实践中心、校工程教育训练中心和校外稳定的实习基地，采用层次化、递进式的教学模式。学生由入学时对工程概念的感性认知，到大二认识实习对过程工业的理性认识，再到大三现场实习的倒班实训（见图6），学生逐步深入生产一线，加强理论与生产实际的结合，巩固课堂中所学到的理论知识，最终实现工程实践能力的大幅度提升。

图6 学生认知实习现场

设计型课程4年不断线，加强设计内容的系统性、综合性和规范性，采用项目教学、课程设计与毕业设计相结合的模式，都是对学生独立思考、分析和解决问题能力的训练。例如在“过程设备综合课程设计”中，学生在教师的全面指导下，根据给定的工艺条件和要求，综合运用所学知识，独立完成典型化工设备（塔）的机械设计，包括设计参数的确定、标准和通用零部件的选用、主要零部件的材料选择与设计计算、结构设计、塔体强度设计及稳定性校核验算、施工图的绘制和技术要求的编写等。学生在完成设计任务后，可以利用仿真实践教学模块，通过仿真验证工艺设计参数。

2.5 开放提高型实验教学

按照“基础、综合、创新”3个层次完善实验教学体系，鼓励教师将科研成果、学科前沿知识融入实验教学，供学生选择和参与［12－13］。学生也可以根据自己的兴趣、爱好和创意提出研究课题，自己组建课题研究团队并选择指导教师。通过这种开放的实验项目，使学生独立思考及创新的能力有不同程度的提高，培养了学生勇于探索和发现问题、解决问题的创新意识，并进一步巩固和提高专业知识和实验技能，为今后从事科研工作奠定了较好的基础。例如部分学生创新小组已在教师的指导下，完成了“密闭循环式气浮实验装置设计搭建及实验探究”、“多机械臂同步控制实验平台建设”等创新创业项目。

3 结束语

中国石油大学（华东）在装控专业立体化实验教学平台的建设中，将学校、学院的实验资源、仿真实践教学资源、虚拟仿真实验教学资源与工程实训资源整合到一起，构建了由教学演示型、仿真实践型、综合实训型、认知设计型、开放提高型所组成的立体化实验教学结构体系，尽可能使工程应用性实验与理论教学实验有机结合，将不同课程的实验进行合理的交叉融合，将研究性实验与教学性实验融合在同一实验平台中，使真实实验平台与虚拟实验系统互为补充，通过开放性实验弥补实验教学课时的不足。通过这种全方位、立体化实验平台，全面提高了学生的科学素质和创新精神，强化了理论与实践实验的有机结合与融会贯通。

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