过程装备与控制工程专业的实践教学研究

岳利文，董华东，张永海，秦 静

(1.郑州轻工业学院 能源与动力工程学院，河南 郑州 450002；2.北京市工业技师学院 学工处，北京 100023)

1 虚实结合的实践教学的需求

实习实训在过程装备与控制工程专业教学体系中是一个非常重要的教学环节。通过认识实习可以使学生更加全面的了解专业是什么能做什么，从而激发学生对专业的学习热情。生产实习则可以培养学生理论联系实践，从问题的界定、分析和解决的能力的综合素养。然而，传统的实践教学仅仅是安排学生到企业进行实习，是一种相对单一的认知过程[1]。过程装备与控制工程专业(以下简称过控专业)的实践教学一直在提倡到实际生产线上去进行。然而，现代过程企业多是系统集成化程度高，工位操作复杂且安全责任相对较大。同时，现在的在校大学生的实际经验欠缺、操作不够熟练，这就导致了在实际生产的接触过程中具有较大的安全隐患的。即使通过专业和企业的努力可以顶岗实习，往往也是"师傅带、学生看、动手看天气"基础性工作[2]。因此，在传统的实践教学活动的开展过程变成了走过场的教学活动。

随着计算机数字模拟信息技术、无线互联网技术和物联网技术的推广和逐步走入人们的日常生活，半实物沙盘和数字化全息模拟技术已可以将传统过程装置包括外观、功能及工控在内的大部分硬件功能实现了数字化和虚拟化，并可以深度整合一个综合的实践教学平台。这为教学水平的提高，实践教学安全性的提升、工作效率充分利用带来可能，并使合作企业更易于接受学生进行“真正”的顶岗实习。

2 虚实结合的实践教学平台的建设与教学开展

虚实结合的实践教学平台并不是替代传统实践教学模式，而是将传统实践教学模式中一些无法直接进行的教学知识点以虚拟现实的形式展现为教学创造条件从而丰富实践教学内容，实现更深层次的教学体验。

2.1 虚实结合的实践教学平台的建设

以郑州轻工业大学能源与动力工程学院过程装备与控制工程的四塔精制工艺及装备仿真实训平台建设为例。

过控专业与某甲醇生产企业合作共同进行虚拟化建设，依据实习企业真实的工艺过程，运用灵境仿真技术，结合现场生产装置、阀门仪表及DCS控制系统进行数字化重组构建高度真实的生产工艺过程，形成了“半实物沙盘”、“3D计算机仿真”、“线上实习实践”等几个虚拟仿真教学模块，为“半实物仿真沙盘-3D计算机仿真-线上实习实践-企业顶岗实习”的虚实结合实践教学的开展提供了坚实的物质基础。

(1)半实物仿真沙盘：半实物仿真沙盘采用比例缩小的实物工厂模型，使学生初步了解四塔精制厂区布置及装备安置情况，对相关知识点有感性认识。

(2)3D人工环境系统：3D人工环境系统为学生提供3D漫游动画和厂区3D空间的虚拟世界。3D漫游动画以第一人称为视角介绍整个厂区，以生产物料的流动为线索来展现工段的工艺，使学生对于厂区的工艺进行更加深入的了解。厂区3D空间的虚拟世界则提供了类似于游戏的3D操作界面，它以游戏关卡的形式制造出一种“打怪升级”的自主学习环境，使学习者通过与人工环境之间的互动在不知不觉中获取知识、技能的一种学习方式。

(3)仿真控制系统：虚拟仿真系统提供了DCS控制系统和SIS控制系统相结合人机交互界面，通过对界面上的DCS控制系统和SIS控制系统进行操作，可以对虚拟仿真系统的工况进行干预。

(4)化工单元操作系统：虚拟仿真系统提供了与过程工艺相关的化工原理虚拟实现来帮助学生理解每一部分工艺流程的原理和熟悉化工单元基本操作，这些工况包括：精馏塔单元实验操作、填料塔吸收单元实验操作和离子泵串并联实验操作等。

(5)装备知识库：装备知识库包含了流程内动静设备的结构解析、设备工作原理以及安全操作和管理的相关知识和化工安全设施的相关知识。学生查阅可以通过虚拟仿真系统内超链接的形式与虚拟仿真系统相关联，它也可以在半仿真沙盘中扫描相应的二维码查阅相关动静设备知识。

(6)量化考核系统：仿真考核系统分为学习时长、操作正确性、工程问题的解决方案等几种分别从不同角度考核学生对相关知识点、设备控制要点和事故处理程度的理解掌握情况。

2.2 虚实结合的实践教学开展

实践教学的开展通过课前自主预习、问题导向教学、量化考核和企业实践等四个环节完成。

2.2.1 课前自主预习

课前自主预习是实训开始之前的重要环节，在此环节，学生通过学习实习大纲教学要求中相关实习知识点、相关基础背景知识、半实物仿真沙盘以及线上学习，能够具像地熟悉和了解精制工艺流程及原理和工作参数，了解相关操作要点重点难点，对实习实训要求既有宏观认知又有对具体单元步骤有较清晰的了解和认识，以期提高后续环节的学习效率和效果；预习环节提出有相关要求，完成预习的相关实习报告等材料，考核合格后进行课堂教学和实践环节。

2.2.2 问题导向教学

问题导向教学过程中通过采取提出问题、解决问题、讨论解决方案和完成工况练习等手段，让学生获得系统的综合的演练，加强其对基本理论和工艺流程的认识和理解，建立过程的概念，加深对过程规律理解，促进对实际问题的界定、分析和解决的能力的培养。

教学过程中，学生根据自愿形成若干小组，以问题为导向，学生进行分组式或独立式的研究、讨论、交流，通过查阅相关书籍、素材、资料等自行进行反复分析研究，教师启发学生逐步深入地研究、讨论相关问题并利用相关知识、方法探索解决一些问题并形成解决方案，促使其思考相关较深层次的实际复杂工程问题。并在反复讨论和研究过程中，学生更好的掌握相关实习知识点、相关基础和背景知识，理解相关操作要点重点难点。

2.2.3 量化考核

完成前两步学习活动后，需要对知识和技能的掌握情况进行考核。这也是促进学生再次进行自主查缺补漏的一种教学手段。

量化考核主要围绕实验预习完成情况及问题回答等内容和仿真系统工况控制进行量化考核。

2.2.4 企业实践

在量化考核合格后，学生进入相关合作企业，在企业导师带领下进行现场实习。同时，结合自由和开放的线上学习促使学生查缺补漏并理解和掌握相关知识点。

3 结束语

虚实结合的实践教学平台的建设和教学开展是实践教学的改革和创新，在学生具备了基本实验技能、初步设计技能和基础工程分析能力之后，通过虚拟仿真实训，较为系统地理解和实施工程系统从工程分析、方案制定、工程验证到效能评价等完整的流程，将会大大满足关于技术型、应用型、设计型人才培养的需要。