基于CDIO理念的虚拟仿真技术融入地方高校化工专业实践教学模式改革探索

袁光辉，刘蓉，寇莹，张芳，廖彪 (安康学院化学化工学院，陕西 安康 725000)

0 引言

化学工程与工艺专业主要研究化学工程与化学工艺相关的基本知识和技能，涉及化学反应、化工单元操作、化工过程与设备、工艺过程系统模拟优化等多个方面，进行化工合成、化学工艺优化、化学检验等。社会的快速发展对传统的化工行业进行转型升级的要求越来越迫切，急需一大批综合能力和创新能力强的化工应用型人才。化工应用型人才的基本支撑点是工程实践能力。近年来，虚拟仿真技术发展迅猛。利用虚拟仿真技术可构建网络化、交互式、开放式的虚拟实践教学平台，可实现教学资源数字化和共享化的高度集成[1-2]。虚拟仿真技术辅助实验教学已经成为各高校提升教育水平和提高人才培养质量的重要手段。特别是化学化工类学科，一些高危险、高污染和高成本的实验教学越来越离不开虚拟仿真技术[3]。随着科学技术和化工产业的高速发展，企事业单位要求化工类专业人才具有较强的工程实践能力，具有自主学习和终身学习的意识，具备持续学习和自我完善的能力，具备独立开展化工研究和技术开发的创新设计能力。

2016年我国加入《华盛顿协议》，实现了本科工程学历资格的国际互认，国内工程教育需要结合国际进行方向和思路改革。2017年，教育部颁布的《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》中明确提出新工科建设应以工程类人才的培养为核心，注重提升人才培养质量[4]。在新工科建设背景下，培养新时代亟需的具有较强工程实践能力的应用型人才是高等工程教育改革的目标[5]。CDIO模式是由瑞典皇家工学院、麻省理工学院等4所工程院校率先提出的一种工程教育理念，近年来得到了国际工程教育的倡导和推广[6-7]。CDIO模式是以具体项目设计和实施为抓手，通过 Conceive-构思、Design-设计、Implement-实施和Operate-运行，培养的学生实践操作能力，这与我国在新工科建设背景下的工程应用型人才的培养要求相吻合[8]。研究以化学工程与工艺专业综合实验与实训课程为依托，结合地方高校特点，工程实践与虚拟仿真技术相结合，探索基于CDIO理念的化工专业实践教学模式，旨在激发学生主体作用和创新实践潜能，提升工程实践教学质量。

1 地方高校化工专业实践能力培养过程中存在的问题

许多地方高校受限于软硬件等条件，化工教育过度重视学生理论知识的学习，忽视了引导学生进行工程实践综合应用，化工实验实训教学大多是按图索骥、照本宣科，不同程度地存在化工设备容错率低、学生实际体验感与获得感不足等问题，培养过程中很难调动学生学习积极性和主动性，难以实现知识掌握向实际应用的转变，工程教育的价值难以充分发挥。其原因是多方面的。

1.1 地方高校化工实践教学手段相对单一

目前大多数地方高校化工基础实验教学多采用分组实验，实验规模较小且都以化工单元操作为主，形式相对单一。因为大多化工设备容错率低，大多数地方高校为了保证设备正常运转和实验安全，化工综合实验与实训主要采取的是教师示范演示，学生则是按照特定实验流程进行操作为主，导致学生实验过程中畏首畏尾，缺乏主动性和创新性，实验实训与企业的化工产品生产实际存在一定的脱节，学生的化工综合实践能力得不到有效培养。

1.2 地方高校的化工实验设备配置不足

由于化工实验设备特别是大型化工实训设备价格昂贵，地方高校因为经费等原因一般难以充足配置。面对人数较多的化工类专业学生，大多数地方高校一般采用的是4～5人一台设备开展实验，且大多为单列的化工单元操作实验设备，连续的化工生产过程被割裂了开来。另一方面，操作工艺要求高、危险系数高，导致在地方高校校内开展化工综合实训实体实验的难度较大。学生难以在地方高校实验室实现化工工艺的放大设计与综合实训，单列的化工单元操作实验使学生无法有效参与化工生产整过程，容易导致学生对化工产品整体生产过程的理解和掌握能力得不到很好培养。

1.3 地方高校教师相对缺乏化工实训经验

地方高校的大部分化工专业教师没有化工厂的工作经验，对学生的化工综合实训教学只能进行理论和简单操作指导，缺乏贴合化工企业生产实际的综合实训指导。高校聘用的企业技术人员虽然化工生产实践经验丰富，但相对缺乏教育方法和教学经验，影响化工实训教学效果。

1.4 学生计算机应用能力相对较差

现代化工生产已基本实现全程自动化，工艺设计、工程问题解决和工程数据的运算都离不开计算机，传统的纸笔、计算器已无法完成化工运算。目前地方高校的大多化工专业学生计算机应用能力差，利用相关化工软件进行工艺设计、解决实际问题的能力偏弱。

1.5 企业的化工实训难以达到预期效果

化工人才培养方案往往要求企业一次性完成几十人的全程实训，大部分企业难以高质量完成。考虑到化工企业的生产特点以及安全等因素，实训企业往往会严格限制学生的动手操作，部分企业甚至以见习代替实习实训，学生在企业的化工实训期间大多是参观装置设备、了解工艺运行状况，很少被允许在中控室进行实际化工生产操作。这种处处受限而无法全程参与进来的企业实训，导致学生对实训感觉乏味，学习积极性和主动性收到很大影响，学生的实训获得感不强，实训效果难以得到保证和提高。

2 基于CDIO理念的地方高校化工专业实践教学模式改革

2.1 构思设置课题

基于CDIO理念，在化工专业实践实训课程设计中进行化工课题设置，给学生提供具有情境性和真实性的课题，结合虚拟仿真技术进行项目设计，丰富学生体验，构思出最合理设计方案。结合化工专业特点，课题设置及实验设备组件的选型应符合工程实际，贴近实际需求场景，以便启发学生多角度综合观察和思考[9]。如可构思设置“年产10万吨高纯异戊二烯项目”“催化裂化工工艺”“合成氨工艺”“煤样中的金属元素分析检测与去除工艺”等实践实训教学项目，实践教学与虚拟仿真教学相结合，使抽象的理论知识具体化，培养学生“大工程观思维”。

2.2 设计课题方案

CDIO设计课题方案环节目的是锻炼学生能够自行构思设计实验项目实施方案的能力，教师进行辅助指导，保证项目顺利实施[10]。如“年产10万吨高纯异戊二烯项目”“催化裂化工工艺”“合成氨工艺”等实践实训教学项目，学生可根据工艺车间特点，从车间主任、工程师、质检员等角色出发，结合虚拟仿真技术和化工专业知识进行物料衡算、热量衡算、工艺流程、化工仪表等设计计算，促使学生通过自主学习、积极讨论、创新研究获得专业知识，提高化工工艺设计能力。

2.3 实施课题项目

项目设计方案完成后即进入CDIO课题实施阶段。在这个环节，学生小组需随时在组内交流讨论、分析问题、明确分工。教师应倾听观察学生表现，启发引导学生思考。通过虚拟仿真技术和实际实验的虚实结合可极大提高实践教学效率，“年产10万吨高纯异戊二烯项目”等课题引入虚拟仿真技术可解决实际化工设备容错率低等问题，允许学生在实施过程中的试错与纠错，从而构建课题设置与化工产品研发、化工生产工艺设计和管理能力的关联。学生通过课题项目的设计和实施不仅可以完成化工实践教学任务，掌握人才培养方案和教学大纲要求的实训知识和基本实践技能，还可以结合虚拟仿真技术更加全面的掌握化工生产原理、工艺过程、仪器设备选用与维护等，有利于提高学生化工实践能力及分析解决复杂工艺问题的能力。

2.4 运行考核评价

课题项目实施结束后，即进入CDIO运行考核评价。各小组提交化工设计说明书、化工课题实施与测试报告，接受教师考核与评价。此外教师还应给出化工设计改进建议，引导学生开拓思路。虚拟仿真技术可减少教师工作量和简化考核评价。学生结合虚拟仿真技术完成设计的化工课题项目后，即完成了化工实践与实训，虚拟仿真系统可随时进行学生实践实训操作情况、实验数据等的收集和分析，并可生成化工实践实训成绩和报告。系统可对学生的实训成果进行量化评价和给定考核等级[11]。教师可结合实训报告和学生考核等级对学生全方面评价，同时结合评价结果适时调整化工实践课题项目和实训方案。

3 化工专业实践实训教学综合评价

化工专业实践实训教学综合评价体系可参考CDIO教学模式的实施效果建立[12]。学生成绩可由学生实践教学过程中的个人表现(20%)、实践过程及操作(30%)、化工课题运行考核评价(50%)三部分组成。其中个人表现包括考勤、纪律、卫生、预习报告等，实践过程及操作包括设备操作、数据记录与分析、团队合作、异常实验现象处理等，化工课题运行考核评价包括实践方案设计、方案可行性、技术选型、实施计划、实践报告等。化工专业综合实践教学评价标准符合人才培养目标及各培养目标所支撑的学生毕业要求指标点，有利于反应学生在化工综合实践教学活动中的整体真实评价[13-14]。

4 结语

在新时代和新工科建设背景下，地方高校化工专业应立足于化工技术创新和化工产业发展需求，为企事业单位从事工程设计、产品研发、设备操作、质量监控与生产管理等工作培养高素质应用型人才。该研究依托CDIO工程教育模式，探讨了在虚拟仿真技术与实际实践相结合的前提下，通过构思课题方向、设计课题方案、实施课题项目、运行考核评价等环节的化工实践实训教学模式，并结合化工专业特色，构建化工综合实践教学活动的评价指标体系。虚拟仿真技术弥补了传统化工实践教学的不足和缺陷，为化工综合实践教学提供了安全、便捷的高效实施路径。基于CDIO理念的虚拟仿真技术融入化工专业综合实践的教学活动，可以激发学生学习的主动性和积极性，便于学生掌握数学、化学工程、精细化工、化工设备、化工设计等方面的基础知识和实验技能，提高学生的工程实践能力及独立开展化工研究和技术开发的创新设计能力。