過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索

李 強(qiáng)，許偉偉，王建軍，金有海，王振波

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

1 立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需求

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要手段和途徑，是將單一的認(rèn)知過(guò)程變?yōu)椤皩?shí)踐—認(rèn)識(shí)—理論—再認(rèn)識(shí)—再理論—再實(shí)踐”的過(guò)程，是將抽象的理論在實(shí)踐中進(jìn)行充分檢驗(yàn)和運(yùn)用的良好平臺(tái)［1－2］。

雖然過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱裝控專業(yè)）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革一直在進(jìn)行，但受制于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是為理論教學(xué)服務(wù)，教師作為實(shí)驗(yàn)主體，要詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生只是被動(dòng)地接受來(lái)自書本的知識(shí)，實(shí)踐能力并沒(méi)有得到很好的訓(xùn)練。由于受制于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)體系，實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能在固定的時(shí)間和專門的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，不利于綜合性、探究性和研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開展；由于受制于稀少的實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以演示型和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)較少，學(xué)習(xí)興趣難以被激發(fā)，制約了學(xué)生自主性和創(chuàng)新性的充分發(fā)揮。隨著過(guò)程工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力要求越來(lái)越高，迫切需要對(duì)裝控專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展、推廣和普及［3－6］，半實(shí)物、全數(shù)字化動(dòng)態(tài)模型及3D虛擬仿真技術(shù)已將傳統(tǒng)機(jī)械裝置的硬件功能軟件化，并使得原來(lái)“粗放”的實(shí)驗(yàn)室硬件管理模式轉(zhuǎn)向“集約化”管理，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)立的、開放的、面向社會(huì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一個(gè)資源共享、多功能、多元化、多層次的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［7－8］，這不僅能改革傳統(tǒng)的教學(xué)和管理模式，提高教育水平，還能極大地降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本、提高工作效率。

根據(jù)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中提出的“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)踐教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)，重點(diǎn)建設(shè)一批國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國(guó)家大學(xué)生校外實(shí)踐教學(xué)基地、高職實(shí)訓(xùn)基地”的部署，中國(guó)石油大學(xué)國(guó)家級(jí)石油化工與裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心圍繞改進(jìn)和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果、更好地培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力、創(chuàng)新精神和工程意識(shí)的思路，對(duì)裝控專業(yè)立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)進(jìn)行了必要的改革探索與實(shí)踐。

2 立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

裝控專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用虛擬實(shí)驗(yàn)、仿真模擬、實(shí)踐創(chuàng)新3種教學(xué)模式，通過(guò)理論強(qiáng)化、模擬仿真、現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知、工程實(shí)訓(xùn)4個(gè)訓(xùn)練梯度，遵循理論與實(shí)踐結(jié)合、虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合、模擬與仿真結(jié)合、教學(xué)與科研結(jié)合、校內(nèi)與校外結(jié)合的“五結(jié)合”原則，構(gòu)建了由教學(xué)演示型、仿真實(shí)踐型、綜合實(shí)訓(xùn)型、認(rèn)知設(shè)計(jì)型和開放提高型等5個(gè)教學(xué)模塊的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)體系（見圖1），助推學(xué)生的工程能力與創(chuàng)新能力的提高。

圖1 立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)框圖

2.1 教學(xué)演示型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容單一、工程背景不強(qiáng)，偏重于理論知識(shí)的傳授，學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力普遍較弱，達(dá)不到“培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力”的教學(xué)目的［9］。中國(guó)石油大學(xué)（華東）裝控專業(yè)遵循“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、強(qiáng)能力”原則，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重理論知識(shí)的形象化展示，強(qiáng)調(diào)拓展知識(shí)面、強(qiáng)化適應(yīng)能力和實(shí)踐能力，開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。裝控專業(yè)立足于所承擔(dān)的國(guó)家“十二五”規(guī)劃教材建設(shè)和精品課程建設(shè)，構(gòu)建了包括多媒體課件、視頻教材、網(wǎng)絡(luò)資源、教學(xué)軟件等元素的教學(xué)素材庫(kù)（見圖2），以豐富的多元素資料充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，這些資源的利用有效地提高了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)效果。

2.2 仿真實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

根據(jù)裝控專業(yè)的特點(diǎn)，仿真實(shí)踐型教學(xué)模塊配備FLUENT、ANSYS、MSC、UG等大型商用仿真軟件。學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師給出的工程案例，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行各種復(fù)雜系統(tǒng)的建模、仿真和事故重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)概念化設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)性能評(píng)價(jià)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)逆向求反等。學(xué)生可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，然后比較不同的計(jì)算結(jié)果，更直觀地了解課堂上所學(xué)的基本原理。

圖2 裝控專業(yè)課程多媒體素材庫(kù)

圖3為基于ANSYS軟件的壓力容器應(yīng)力分析結(jié)果，可以非常清晰地得到壓力容器在不同工況、不同位置的受力情況，并將各門力學(xué)知識(shí)綜合應(yīng)用到項(xiàng)目中。通過(guò)這種仿真操作，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)課和相關(guān)知識(shí)的理解，而且可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新的主動(dòng)性。

圖3 仿真實(shí)踐計(jì)算結(jié)果

為了解決實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)儀器少而學(xué)生人數(shù)多的矛盾，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)建立了網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)（見圖4）。通過(guò)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多種化工裝備性能實(shí)驗(yàn)的模擬和虛擬仿真，可以模擬泵和壓縮機(jī)的啟動(dòng)、關(guān)閉過(guò)程，正常運(yùn)行和各種事故的處理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生親自動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少的不足，真實(shí)地再現(xiàn)化工機(jī)械在生產(chǎn)中的工作過(guò)程。例如“往復(fù)壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)網(wǎng)上平臺(tái)”就是通過(guò)網(wǎng)上操作及動(dòng)畫演示，使學(xué)生掌握往復(fù)壓縮機(jī)的工作原理，掌握其啟動(dòng)、關(guān)閉過(guò)程及操作注意事項(xiàng)。

圖4 網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.3 綜合實(shí)訓(xùn)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

以國(guó)際頂級(jí)CAD/CAM/CAE軟件為平臺(tái)，結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由單一性、局部性向綜合性、整體性拓展，實(shí)驗(yàn)方法由示范性、驗(yàn)證性向開發(fā)性、設(shè)計(jì)性轉(zhuǎn)變，探索產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制和實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要是由離心泵結(jié)構(gòu)及工作原理實(shí)訓(xùn)、往復(fù)壓縮機(jī)工作原理實(shí)訓(xùn)、換熱器組裝實(shí)訓(xùn)和分離設(shè)備工作原理實(shí)訓(xùn)組成。圖5為離心泵結(jié)構(gòu)及工作原理實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。利用該平臺(tái)，學(xué)生可以通過(guò)離心泵模型、仿真軟件以及現(xiàn)場(chǎng)拆裝練習(xí)，掌握離心泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和輸送流體的工作原理，掌握離心泵的啟動(dòng)過(guò)程及操作注意事項(xiàng)。通過(guò)虛擬仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并大大激發(fā)學(xué)生的科研興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，顯著提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

圖5 離心泵結(jié)構(gòu)及工作原理實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

與傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)不同，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以虛擬的三維模型代替實(shí)物，完成結(jié)構(gòu)認(rèn)知、虛擬拆裝、虛擬制造、分析、測(cè)試、運(yùn)行等實(shí)驗(yàn)［10－11］，解決了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、安全性、經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題，不僅能使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練更加符合工業(yè)實(shí)際情況，為學(xué)生就業(yè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的遠(yuǎn)程操作，有利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)并擴(kuò)大輻射效應(yīng)。

2.4 認(rèn)知設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

認(rèn)知設(shè)計(jì)型實(shí)踐教學(xué)依托國(guó)家級(jí)工程教育實(shí)踐中心、校工程教育訓(xùn)練中心和校外穩(wěn)定的實(shí)習(xí)基地，采用層次化、遞進(jìn)式的教學(xué)模式。學(xué)生由入學(xué)時(shí)對(duì)工程概念的感性認(rèn)知，到大二認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)對(duì)過(guò)程工業(yè)的理性認(rèn)識(shí)，再到大三現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的倒班實(shí)訓(xùn)（見圖6），學(xué)生逐步深入生產(chǎn)一線，加強(qiáng)理論與生產(chǎn)實(shí)際的結(jié)合，鞏固課堂中所學(xué)到的理論知識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐能力的大幅度提升。

圖6 學(xué)生認(rèn)知實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)

設(shè)計(jì)型課程4年不斷線，加強(qiáng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的系統(tǒng)性、綜合性和規(guī)范性，采用項(xiàng)目教學(xué)、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合的模式，都是對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問(wèn)題能力的訓(xùn)練。例如在“過(guò)程設(shè)備綜合課程設(shè)計(jì)”中，學(xué)生在教師的全面指導(dǎo)下，根據(jù)給定的工藝條件和要求，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立完成典型化工設(shè)備（塔）的機(jī)械設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)的確定、標(biāo)準(zhǔn)和通用零部件的選用、主要零部件的材料選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、塔體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性校核驗(yàn)算、施工圖的繪制和技術(shù)要求的編寫等。學(xué)生在完成設(shè)計(jì)任務(wù)后，可以利用仿真實(shí)踐教學(xué)模塊，通過(guò)仿真驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.5 開放提高型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

按照“基礎(chǔ)、綜合、創(chuàng)新”3個(gè)層次完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，鼓勵(lì)教師將科研成果、學(xué)科前沿知識(shí)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，供學(xué)生選擇和參與［12－13］。學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣、愛好和創(chuàng)意提出研究課題，自己組建課題研究團(tuán)隊(duì)并選擇指導(dǎo)教師。通過(guò)這種開放的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生獨(dú)立思考及創(chuàng)新的能力有不同程度的提高，培養(yǎng)了學(xué)生勇于探索和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的創(chuàng)新意識(shí)，并進(jìn)一步鞏固和提高專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，為今后從事科研工作奠定了較好的基礎(chǔ)。例如部分學(xué)生創(chuàng)新小組已在教師的指導(dǎo)下，完成了“密閉循環(huán)式氣浮實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)搭建及實(shí)驗(yàn)探究”、“多機(jī)械臂同步控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)石油大學(xué)（華東）在裝控專業(yè)立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)中，將學(xué)校、學(xué)院的實(shí)驗(yàn)資源、仿真實(shí)踐教學(xué)資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與工程實(shí)訓(xùn)資源整合到一起，構(gòu)建了由教學(xué)演示型、仿真實(shí)踐型、綜合實(shí)訓(xùn)型、認(rèn)知設(shè)計(jì)型、開放提高型所組成的立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)體系，盡可能使工程應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，將不同課程的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理的交叉融合，將研究性實(shí)驗(yàn)與教學(xué)性實(shí)驗(yàn)融合在同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，使真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)互為補(bǔ)充，通過(guò)開放性實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)的不足。通過(guò)這種全方位、立體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，全面提高了學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神，強(qiáng)化了理論與實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合與融會(huì)貫通。

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