談過程裝備與控制工程專業(yè)實踐教學

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摘要:實習實訓教學環(huán)節(jié)是過程裝備與控制工程專業(yè)的一個非常重要的教學環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)的實踐教學僅僅是安排學生到企業(yè)進行實習，是一種相對單一的認知過程。本文針對這一問題提出了虛實結合的新實踐教學模式。以四塔精制工藝及裝備仿真實訓平臺為例，通過對虛實結合的實踐教學平臺的建設和相應教學的開展兩個方面的闡述，為實踐教學的改革提供了一條思路。

關鍵詞:實踐教學;虛擬仿真;平臺建設

1虛實結合的實踐教學的需求

實習實訓在過程裝備與控制工程專業(yè)教學體系中是一個非常重要的教學環(huán)節(jié)。通過認識實習可以使學生更加全面的了解專業(yè)是什么能做什么，從而激發(fā)學生對專業(yè)的學習熱情。生產實習則可以培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實踐，從問題的界定、分析和解決的能力的綜合素養(yǎng)。然而，傳統(tǒng)的實踐教學僅僅是安排學生到企業(yè)進行實習，是一種相對單一的認知過程［1］。過程裝備與控制工程專業(yè)(以下簡稱過控專業(yè))的實踐教學一直在提倡到實際生產線上去進行。然而，現(xiàn)代過程企業(yè)多是系統(tǒng)集成化程度高，工位操作復雜且安全責任相對較大。同時，現(xiàn)在的在校大學生的實際經驗欠缺、操作不夠熟練，這就導致了在實際生產的接觸過程中具有較大的安全隱患的。即使通過專業(yè)和企業(yè)的努力可以頂崗實習，往往也是"師傅帶、學生看、動手看天氣"基礎性工作［2］。因此，在傳統(tǒng)的實踐教學活動的開展過程變成了走過場的教學活動。隨著計算機數(shù)字模擬信息技術、無線互聯(lián)網技術和物聯(lián)網技術的推廣和逐步走入人們的日常生活，半實物沙盤和數(shù)字化全息模擬技術已可以將傳統(tǒng)過程裝置包括外觀、功能及工控在內的大部分硬件功能實現(xiàn)了數(shù)字化和虛擬化，并可以深度整合一個綜合的實踐教學平臺。這為教學水平的提高，實踐教學安全性的提升、工作效率充分利用帶來可能，并使合作企業(yè)更易于接受學生進行“真正”的頂崗實習。

2虛實結合的實踐教學平臺的建設與教學開展

虛實結合的實踐教學平臺并不是替代傳統(tǒng)實踐教學模式，而是將傳統(tǒng)實踐教學模式中一些無法直接進行的教學知識點以虛擬現(xiàn)實的形式展現(xiàn)為教學創(chuàng)造條件從而豐富實踐教學內容，實現(xiàn)更深層次的教學體驗。

2．1虛實結合的實踐教學平臺的建設

以鄭州輕工業(yè)大學能源與動力工程學院過程裝備與控制工程的四塔精制工藝及裝備仿真實訓平臺建設為例。過控專業(yè)與某甲醇生產企業(yè)合作共同進行虛擬化建設，依據實習企業(yè)真實的工藝過程，運用靈境仿真技術，結合現(xiàn)場生產裝置、閥門儀表及DCS控制系統(tǒng)進行數(shù)字化重組構建高度真實的生產工藝過程，形成了“半實物沙盤”、“3D計算機仿真”、“線上實習實踐”等幾個虛擬仿真教學模塊，為“半實物仿真沙盤－3D計算機仿真－線上實習實踐－企業(yè)頂崗實習”的虛實結合實踐教學的開展提供了堅實的物質基礎。(1)半實物仿真沙盤:半實物仿真沙盤采用比例縮小的實物工廠模型，使學生初步了解四塔精制廠區(qū)布置及裝備安置情況，對相關知識點有感性認識。(2)3D人工環(huán)境系統(tǒng):3D人工環(huán)境系統(tǒng)為學生提供3D漫游動畫和廠區(qū)3D空間的虛擬世界。3D漫游動畫以第一人稱為視角介紹整個廠區(qū)，以生產物料的流動為線索來展現(xiàn)工段的工藝，使學生對于廠區(qū)的工藝進行更加深入的了解。廠區(qū)3D空間的虛擬世界則提供了類似于游戲的3D操作界面，它以游戲關卡的形式制造出一種“打怪升級”的自主學習環(huán)境，使學習者通過與人工環(huán)境之間的互動在不知不覺中獲取知識、技能的一種學習方式。(3)仿真控制系統(tǒng):虛擬仿真系統(tǒng)提供了DCS控制系統(tǒng)和SIS控制系統(tǒng)相結合人機交互界面，通過對界面上的DCS控制系統(tǒng)和SIS控制系統(tǒng)進行操作，可以對虛擬仿真系統(tǒng)的工況進行干預。(4)化工單元操作系統(tǒng):虛擬仿真系統(tǒng)提供了與過程工藝相關的化工原理虛擬實現(xiàn)來幫助學生理解每一部分工藝流程的原理和熟悉化工單元基本操作，這些工況包括:精餾塔單元實驗操作、填料塔吸收單元實驗操作和離子泵串并聯(lián)實驗操作等。(5)裝備知識庫:裝備知識庫包含了流程內動靜設備的結構解析、設備工作原理以及安全操作和管理的相關知識和化工安全設施的相關知識。學生查閱可以通過虛擬仿真系統(tǒng)內超鏈接的形式與虛擬仿真系統(tǒng)相關聯(lián)，它也可以在半仿真沙盤中掃描相應的二維碼查閱相關動靜設備知識。(6)量化考核系統(tǒng):仿真考核系統(tǒng)分為學習時長、操作正確性、工程問題的解決方案等幾種分別從不同角度考核學生對相關知識點、設備控制要點和事故處理程度的理解掌握情況。

2．2虛實結合的實踐教學開展

實踐教學的開展通過課前自主預習、問題導向教學、量化考核和企業(yè)實踐等四個環(huán)節(jié)完成。

2．2．1課前自主預習課前自主預習是實訓開始之前的重要環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)，學生通過學習實綱教學要求中相關實習知識點、相關基礎背景知識、半實物仿真沙盤以及線上學習，能夠具像地熟悉和了解精制工藝流程及原理和工作參數(shù)，了解相關操作要點重點難點，對實習實訓要求既有宏觀認知又有對具體單元步驟有較清晰的了解和認識，以期提高后續(xù)環(huán)節(jié)的學習效率和效果;預習環(huán)節(jié)提出有相關要求，完成預習的相關實習報告等材料，考核合格后進行課堂教學和實踐環(huán)節(jié)。

2．2．2問題導向教學問題導向教學過程中通過采取提出問題、解決問題、討論解決方案和完成工況練習等手段，讓學生獲得系統(tǒng)的綜合的演練，加強其對基本理論和工藝流程的認識和理解，建立過程的概念，加深對過程規(guī)律理解，促進對實際問題的界定、分析和解決的能力的培養(yǎng)。教學過程中，學生根據自愿形成若干小組，以問題為導向，學生進行分組式或獨立式的研究、討論、交流，通過查閱相關書籍、素材、資料等自行進行反復分析研究，教師啟發(fā)學生逐步深入地研究、討論相關問題并利用相關知識、方法探索解決一些問題并形成解決方案，促使其思考相關較深層次的實際復雜工程問題。并在反復討論和研究過程中，學生更好的掌握相關實習知識點、相關基礎和背景知識，理解相關操作要點重點難點。

2．2．3量化考核完成前兩步學習活動后，需要對知識和技能的掌握情況進行考核。這也是促進學生再次進行自主查缺補漏的一種教學手段。量化考核主要圍繞實驗預習完成情況及問題回答等內容和仿真系統(tǒng)工況控制進行量化考核。

2．2．4企業(yè)實踐在量化考核合格后，學生進入相關合作企業(yè)，在企業(yè)導師帶領下進行現(xiàn)場實習。同時，結合自由和開放的線上學習促使學生查缺補漏并理解和掌握相關知識點。

3結束語

虛實結合的實踐教學平臺的建設和教學開展是實踐教學的改革和創(chuàng)新，在學生具備了基本實驗技能、初步設計技能和基礎工程分析能力之后，通過虛擬仿真實訓，較為系統(tǒng)地理解和實施工程系統(tǒng)從工程分析、方案制定、工程驗證到效能評價等完整的流程，將會大大滿足關于技術型、應用型、設計型人才培養(yǎng)的需要。

參考文獻

［1］李強，許偉偉，王建軍，等．過程裝備與控制工程專業(yè)立體化實驗教學的實踐與探索［J］．實驗技術與管理，2015，32(11):187－190．

［2］陳宇慧，張艷萍，董華東，等．教育信息化背景下化工類生產實訓教學模式研究［J］．山東化工，2018，47(24):121－122．

作者：岳利文 董華東 張永海 秦靜 單位：鄭州輕工業(yè)學院