新工科时代轻化工程专业新型工程教育信息化研究—以西安工程大学为例

师文钊，习智华，刘瑾姝，王雪燕，任 燕

（西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安 710048）

轻化工程专业中涉及的染整加工行业是传统行业，常规纺织品附加值低，市场竞争激烈，具有新功能的产品开发投入费用大，企业对人才的需求日益提升。而在生态环保、绿色加工的行业发展背景下，新型纺织印染制造关键技术、设备、工艺、产品及其质量评价等的研发及应用，也给轻化工程专业工程教育教学带来了巨大的压力[1]。目前，轻化工程专业工程教育与行业企业实际生产加工有所脱节，所培养学生的工程实践能力与知识结构水平契合程度一般，一定程度上制约了纺织印染专业工程教育的发展[2]。新技术、新产业与新业态异军突起、迅猛发展需要大批跨学科交叉的新型卓越工程技术人才，高校现行的工程教育信息化方法及内容不能适应新型卓越人才的培养[3]。

1 新型工程教育信息化研究的必要性

1.1 纺织工业“十三五”发展要求

针对“十二五”以来纺织工业创新型人才缺乏、综合创新能力较弱等问题，纺织工业发展规划（2016～2020年）[4]要求进一步发挥高等院校工程技术研究中心、重点实验室等在纺织印染产业中的基础型科学研究和关键技术攻关作用，大幅提升纺织印染绿色制造技术及应用水平，研发低给液染色等关键技术；推动互联网、大数据等在纺织印染行业融合应用；开发新型印染生产线数字化监控系统，建立智能化印染连续生产车间和数字化间歇式染色车间，推动信息化技术在纺织生产、研发、管理等环节的运用。以上具体要求均为目前纺织印染专业人才培养带来了新的挑战。纺织类高校只有在纺织印染工业发展的大背景下，进一步研究并应用新型工程教育信息化方法，才能及时应对行业发展新要求，适应产业对新型工程技术人才的需求。

1.2 陕西省纺织产业转型升级需求

陕西省作为全国重要的纺织工业基地已经有近60年的发展历史，而作为陕西的传统重要支柱产业，纺织工业对陕西省的经济与社会发展影响巨大[5]。但从1990年至今，受市场经济的快速发展和国家产业政策调整等影响，陕西省纺织印染产业出现了产业链残缺、企业生产成本增加、产品附加值低、人才流失严重等问题，明显制约了陕西省纺织印染工业的发展。在“一带一路”倡议的带动下，作为丝绸之路的起点，陕西的纺织印染产业得到了难得的发展机遇[6]。在纺织产业转型升级的契机下，高校更应借助新型信息化方法，为工程教育人才培养奠定坚实基础。通过新型工程教育信息化研究和实践，可为纺织印染产业进一步提高产业效率，满足纺织印染产品差异化、小批量、多品种的生产需求，培养多元化、创新型卓越工程人才，提供智力和人才支撑。

2 目前轻化工程专业工程教育信息化存在的问题

2.1 工程教育与行业企业脱节

2.1.1 教学设备滞后

纺织印染生产工艺流程长、设备种类繁多、工艺设计变换复杂，行业关键技术，如低给液染色、针织物平幅连续加工等新型绿色染整加工，新型印染生产线数字化监控系统、数控化印染主机装备等自动化、数字化、智能化印染设备及生产，高效环保型浆料、染料及助剂等纺织化学品开发及应用等技术的研发及应用，促使行业企业不断更新设备及技术以适应市场需求，而高校工程教育受资金、场地等资源方面限制，教学设备多为小样机、中样机等，设备机型少，连续化印染加工设备间断且系统性、加工单元前后一致性差，设备更新通常滞后于行业企业设备需求，从而导致专业工程教育实践环节与实际生产加工不吻合，工程教育教学无法达到通识教育所要求的宽广的知识面和专业教育所需要的尖端前沿科学要求，难以满足行业技术发展对高校专业人才培养的要求。

2.1.2 教学资源脱节

纺织印染加工中高端装备、高性能纤维、智能纺织品服装的研究与制造是纺织产业结构调整和产业升级的重点，而目前轻化工程专业工程教育教学资源受限于现有培养方案、教学课时安排等，较多侧重于理论知识的原理性介绍，虽有实际生产设备、工艺、产品及质量控制等内容的介绍，但仍欠缺新型绿色染整加工、智能化印染加工、智能制造关键技术等在实际生产加工中应用的相应教学素材和内容。实际纺织印染加工产品种类繁多、工艺复杂、产品质量评价体系不同，校内教育教学内容中多为基础的、传统的产品类型的加工工艺及原理，涉及的市场产品类型有限，无法较好地拓展学生对新技术、新产品的知识掌握，难以满足行业企业对新产品开发等方面的需求。

2.2 工程教育信息化建设滞后

在“互联网+”迅速发展时代背景下，信息技术同样在纺织印染行业各个环节得以深入应用，不断促进生产加工模式智能化、精细化转变，大数据、云平台等催生出更多纺织印染加工新业态、新模式，纺织印染加工与信息技术、互联网的深度融合对传统工程教育人才培养提出了新挑战。高校目前的教育教学大多仍以课堂教学为主，虽然近些年逐步发展了在线学习等方式，但主要集中在专业个别课程的建设上，且受培养方案及授课要求限制，信息化技术在教育教学中的实际应用较少。传统的课堂教学早已不能满足学生学习新知识、新技术去解决新业态、新模式中问题的要求，更不能适应行业企业对人才培养工程实践能力、创新能力的新需求。另外，不少高校所进行的工程教育信息化平台建设，管理模式大多是粗放式的，注重建设而不顾安全、注重硬件而不注重软件、只关注数据采集而不考虑数据维护等[7]。

综上所述，现有工程教育信息化手段难以适应纺织印染产业转型升级的需求，轻化工程专业新型工程教育信息化改革是纺织印染产业工程教育发展亟需解决的关键问题。

3 轻化工程专业新型工程教育信息化建设措施

教育始终是陕西全面建设西部强省的重要支撑和标志，但陕西省内具有轻化工程染整方向本科学位授予权的单位只有西安工程大学，具有纺织化学与染整工程二级学科硕士学位授予权的单位也只有西安工程大学。西安工程大学轻化工程专业工程教育及人才培养发展对陕西省纺织印染产业转型升级、助推区域经济社会发展具有重要意义。

针对以上工程教育信息化亟需解决的问题，西安工程大学轻化工程专业着手新型工程教育信息化的建设，通过纺织印染专业新型工程教育信息化研究与实践更新扩充工程教育中相关与行业企业及时对接的知识体系、结构及相应教辅材料，为实现优质教学资源共享、学生自主学习和交流、学习行为分析和教学持续改进，培养学生数字化思维，提升信息技术应用能力奠定了基础。通过建设若干优质在线课程，研究工程实践教学中虚拟仿真等信息技术的深度应用，提高工程教育效率及教学效果。

3.1 研究开设特色在线开放课程，提高学生解决复杂工程问题能力

3.1.1 专业教师为主体

目前，以轻化工程专业在建在线精品资源共享课程为基础，结合新工科背景，学院对工程教育提出的“新型”、“新生”、“新兴”等概念，以引领专业和其他学科建设及产业发展为导向，跨越原有产业和行业知识和能力培养界限，以工程教育认证为契机，制定完善培养方案，优化课程设置，针对专业主干课及专业选修课不同培养目标，结合教师个人科研及在企业行业内的实践经历，从教学资源设计及建设、自主学习信息反馈机制设计及建设、课内教学过程设计及建设、持续性考核评价体系改革等方面构建符合新工科人才培养要求的新型翻转课堂新模式，探索面向复杂工程问题的课程模式。

结合所构建新型翻转课堂教学模式，开设符合新工科要求的在线开放课程如《染整工艺原理》、《毛织物染整》、《染色物理化学》、《纺织品染整概论》等。结合不同课程培养目的与要求，以产业发展为导向，凝练重点、难点知识，构建知识点框架导图、拓展性问题设计、测试题库等，以学校现有网络教学平台为依托，将所建设教学材料上传以供学生首先进行线上学习。基于网络教学平台现有在线交流、评测及文件共享工具，对学生自主学习过程进行识别跟踪，及时提取学生存在的问题为线下课堂教学设计提供依据。老师根据线上学习存在的问题，按照学生自学学习情况对学生进行分组，根据企业现有印染加工流程、案例及产品等构建课堂情景，采用角色扮演、案例教学等方法，分配研究项目，以学生小组讨论为主，根据学生讨论兴趣点引导学生进一步进行课外深入探讨和学习。采取过程性评价和总结性评价两种方式对教学过程进行评价分析，持续性记录教学行为，检验师生发展水平[8]。

通过信息化技术在学生学习中的应用，培养学生思维独立性和学习自主性，提高学生信息化学习的能力，充分发挥学生个性特长，促进个性化学习。利用线上、线下相结合的教学模式，在课程有限的时间内更有效的培养学生分析和解决纺织印染加工复杂工程问题的能力和创新能力。同时，促进教师角色转变，使教适应学，教辅助学，教服务学，提高教师自身教育信息化素养，为培养服务国家产略、满足产业需求及面向未来发展的工程人才奠定知识基础，发挥学校对区域经济发展和产业转型升级的支撑作用。

3.1.2 企业工程技术人员为主体

依托陕西省大学生校外创新创业教育实践基地，以目前与学校签订校企合作协议的企业为试点，从行业发展及企业生产经营实际出发，结合企业内部员工培训相关流程、内容及要求，企业内工程技术人员针对自己所在岗位就职所需知识及能力储备，收集资料、整理归纳，可在在校教师协助下，制作以工程技术人员为主体的视频资源，包含实际生产中产品加工流程、设备运行、质量评价等各环节具体内容，并将其与相关在线开放课程结合，丰富学生在校内工程教育的专业实践知识积累，发挥行业企业在工程教育中的重要作用，使行业企业从原有被动的接受学校输送的人才到主动参与学校的工程教育，促进工程教育目标清晰、内容更新，真正服务于行业企业。

3.2 建设应用虚拟仿真实验教学平台，强化学生综合创新设计能力

纺织产品的多样化使企业对学生的专业知识与实践能力要求不断提高，西安工程大学地处西北，专业工程教育过程与企业、市场对接反应迟缓。因此，在纺织印染专业工程教育中引入仿真技术可降低教学成本，提高教学水平。

西安工程大学轻化工程专业通过解析“跨时空、多环节、连续式、不可逆、大信息量”的印染加工工艺流程及生产环节并进行原理抽象，应用现代信息技术，立足自主研发，建成轻化工程专业虚拟仿真教学实验平台，根据专业培养目标和课程设置，从专业基础知识和创新设计能力两个层面服务工程教育。该平台包括染整工艺3D仿真、设备原理（动画）与结构展示、分析过程仿真及大型分析仪器等多个模块，并对纺织品前处理、染色、印花机后整理加工完整流程、设备及质量评价等内容进行仿真。按照实际工厂布局建筑等要求，构建虚拟工厂，包括产房、生产平台及质量评价单元等。通过动态效果的3D模型，呈现出产品在设备中的实际生产状态，遵循设备运行的工作原理，构建实际生产设备的运行三维动态图、工作系统图、主要设置组成图、主要结构剖面图及工作原理图等，并制作了代表性设备半剖视3D模型，可通过模拟拆装操作，呈现设备内部织物、物料及介质等的运行状态，更贴切地模拟出印染工厂实际生产的过程及环境。

通过以上虚拟仿真工厂的建立，学生可通过实际操作在工厂全流程3D生产场景中以第一人称视角进行查看，并结合与实际生产产品加工流程完全一致的“任务学习型”引导操作，通过已设计好的学习任务，按照指导完成实际生产中的专业基础知识学习。通过染整加工单元操作设备实验项目及大型分析仪器模块的学习，使学生对工艺过程的主要指标进行控制调节，学生利用该教学平台可进行单机训练，也可借助局域网在教师指导下进行相关操作训练，将学生培养成为“实用型”、“适用性”人才，更顺利地融入工作岗位，改造和新建一些实验课程和实验内容，充分发挥特色专业的优势，使学生接触更多与本专业相关的前沿研究，掌握新型印染技术，不拘泥于书本内容，拓宽学生的知识面并培养独立研究问题的能力[9]。

4 轻化工程专业新型工程教育信息化建设的创新

4.1 更新完善教学资源，行业企业角色变化

结合新工科对工程教育提出的新要求，对现有与行业企业发展脱节的知识、能力教育教学环节进行更新完善，使知识体系等教学资源满足行业发展要求。行业企业变被动接纳到主动参与教育培养，更有目的性、针对性和时效性，切实发挥行业企业应有的作用。

4.2 结合虚拟仿真平台，改革工程教育信息化方法

利用现有在建的虚拟仿真实验教学平台，结合开发的在线开放课程，采取“远程虚拟仿真和虚实结合仿真”两种教学方式相结合，解决了印染加工实际生产过程的连续式、高成本、不可逆以及传统实践实训环境中不能实际动手操作的难题，避免了实训设备对操作条件的限制，弥补了高成本、大型综合实践现实设备的缺失与不足，为学生提供了安全、绿色的实践训练平台，实现了教师与学生网络互动以及学生学习可视化、教师考评标准化、高效化。

5 结语

随着互联网技术的不断发展，针对新工科领域，西安工程大学轻化工程专业通过建设一批优质在线课程、探索工程实践教学中虚拟仿真等信息技术的深度应用，获得了优质教学资源共享、学生自主学习和交流、学习行为分析和教学持续改进的效果，顺应未来高校教育信息化发展的趋势，对提高工程教育效率和教学效果，培养学生数字化思维、提升信息技术应用能力有着重要的作用。