化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心建设与实践

刘骥翔， 张 婷， 魏 杰， 侯 虹， 苏海佳

(北京化工大学 a. 教务处; b. 巴黎居里工程师学院， 北京 100029)

0 引 言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》指出，信息技术对教育发展具有革命性影响，要推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式[1-3]。开展虚拟仿真实验教学中心建设，是开展实验教学改革和高等教育信息化发展的要求，具有重要的现实意义[4-5]。学校立足于行业专业特色，对化工类虚拟仿真实验教学进行了积极探索和深刻变革，2012年成立了“化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心”，并于2015年获批为“国家级虚拟仿真实验教学中心”。将虚拟仿真技术与传统实验教学设备和装置相结合，通过模拟实验环境、实验过程、实验现象、实训场景，获得直观真实的实验效果，有效地实现了实验教学目标[6-8]。

1 意义与效果

化工类专业培养目标对学生的实践能力要求很高，因此实验教学是化工类人才培养的重要环节。我校是以工科为主的具有鲜明行业特色的院校，化工类专业基础雄厚，教育教学资源丰富。学校以人才培养、教育改革和发展需求为导向，积极开展化工类虚拟仿真实验教学中心建设，是对实验教学改革的有效探索，也是提高工程人才培养质量的重要举措，具有十分重要的现实意义[9]。

1.1 有效提高了卓越工程人才培养质量

2010年我国启动“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需求的高质量工程技术人才，为我国走新型工业化道路和建设创新型国家服务。培养卓越工程人才，重点在培养学生的工程能力和实践能力。传统的工程教育脱离工程实际，学生实践学习时间短、内容浅、参与度低，不能融入到工程实践全过程。化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心以真实的丙烯酸甲酯生产工厂为背景，建设了智能仿真工厂。该智能仿真工厂采用与真实工厂相一致的设备、管路、控制系统和管理系统，以虚拟技术模拟物料，学生可以进行与实际工厂相一致的开车、生产、停车、异常工况处理等操作实践，有效培养和挖掘了学生的动手能力和创新能力，提高了学生的实践能力和工程素养。

1.2 充分顺应了化工行业发展趋势

化工行业是国民经济的支柱产业，随着科技的不断进步，化工行业已经逐步向绿色化、可持续化发展转型[10]。当前的化工行业既需要专业基础扎实、实践能力突出的专业人才，更需要对行业发展有深刻理解、善于产品开发、精于运营管理、具有大工程观的卓越工程人才。化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心以真实的化工企业为蓝本，以虚拟仿真信息化技术为支撑，构建面向大化工行业的化工产品全生命周期仿真实训环境，包含化工产品创意、设计、实施、生产、管理、升级改造、企业运营管理及产品退出市场的全生命周期的多环节一体化全过程。培养过程既注重领域知识和技术的完整性，又突出学生综合素质培养的系统性，努力打造适应行业发展、符合企业要求的具有大工程观的卓越工程人才。

1.3 基本满足了化工类专业实习实训要求

在化工企业中开展实习实训面临以下几个困难：① 化工过程中涉及易燃、易爆、有毒及强腐蚀性物料，反应通常是高温、高压环境下进行。出于安全考虑，学生进入企业的实践学习主要以参观为主，缺乏实际操作体验[11]；② 教学内容与实际生产不匹配。化工企业生产周期性较强，生产安排不能随意调整，导致学生进入厂区后学习实践的内容与课程要求往往不一致；③ 经费不足[12]。随着物价提高，学生实习实训的交通、住宿、餐饮、保险费用是很大一笔开支[13]。建设虚拟仿真实验教学中心，通过校企合作，在校内建立仿真工厂，将真实的工厂搬进校园，学生既能够参与真实的生产过程，保证了学习效果，又可以节省资源，有效地解决了学生实习实训的难题[14]。

2 平台与课程

我校立足于与高等教育信息化和实验教学改革，以培养学生大工程观和工程实践能力为目标，在2个国家级实验教学示范中心和12个国家级大学生校外实践教育基地的基础上，深入开展科教结合、校企合作，建设了化工产品全生命周期国家级虚拟仿真实验教学中心(以下简称中心)。中心以化工产品全生命周期为主线，着力建设6个平台，面向全校7个学院22个专业学生；开设专业实践课程、实习实训课程和创新开放课程3个层次的课程体系。

2.1 1条主线

参照化工类企业运行模式，中心以化工产品创意、设计、生产、运营的全生命周期为主线，构建从产品创意、一体化设计、生产运行到运营管理的全方位的工程实践环境(见图1)。以化工产品全生命周期为主线，将真实的企业引入教学课堂，实现了企业与课堂零距离。学生能够深度参与到创意、设计、生产和运营的各个环节，在强化学生理论学习效果的基础上全面地培养学生面向化工产品全生命周期的工程实践能力，进而培养学生的创造力、设计能力、工程实施能力、生产操作能力、沟通能力和商务领导能力。

图1 化工产品全生命周期示意图

2.2 6个平台

依据化工产品全生命周期主线，中心建设了化工安全仿真室，操作、设备实训室，头脑风暴室，设计开发室，智能仿真工厂和运营管理室6个平台，6个平台及开展的实验内容如图2所示。学生进入中心后，首先进行安全实践教学，包括化工企业安全管理规章制度、安全分析方法、应急疏散演练等内容。之后进行基础实训，在操作、设备实训室进行实物拆卸和组装，熟悉设备装配、测试等，为学生进入设备设计和工厂操作环节了解化工厂常见设备、仪表内部机构和工作原理打下基础。化工安全仿真和操作设备实训室2个平台以前期实训为主，是全生命周期实践流程的基础。头脑风暴室以产品创意训练为主；设计开发室主要进行产品设计、快速研发和工程设计；智能仿真工厂是由真实的设备、管路、仪表、控制系统和虚拟物料构成的年产30万吨的丙烯酸甲酯生产工厂，主要进行工艺流程设计、生产控制和故障诊断；运营管理室以市场营销、物流、财务管理为主。6个平台涵盖了化工产品全生命周期的所有环节，为学生提供真实、系统的工程体验。

2.3 三层次、三模块课程体系

中心面向全校学生开放，根据不同年级实践课程教学内容不同，分为专业实践课程、实习实训课程和创新开放课程三个层次。专业实践课程侧重于专业课的实践训练；实习实训课程面向针对认识实习和生产实习开展；创新开放课程以自设题目和竞赛类题目为主。三层次课程体系贯穿本科培养全过程，做到实践教学4年不断线。根据学校的专业设置，实践项目分为化学化工模块，机电信息模块和经济管理模块。化学化工模块实验项目面向化工、材料、应化、生工、制药等专业开放；机电信息模块实验项目面向机械、装备、安全、自动化、信息等专业；经济管理模块实验项目面向会计、物流、国贸、工商等专业。三模块实验项目各有侧重，通过模块之间的实验项目有机关联，满足不同专业的教学要求。

3 特色与创新

3.1 完整、真实的工程体验

教育部指导文件指出，虚拟仿真实验教学中心建设应该充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则[15]。开展虚拟仿真实验教学不是一味的追求虚拟、脱离实体实验，而是要依托虚拟仿真技术，更好地发挥实体实验的教学功能。化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心开发出的“九实一虚智能仿真工厂”(见表1)，包含的设备、仪表、控制、运行等实体和生产使用软件，涵盖了工厂生产运行的全过程，除物料为虚拟外，其余实验环境均为实体或企业实际应用，实现了在工程环境中开展实践教学，给学生以完整、真实的工程体验。

表1 九实一虚仿真工厂

3.2 构建分层次、多模块的实践教学课程体系

中心课程体系内容设置以工程人才培养要求和实践教学目标为根本，依据不同年级和不同专业学生培养需求，实践平台建设与实验项目设置分为三个横向层次和三个纵向模块。为满足学校工程教育本科4年不断线的要求，中心开设专业实践课程、实习实训课程、创新开放型课程，对应专业教学、工程实训和创新创业三个教学层次。从学科大类划分，实验项目分为化学化工，机电信息和经济管理三个模块，不同模块实验项目对于不同专业的要求不同。分层次、多模块的课程体系，满足了实践教学既要有深度又要有广度的要求，有利于培养专业深厚、能力全面的工程人才。

3.3 科教结合、校企合作的建设模式

中心建设依托学校优势学科，将科研成果转化为虚拟仿真实验项目，所有仿真系统均有自主知识产权。科研一线老师参与中心建设，一大批国家重点实验室和省部级重点实验室为中心建设提供支撑，以科研带动实验教学，丰富了实验教学内容。中心与燕山石化、西门子、大连橡胶塑料机械股份有限公司等企业建立了密切的合作关系，共同开发实验项目，研制实验设备，完善实践课程内容，改进教学方法，提升实验教学水平。

4 结 语

化工产品全生命周期国家级虚拟仿真实验教学中心目前已满足全校22个专业的实践教学需求，年均开设实习、实验课程18门，覆盖学生2 500余名，年教学量超过2万人时；约有30余所兄弟院校和企业前来学习交流，接待500余人次中学生及家长来访参观，人才培养的辐射示范作用逐步显现。未来将进一步完善中心建设，促进实践教学内容、教学手段和方法现代化，变革教育理念，创新人才培养，加强国际交流与合作，充分发挥中心建设在学校高等工程教育改革和发展中的支撑作用，将中心建成高水平的“大化工”工程人才培养基地，带动学校高等教育质量的全面提升。

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