虚拟仿真在OBE实践教学及创新创业中的作用

姚颂东, 方志刚, 陈 林, 王 南, 全艳玲

(辽宁科技大学 化工学院, 辽宁 鞍山 114051)

OBE(outcomes-based education)教育理念提出始于上世纪80年代到90年代早期,最初用于美国和澳大利亚的基础教育改革,教育核心在于建立“基于学习产出来组织实施和评价教育的结构模式”。教育组织构架的建设和课程管理不再是教学教改的目的,而是实现OBE目标的手段[1-2]。如果将OBE理念贯穿至实践教学多个体系中,将会使高校的实践教学体系构建及学习产出效果提升一个台阶。我校属于应用型转型试点高校,目前正着手开展新工科建设,加强工程教育认证、构建基于OBE教育理念的课程教学体系。我校化工学院作为拥有一级学科博士点和学校唯一的省属双一流建设学科,在化学工程类(化学工程与工艺和能源化学工程)专业的教育改革中,构建了基于OBE教育理念下的化工实践教学体系,已成为学校贯彻“以本为本”、推动4个回归的重中之重。

1 基于OBE教育理念的化工实践教学体系

高校实践教学体系通常包括课程设计、实验(课内实验及实验课程)、实习(认识实习和生产实习)、实训(专项技能实训如计算机技能培训，和专业技能实训如虚拟仿真工厂实训)、毕业设计、大学生竞赛以及大学生创新创业等。将OBE教育理念应用于化工实践教学,需要在以下几个方面进行转变(见图1)。

图1 传统模式与OBE教育模式下的化工类实践教学体系对比图

1.1 实践教学模式的转变

传统的实践教学模式只是传授学生技能,不太考虑实践教学体制本身对学生将来的影响,但在OBE模式下,实践教学体制不仅要满足学科要求,同时还要受到用人单位、工程业界专家、毕业学生等的批判和评价[1-4]。其次,在传统教育模式下,实践教学课程设置是以学科为中心开展的,课程目标更多地让学生修习课程后能系统地掌握本专业所需要的实验知识,但在OBE教育理念下,实践教学不仅要考虑学生在毕业时所要达成的目标,还要以此为基础进行反向构建并选择实践教学内容[1-2]。

1.2 实践教学目标设计要求的转变

在传统教育模式下,实践教学体系课程设置是以学科为中心开展的,课程目标更多地是让学生修习课程后能系统地掌握本专业所需要的实验知识及技能,未能与企业需求紧密连接,但在OBE模式下,实践教学目标的设计不仅要满足社会发展对学科的要求,还要考虑到用人单位真正的需求以及如何在实践教学中让学生获得能在未来成功及终生发展的知识、技能、素质、品质等[1-4]。

1.3 实践教学产出模式的转变

传统的实践教学体系产出的是能满足学校专业课程体系的毕业生。实践教学评价以学生获得多少知识和技能作为评价对象的指标,主要通过教师观察、考核、打分来评价学生。分数的评定只是将学生划分为“优良中差”,而不能对学生的技能提高和能力优劣进行比较[1]。在OBE教育理念下,实践教学不仅要考虑学生在毕业时所要达成的目标,更要以此为基础进行反向构建并选择实践课程体系内容。体系核心在于实践教学要为所有学生获得技能提供帮助,给每位学生提供因材施教的学习机会和充足的学习资源,并让他们在以后的社会实践中获得学习成功[3-4]。

1.4 实践教学反馈机制的构建

传统的实践教学模式是一个开环机制,体制构建者(教务处、教学院长、系主任)只是根据学校定位和学科发展制定培养计划,而学生经过课程体系培训后能否达成最初的培养目标以及能否满足企业需求不得而知,所有的反馈都是依据后期毕业生的问卷调查以及在校学生的学生评教等制度得以实施,并不能真正反映到培养计划的制定和课程体系的执行中[2, 5]。OBE教育理念下的实践教学培养体系最重要的一个环节就是反馈环节,只有对成果产出学习者的知识、技能、品质、能力进行量化并记录,才能真正了解所培养的成果产出的实际效果和质量,同时,要考虑到人才培养目标和培养效果的达成度,即用自己的尺子量自己,才能不断修订培养目标和实践教学课堂体系,最终达成学生和用人单位的满意度以及“办学定位与人才培养目标”和国家地区需求的适宜度[1,3-4]。

2 化工虚拟仿真实践环节在OBE教育理念下的实践教学体系中的作用

自教育部2011年和2013年发布《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》以及《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》之后,虚拟仿真作为实验教学和实习实训教学的延伸,正成为各高校实践教学的重要组成部分,并在OBE教学体系的构建中起着举足轻重的作用[5-9]。与OBE课程体系不同,化工虚拟仿真可以通过虚拟仿真项目建设、虚拟仿真平台建设、虚拟仿真实训基地实习以及举办虚拟仿真大赛环节得以实施,并在学生掌握工程知识、使用现代化工具、了解职业规范、项目管理、学会个人和团队沟通等方面起至关重要的作用。化工虚拟仿真各个环节与OBE毕业要求之间的关联矩阵见图2(仅列出高度相关,标记为H)。

图2 化工虚拟仿真环节与OBE培养要求高度(H)相关性之间的关联矩阵

2.1 项目建设在OBE实践教学体系中的作用

我校化工学院于2017年底获批省虚拟仿真实验中心,并于2018年6月开展化工虚拟仿真项目建设并着手辽宁省和国家级虚拟仿真项目申报,目前获批2018年省级项目并作为辽宁省推荐教育部项目参加2018年国家级虚拟仿真项目评审。项目从选题开始就基于OBE课程体系设计,使得其可最大化为学生提供培养目标中各项能力指标。项目凸显了学生的教学主体地位,拓展了实践教学的深度和广度,提高了实践教学的效率和效果。项目所涉及的操作要点、能力提供及项目级别见表1。

表1 化工虚拟仿真项目及其能力提供

虚拟仿真项目建设基于能源化学工程专业实验——加氢脱硫实验,利用计算机技术模拟真实操作场景,学生通过真实实验设备与虚拟仿真交互来体验“身临其境”的操作感觉,从而使实验预习不受时间与空间的限定(使用现代化工具能力培养)[9]。实验项目本身既可让化工类学生掌握清洁燃油生产技术,从源头上治理雾霾(环境和可持续性发展能力培养),又可通过虚实结合的实验环境,避免高温、高压、高危险及高污染对学员带来的伤害,满足国家洁净能源人才培养战略需求(职业规范培养)。项目通过专业实验和软件模拟,真实再现了“工业加氢催化剂硫化”“加氢脱硫反应性能评价”及“加氢脱硫催化剂动力学测定”等操作过程,能让学生在几小时内掌握 “工业催化剂装填、气密、干燥、润湿及硫化”“固定床反应器开工、运转、评价及停工”及“釜式反应器装釜、充压、气密、置换、密封、等容取样”等过程,对化工与制药类各个专业都有显著的示范作用(工程能力培养)。此外,虚拟仿真项目将教师科研成果融于项目中,实验结果符合拟一级反应数率方程,而学生设定不同操作条件,在不同取样时间下可获得相应数值。虚拟仿真项目使学生能够基于能源化学基本原理,采用科学研究方法对复杂工程问题进行研究,包括设计实验、开展实验、分析数据、诠释数据,并通过信息综合得到合理有效的结论(设计能力、研究能力培养)。

2.2 平台建设在OBE实践教学体系中的作用

我校化工虚拟仿真平台结合专业需求量身打造,充分利用现代网络通信技术、多媒体技术和虚拟现实技术,除了能为学生提供专业工程知识、职业规范、工程与社会能力之外,还对学生的终身学习能力、问题分析能力以及使用现代化工具能力的培养作用显著[5, 10-11]。通过对学生在场景测试、实验操作、考试成绩以及实习报告等方面的综合表现,检查学生对主要工艺的掌握程度。学生通过个人资源中心课程学习及测试,可实现课前预习、课堂互动、线下查询等功能(问题分析能力培养)。平台秉承学生为本、校企合作及资源共建共享原则,除满足本校化工类专业实验教学外,还向兄弟高校、化工企业及社会开放(工程与社会能力培养),通过预约实训中心课时和在线虚拟仿真训练,全方位提供虚实结合的定制化教学服务计划,发挥项目的示范作用和辐射作用,为化学化工类高层次人才培养作出贡献(终身能力培养)。

2.3 仿真实训在OBE实践教学体系中的作用

我校化工学院每年定期组织专业学生走出去,到国家级虚拟仿真实习基地进行生产实习实训。项目实训以班组为单位,采取倒班循环方式,内操和外操进行合作,极大地提升了学生的管理能力、沟通能力、个人与团队能力以及工程与社会能力。每个团队设置班长1名、内操负责1名,在虚拟仿真工厂(常减压蒸馏、催化裂化)模拟冷态开工期间,班长需要理解并掌握工程管理原理,及时对项目开工中所涉及到的工程项目进行决策。内操在模拟DCS操控系统环境下,需了解相应化学工程产品周期、全流程的基本构成,并在开工中提供解决方案,运用工程管理方法进行决策(管理能力培养)。团队每个成员都注意个人和团队之间的相互配合。班长和队员逐渐具备一定的团队协作能力和管理组织能力,能够在团队中承担各自角色。在操作过程中,团队协作意识及团队精神逐渐凝练,能够理解团队中每个角色的意义及责任并发挥作用(个人和团队能力培养)。内外操之间通过对讲机联系,极大地提升了团队成员之间的有效沟通、交流。不同团队之间还能够就复杂流程操作等问题以口头、文字、计算机DCS界面及3D模拟软件操作等方式准确表达自己的观点、回应质疑、了解团队之间的差异性(沟通能力培养)。

2.4 仿真大赛在OBE实践教学体系中的作用

化工学院在构建化工虚拟仿真平台的同时不忘技术推广,举办校级化工虚拟仿真大赛,目前已成功举办了2届。虚拟仿真大赛运行基于“以学生为本”的原则,从策划、统筹、发布、宣传、技术辅导、比赛组织与监控、比赛结果与统计、颁奖等环节全部由学生自己完成,使学生的能力(项目管理能力)得到显著提升。比赛分3D大型仪器分析类、3D化工实训装置类、大型分析仪器拆解类、化工原理类、化工工艺实验类、基础化学实验类、3D化工虚拟仿真工厂类,让不同专业的学生都能掌握相应的工程知识(工程知识培养)。所有的比赛项目均结合学校矿业、冶金、化学、化工、能源、环境类专业实验及实践教学培养方案、化学基础课程及专业课程的教学大纲进行筛选,提供高度仿真的虚拟实验环境和虚拟实验项目,让学生尽早适应未来标准化的工作环境(职业规范能力培养)。通过大赛,每位参赛选手都对虚拟仿真技术有了更深的了解,对OBE教学体系的构建起着举足轻重的作用[5]。

3 化工虚拟仿真实践环节在创新创业教育教学中的应用

应用型高校OBE化工类课程体系的构建是培养学生在毕业后具有能够在真实企业装置上进行操作、获得产品的能力并在未来5～10年后得到技能和管理水平的提升。化工虚拟仿真利用网络教学、多媒体技术营造虚实结合的虚拟实验教学环境,可全面提升学生的创新意识[11-12]。

3.1 化工虚拟仿真在创新意识方面的作用

创新意识包括创造动机、创造兴趣、创造情感和创造意志[4, 12]。首先,创新动机的提升来源于虚拟仿真的自身魅力。化工虚拟仿真技术(项目、平台及仿真实训工厂)能够将所有化工基础理论知识在虚拟现实结合的平台中生动再现。通过虚拟平台软件操作,学生可以了解化工原理课程中的传质传热反应设备及工作原理,学会相应操作。其次,通过化工设备分解和厂区总貌布局,学生可观察厂区结构、内部布局以及蒸馏塔、反应器、换热器的内部结构,迅速掌握化工机械和化工设计课程的核心所在。通过冷态开车、事故处理可以了解装置温度、压力、液位、流量等仪表设备的控制机制并明晰化工仪表课程对于装置运转的重要性。在体验式的学习过程中,通过多学科的融合,可大大提升学生的创造动机。学生在思索中更合理地进行工艺设计、工艺改进,更精准地进行设备控制并将这些创新动机融入竞赛、创新项目及毕业设计等环节中。

虚拟仿真平台项目可以激发学生的创新兴趣、创造情感[12],通过一些复杂的、抽象的、无法直接观察的实验现象和过程的虚拟演示,可以激发学生创造兴趣、提升创造情感[9, 11-12]。学生接触虚拟仿真后,无论是实验模拟、装置操作和生产实训,都表现出极大的创新兴趣。教师通过修改虚拟仿真项目的参数或改变实验条件,完全模拟真实的实验并通过实验进行验证,而学生会对真实实验过程中的每一个环节进行思索并进行虚实实验比对。部分学生将这部分创作兴趣引入到其他创新环节过程中,从而激发更多的创作灵感。而创作情感的延伸也有利于打造学生释放自我、放开思维、探索未知的创造意志[9, 12]。

3.2 化工虚拟仿真在创业能力方面的培养作用

创业是一种综合能力,它包括对市场机会的挖掘能力、管理团队的协调能力、适应管理和承受压力的应变能力、解决问题的专业能力和务实求变的创新能力[9, 11]。化工虚拟仿真在创业能力方面的培养作用体现在学生培养的方方面面，主要包括创业思维训练、创业能力训练和创业实践。学院依托化工虚拟仿真平台,倡导和组织学生参加挑战杯、大学生节能减排大赛、辽宁省化工原理大赛以及全国大学生化工实验大赛。学生在大赛中获奖并提高自己的创业思维和创业兴趣。通过比赛,学生参加课外学习热情高涨,主动联系指导教师进行相关培训和实验室学习,形成课内外虚实结合、实验和实践互补的良好局面。部分大赛优秀作品还被申请获批进行省级及国家级大学生创新创业训练计划项目,也有一些成果在学校大学生创业孵化园进行运营,参与市场竞争,实现学生的创业梦想。化工虚拟仿真在这3个层次的层层递进,可以有效地形成从理论、实验、实践的虚实结合创业类人才培养体系[5,9]。

3.3 化工虚拟仿真在创新创业教育教学中的作用

学校通过深化OBE人才培养模式改革,将创新创业教育教学理念贯穿到人才培养全过程,强化了创新教育课程体系在人才培养中的主体和主导作用,注重教师对学生创新意识和创新能力的培养[12]。通过因材施教、分类教学、自主选课等方式满足学生的个性发展,培养和引导学生独立思考、勇于探索的创新性思维[11-12]。化工虚拟仿真技术作为OBE实践教学体系的一部分,为应用型本科高校“多层次、一体化”创新创业教育教学体系构建提供了深厚的技术保障。

由于平台的开放性,虚拟仿真可以使学生接触和了解更多的生产工艺过程。教师根据创新创业教育需求,可以无阻碍地丰富授课资源,让学生在创新思维的引导下,创造性地进行化工产品工艺技术路线开发和化工工艺过程改进。通过网上互动学习和实验项目操作,可在课堂激发学生创作兴趣。学生创新意识的增强,能使他们通过文献查阅进行原创性的实验设计,自主探索实验方法。虚拟仿真管理平台可以实现资源共享,各学科教师都可以从中汲取营养、完善课程体系,有利于教师激发学生的学习兴趣、提高学生的创新能力,并对教学成效性进行及时反馈。

4 结语

虚拟仿真技术可以构建从创新思维培训、创业能力培养至创业综合模拟等多层次、立体化、开放式的“校内与校外相结合、课内与课外相结合、现实与虚拟相结合”的OBE实践教学体系。坚持以教师为主导、学生为主体,教师组织学生协同合作的虚实结合的创新创业教育模式,可以让学生在课程实验、课程设计、实习实训及毕业设计过程中获得工程知识以及研究、设计、开发、沟通、合作、管理等各项综合素质能力,培养学生具备完善的知识体系和职业技能。通过对学习过程量化,通过企业反馈和不断持续改进培养目标和毕业要求,完善创新创业教育培养模式,最终让学生不再是传统教育模式下的普通本科毕业生,而是一个基于结果产出的、融入创新创业教育理念的成功学习者。