基于工程实际的化工类全周期实践教学体系建设
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作者:任新钢 苏海佳 张婷
摘 要：实践教学是理论联系实际的重要环节，是培养学生掌握科学方法与实践技能、造就卓越工程人才的关键步骤。作为一所行业特色院校，北京化工大学主动适应国家和行业发展的战略需求，依托学校办学定位，深度剖析培养什么人、怎样培养人、为谁培养人的根本问题，将真实工程体验和创新思维贯穿于人才培养的全过程，不断推进本科实践教学改革，构建了基于工程实际的化工类全周期实践教学体系，旨在培养具有实践能力、工程能力和创新能力的卓越工程人才，更好地为国家重大战略需求和经济社会发展提供智力支撑。
关键词：大化工;全周期;实践教学体系;真实工程体验
石油和化工行业是我国国民经济的能源原材料产业、基础产业和支柱产业。《2019年中国石油和化学行业经济运行报告》显示，2019年全年行业主营业务收入达12.27万亿元，利润总额6683.7亿元，行业经济运行稳中有进。行业的发展需要充足的人才储备，据2018年行业人才需求调研分析，未来三年技术人才是行业企业人才需求的主体，且高技能人才的需求比例达到31%，而当前石化企业生产人员中高技能人才的比例仅为21.2%[1]，将近10%的人才缺口需要行业院校填补。作为一所行业特色院校，北京化工大学肩负着为化工行业培养高素质、高层次创新人才的使命，深入落实创新、协调、绿色、开放、共享的五大发展理念，致力于为行业发展提供人才支撑和智力保障，助力我国由石油和化学工业大国向石油和化学工业强国的跨越。
实践教学是化工类人才培养的重要环节。但是由于化工类企业与产品生产工艺流程复杂、反应条件严格，以及近年來多起化工厂爆炸事件的发生，化工类专业学生的实践教学存在“脱离现场”“只能观看不能操作”“实践教学离散化”“缺少优化设计和运营管理”等弊端，传统的深入生产一线开展实习实践往往“走马观花”“只见树木不见森林”，学生参与度低，导致刚刚走出校门的毕业生难以适应企业的现实大生产。为了解决人才培养供给侧和产业需求侧“两张皮”问题，北京化工大学始终坚持“将真实世界的体验和创新思维融入人才培养的全过程”，积极开展实践教学改革，构建了基于工程实际的全周期多环境实践教学体系，形成了具有“大化工”特色的实践教学理念，搭建了“三中心、三层次、三融合”的实践教学平台，同时依托平台建设进行了实践教学课程体系的改革与完善，取得了较好的实践效果。
一、形成基于工程实际的全周期实践教学理念
针对实践教学脱离工程实际的问题，以提升学生解决复杂工程问题能力为目标，以培养学生创造思维为导向，将真实的工程体验与创新思维融入实践教学全过程，形成了基于工程实际的全周期实践教学理念。注重实践教学体系的系统性和完整性，基于“大工程观”，深化学科交叉、校企协作和科教融合，搭建“三中心、三层次、三融合”的全周期多环境实践教学平台。与之对应构建四年不断线的螺旋递进式实践教学课程体系与质量评价体系，基础实验课程强化学生的理化实践技能，专业实验课程和实习实训课程注重实际工程案例的引入，大力推进案例式、项目式教学。依托平台的师资优势和硬件优势，新增创新开放类课程，为各类学科竞赛、大学生创新创业训练计划以及科研锻炼提供实验空间与实验资源，着重培养学生的创新意识和团队合作精神。组建具备工程背景的实践教师队伍，在真实的工程环境中引导学生认识工程、体验工程、参与工程，提升实践教学水平和卓越工程人才培养能力。
二、将真实的化工厂引入校园，建立化工产品全周期校内实训基地
针对实践教学多数“只能看不能操作，缺少优化设计和运营管理”的问题，围绕工程教育强调的“知行结合”，充分发挥学校流程行业的特色优势，基于实际企业运行模式，将丙烯酸甲酯真实化工厂引入校园，建成全生命周期校内工程实训基地，通过真实或仿真的环境，开展各种岗位技能和工程素质训练，实现了从构思、设计、制造到运营的全流程工程体验[2]，使学生不出校门即可感受真实化工厂的工程环境和人文环境。
基于虚拟仿真技术的年产30万吨丙烯酸甲酯智能仿真工厂，包含了酯化反应、丙烯酸分离回收、甲醇分离回收和丙烯酸甲酯分离精制等多种典型工艺。除物料虚拟外，反应器、精馏塔、换热器、管路分布均模拟真实工业现场，仪表和阀门还能模拟真实工业现场测量、变送以及故障诊断，学生可深度参与设备调控、工艺优化、生产控制、模拟预警、紧急停车、内外操配合等化工生产全过程。同时，依托现代信息技术，将抽象难懂的反应及工艺制作成简单易懂的动画，学生通过扫描装置二维码，即可实现自主学习。基地自2015年投入使用以来，承接了我校二十余个专业的实习实践活动，年均开设课程22门，涵盖认识实习、生产实习、管路设计、化工安全仿真等，有效缓解了学院及专业实习实训的压力，受到我校上万名师生的热烈响应，90%以上的师生认可这种新的生产实习模式[3]，充分调动了学生参与实践的积极性和主动性。尤其是2020年新冠肺炎疫情期间，依托学校在线教育综合平台，以授课视频和线上仿真相结合的手段开设了“全生命周期校内实训基地导论课”，内容涉及行业发展与人才需求、工艺流程与设备介绍、HSE管理体系介绍等，累计4个学时。本门课程既可以作为工科类学生实习实训的先导课，也可以作为非工科学生认识化工、了解工艺流程的通识课，给因疫情影响无法外出实习的学生带来了“及时雨”，来自化工、材料、机电、信息、生命、经管等学院累计16个专业的880余名学生进行了课程学习，课程访问数将近10 000人次。
此外，该基地也为我校教师进行实践教学改革提供了平台支持。出版实习指导书2本，学校化工学院刘伟老师开设的“丙烯酸甲酯认识实习”课程作为北京市卓越工程师教育联盟实践共享课程对联盟高校学生开放。
依托该基地，将现代信息技术与教育教学深度融合，拓宽智能仿真工厂实验教学的广度与深度，延伸实验教学的时间与空间，“丙烯酸甲酯全流程生产仿真实习”项目获批2018年度国家虚拟仿真实验教学项目，“罐区作业虚拟仿真系统”项目获批2019年北京市虚拟仿真实验教学项目，两个项目均已面向高校和社会开放，疫情期间的实验人数累计500余人次。 三、建立基于工程实际的多环境实践教学平台
针对“实践教学离散化”的问题，以“学科交叉、开放共享、科教融合”为原则，推进高校与科研院所、相关行业企业全流程协同育人，学校搭建了“三中心、三层次、三融合”的多环境实践教学体系，强化学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力。
1.“三中心”基础实验教学平台
以提升实验技能、强化化工单元操作为目标，依托学校大化工专业特色和学科优势，积极开展各级实验中心建设，不断优化课程结构，丰富实验内容，强化教学效果，夯实实践教学基础。逐步建成包括11个校级实验教学中心、7个北京市级实验教学示范中心、2个国家级实验教学示范中心在内的“三中心”校内基础实验教学平台体系，为培养学生基础实验技能和专业实验技能提供保障。各基础实验教学平台不仅承担了既有的教学内容，同时作为各类学科竞赛、大学生创新创业训练计划以及科研锻炼的创新平台，为学生提供实验指导及实验空间。例如化学教学北京市级实验教学示范中心承担的各类化学实验教学任务年均38万人时，且每年指导并承办北京市大学生化学实验竞赛，推进首都高校化学实验教学改革与质量提升。在2019年北京市大学生化学实验竞赛中，我校代表队获特等奖2项，一等奖7项，总体成绩在首都参赛高校中名列前茅。
2.“三层次”校内实训平台
以提升工程能力、强化工程实践为目标，结合学科特点和卓越工程人才培养要求，坚持基于工程实际的实践教学理念，依托学校的学科优势，利用虚拟仿真技术将科研成果转化为实践教学内容，能实不虚、虚实结合，建成“实物、半实物、仿真”三层次的校内自主实践和创新平台，支撑全校大化工类专业开展认识实习、生产实习和仿真实训。目前已建成3个国家级虚拟仿真实验教学中心、2个北京市示范性校内实践基地、2个校级实训基地。基于科研成果转化，校内建成的生物與制药类实物生产线，可进行3.6吨规模啤酒发酵生产，为学生提供真实的生物加工过程实训。该生产线将实践训练与生活中习以为常的真实物品关联，极大地提升了学生参与实践的兴趣与热情，帮助学生理解并掌握啤酒发酵过程中的糖化、过滤、煮沸、旋沉、发酵及换热等工段及啤酒风味、泡沫性能、色泽等理化指标的控制，激发学生的创新思维与主观能动性，已自主发酵出多种口味的啤酒。
3.“三融合”校内外实践创新平台
“新工科”强调以“需求”为牵引，构建政、产、学、研、创的深度融合模式，是新时代推进人力资源供给侧结构性改革的一项重要要求。学校高度重视资源共享与优势互补，通过整合各方资源，加强校内外、课内外、教学与科研的深度融合，深化协同育人，以创新能力和团队意识培养为目标，构建“三融合”校内外实践平台。
（1）科教融合实践平台。深度推进科教融合，依托学校科研平台，基于科研项目、中试生产和产业转化，接收本科生开展实践教学活动。学校2个国家重点实验室、1个国家工程实验室、1个国家工程中心、1个学科创新仪器测试平台、10个省部级重点实验室、7个外设区域研究院面向本科生全面开放。学生可以深度参与指导教师的项目研究、中试实验、工程设计和产业化过程，通过科研项目训练提高学生工程实践能力。学校倡导科研成果转化为教学内容，鼓励知名教授开设多门研讨性课程，学校鼓励科研成果转化为实验教学装置，多门专业类实验课程均使用我校自主研发的设备。
（2）校企融合实践平台。坚持学校和企业共赢互惠的原则，充分调动企业的积极性，共同制订实践教学计划，组织实践教学实施，将实践教学推进到企业、工厂一线，构建真实的实践教学环境，实现专业到产业的无缝对接。目前学校已与80余家相关企业签订实习协议，共建实践基地。其中建成11个国家级实践教学基地，4个北京市级校外实践教学基地，16个卓越工程师联合培养基地。
（3）第一、二课堂融合实践平台。第一、二课堂深度融合，搭建创新训练和学科竞赛平台，形成大学生科技创新品牌。学校自2006年开始实施“大学生创新创业训练计划”，2007年成为首批进入“国家大学生创新性实验计划”的高校之一。经过十几年的建设，逐步建成了“国家级、北京市级、校级”三级大学生学科竞赛体系。学校每年有5500余人在导师指导下参与各级学科竞赛等活动，超过500名学生获奖。学校建设的学科交叉工程创新实践中心，以“创新+交叉”为主线，可支撑学生创新实践、工程实训、学科竞赛、创业教育与孵化等教育教学活动，既有低年级本科生适用的创新实验室和创客空间，也有高年级本科生适用的竞赛训练平台和工程实训车间，旨在为学生的创新思维培养和工程实践能力提升提供“一条龙”服务。
四、组建工程化、国际化的实践教学教师队伍
学校坚信“教师是教育质量提升的‘源头活水’”[4]。为了提升学校的实践教学质量，组建了以校内教师为核心，教辅团队、企业导师、企业兼职教授、创新实践企业讲师团、创新创业导师、国外知名学者等多元联动互补的实践教学师资队伍，各类教师团队通过共同制订实践课程体系及内容、设计实习实践方案、联合授课以及互通交流等方式，为学生工程实践能力的提升提供了强有力的后盾。同时，利用各类教师团队的优势资源，共建教师工程能力提升实践基地、共建校内外学生实践平台、共建科研合作交流平台等，强化教师队伍的实践教学能力，拓宽科研视野，助力教师全面发展。
经过多年的实践，学校建立的基于工程实际的化工类全周期实践教学体系取得了很好的实施效果。实践证明，只有把真实的工程体验与实践教学相结合，师生的工程实践能力才能发生化学反应，产生质的改变，培养出行业企业迫切需要的人才。在新时期新形势下，以社会需求为导向，在德智体美劳“五育”并举的新征程中，化工类院校的实践教学改革应顺应潮流，结合学校人才培养定位与目标，聚焦“做不上，做不了，做不到”的实践难题，充分发挥“智能+教育”在实践教学中的作用，进一步丰富实践教学的资源与应用模式，将创新、工程、交叉、融合等因素贯穿其中，基于工程实际，构建虚实结合的全周期实践教学体系，提升学生的工程实践能力和解决复杂工程问题能力，从而提升实践教学质量，彻底解决人才培养供给侧与需求侧“两张皮”问题。
参考文献：
[1] 辛晓，陈立波，栾学钢，等. 我国石油和化工行业人才需求调研分析与思考[J]. 化工高等教育，2019（3）：1-5.
[2] 刘骥翔，张婷，魏杰，等. 化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J]. 实验室研究与探索，2018（4）：158-161.
[3] 乔宁，刘骥翔，石淑先，等. 基于智能仿真工厂的材料类专业生产实习模式探索[J]. 实验室研究与探索，2018（2）：242-245.
[4] 李肖婧. 工程体验教育模式研究[D]. 杭州：浙江大学，2019.
[基金项目：教育部人文社会科学专项任务项目（工程科技人才培养研究）（项目编号：16JDGC001），教育部人文社会科学专项任务项目（工程科技人才培养研究）重点项目（项目编号：17JDGC001）]
[责任编辑：余大品]
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