纯净水制备及灌装生产线的工程教育

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【摘要】根据“卓越工程师教育培养计划”对培养学生工程实践能力的要求，为构造提高大学生的创新创业能力的培育体系，综合考虑各学科专业需求，湖南大学建设了纯净水制备及灌装生产线实训系统。该实训系统参照实际工业生产线建设，并按照教学需求进行调整。根据机械、化工、电气、软件等不同专业，系统开设单元训练模块和综合实训模块。综合实训模块采用产品导向的主动教学理念，以学生为主体，以产品开发的流程为依据，强调学生的工程实践、设计开发、工程管理和创新能力的培养。

关键词工程教育；生产线；项目制教学；车间化教学环境

“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目[1][2]。“卓越计划”重在激发学生对实践探索的潜能和兴趣，增强学生的工程意识，提升工程设计、管理、实践和创新能力，为国家的工业化发展培养造就一批工程实践能力和创新能力强的高质量人才[3]。工程训练是高等学校人才培养计划中一个重要的实践教学环节，也是学生了解社会、接触生产实际，培养学生独立工作能力，获得本学科或本专业初步的生产技术和管理知识的一个非常重要的实践教学过程[4][5]。传统的工程训练通常以金工实习为主，为培养卓越工程师提供硬件支撑，考虑到现实和未来发展的需求，湖南大学现代工程训练中心建设了纯净水制备及灌装生产线综合实训系统。该平台结合实际工业生产线系统和工程训练教学目标进行设计及建设，并对基于该系统工程训练的教学实践模式进行探索。

1教学模式探索

纯净水制备及灌装生产系实训系统涉及机械、材料科学与工程、化学工程与工艺、给排水科学与工程、化学、应用化学、电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、通信工程、软件工程、环境工程、生物技术及生物医学工程等专业知识。平台训练的内容全面，学生受益面广，除了可以按照企业标准进行正常的纯净水生产及灌装外，各专业还可以在通用的实训平台基础上结合本专业特点来拓展实训项目，以满足不同的需求。就如何充分利用该平台实现最大的教学利用方面，我们在教学模块设计、教学方式、教学环境及辅助资料等方面做了如下探索。

1.1模块化的教学内容

教学内容模块化设置符合构建主义学习理论，按照该理论，为有效完成知识的构建，学生须转变为信息和知识的主动构建者，教师须从灌输者变为学生的帮助者和促进者，从而实现生产线教学的参观认知，转变为将生产线相关项目的实践中掌握课堂学习的专业知识点，并实现知识的迁移和能力提高[6]。纯净水制备及灌装生产实训系统采用模块化思想设计教学内容和教学方式，可根据各自专业需要开展单元专业训练模块和综合实训模块。其中单元专业训练模块包括工艺流程设计与安装、滤芯材料的选择与安装、水泵的选型及安装、杀菌器的工艺设计与安装、水质参数的监测、传感器的设计与安装、PLC控制、气动控制、自动检测、步进/伺服电机、变频调速、程序的编译及测试、网络传输等。不同专业的理论课教师都可以进入该实训车间，直接结合专业教师随时讲，学生随时实践操作，使得一些空洞的理论教学有了实实在在的实践对象。综合实训模块是在单元专业训练模块的基础上，实现纯净水的生产及灌装操作。该部分对学生要求较高，除能完成相关的单元训练外还需重点考察整个系统的连续运转、异常故障分析处理、产品链的完整性及产品的合格检测等。实训过程及实际工程生产的过程，在这一过程中，学生需要综合利用化工、软件、控制、生产管理和工程知识，综合分析过程，科学合理判断以解决实际工程问题。这一模块的设置更多考虑学生综合知识能力结构，提升学生的综合能力。目前该生产线实训平台自2016年起，已对湖南大学机械学院、化工学院、电气学院、材料学院、生物学院、环境学院等相关专业开设单元专业训练模块和综合实训模块。

1.2项目化或产品化的教学方式

为满足“卓越计划”对培养学生工程实践和创新能力的要求，实训系统采用项目化[8][9]或产品化[7]的教学方式，引入主动式教学理念，以学生为主体，教师为主导，将学生定义为项目开发工程师，按照教师提出的项目需求，由学生进行项目分析、设计、加工、调试等过程，并实现项目预设目标。通过项目开发过程中一步一步引导学生针对具体的项目问题进行对标分析、方案设计、加工试制，培养学生分析和解决工程实际问题的能力及产品开发设计能力。下面以小型净水器的设计与实现为例，说明如何利用该实训系统培养学生解决复杂工程问题的能力。实施过程：步骤1：教师提出项目的要求和目标。步骤2：学生通过实训系统熟悉了解纯净水生产的设备、工艺、控制系统及常见故障处理方法。步骤3：小型净水器的设计：包括净水工艺、主要装置和传感器等常规部件的筛选，非标准连接件的零部件加工图纸设计，绘制工艺流程图和自动控制电路图。步骤4：小型净水器的加工与装配：按照设计图纸及要求，进行零部件加工、主要装置和传感器的安装及控制程序的编写等。步骤5：成品的调试与测试：控制系统调试，净水性能测试。步骤6：撰写项目结题报告，产品使用说明书，完成答辩。实训项目要求学生通过查询文献和市场产品的信息掌握实际净水产品的工作原理和使用方法，从而按照项目要求系统地设计出健康、安全、稳定的产品。实训课程中学生以项目组的方式展开实训项目研究，项目组包括项目负责人和项目组成员，组员按照各自的优势或兴趣点参与项目实施，分工明确又注重团队协作能力培养。课程要求学生按照实际工程项目方案形式撰写项目报告，具体包括：产品对标分析、产品设计、实施方案、调试/测试报告、产品说明书等。这种项目实训过程实际上就是模拟复杂工程问题的解决流程，学生通过课程训练，不仅了解净水产品的开发流程，加深了专业认知感，更培养了学生的工程基础知识、动手实践能力、团队协作能力。

1.3车间化的教学环境

实训系统的教学环境车间化[10]，即教学环境条件与企业车间环境条件相融合。实训系统按照实际纯净水生产和灌装企业的工艺流程建设生产线，同时依照企业实际生产环境要求对实训室进行车间化装修和配套设施工，设置了材料准备区、控制操作区、生产区、产品检测区等工作区域，设立预处理工段、反渗透工段、杀菌消毒工段、拔盖、外刷、内冲洗、灌装、收标等工段，每个工段按照实际操作需求设置操作工位，参照企业车间标准，所有实训或产管人员需按生产要求穿戴工装。实训系统的管理模式工厂化[11]，即教学管理与企业车间管理模式相融合。实训系统教学组织形式按照企业生产运转模式设立生产部门。指导老师为工厂的总经理，负责工厂的总体运行工作，下设纯净水生产部、纯净水灌装部、水质检测部、桶装水输送部、售后维修部，由学生选取小组长担任各部门主管，各部门按照生产流程设置不同操作工位，如纯净水生产部下设控制柜操作工位、取样送检工位、参数记录工位。学生担任各工位员工，通过岗位模拟和轮换参与到纯净水制备及灌装生产的全过程。学生需熟读生产任务书、作业指导书等工艺文件，准确地填写生产表格，排查生产过程的各种故障。

1.4过程监控为核心的考核方式

对学生学习效果进行科学合理的评价也是课程改革探索的重要环节之一。根据“卓越计划”的培养目标，课程考核以调动学生的积极性和监督学习过程为目的。为了加强对学生学习活动的监控，引导学生和教师把更多精力投入到学与教的活动中，课程考核以过程监控为核心，实施“过程累计+成品或作业评价”的考核方式。其中“过程累积”部分占总成绩的70%，该部分成绩由出勤情况、实施操作能力、团队合作能力、思考和分析问题能力，解决问题能力、过程记录和报告完成等多个方面构成。成品或作业的内容因模块而异，主要内容包括成品展示、成品相关文档资料展示、基本操作知识、实践过程中可能出现的问题等。

2结束语

近2年的教学实践证明了纯净水制备及灌装生产系实训系统的重要硬件支持作用，尤其是在创新创业、实践教学时，该平台是保证教学质量的重要条件，该系统强化了教学体系中的工程实践应用环节，使得学生在金工、电子电工实训过程中所学会的理论、实操知识在现代化生产线中得到应用，为工科类专业的专业课程、课程设计及毕业设计提供相应的训练环节，通过项目化或产品化的实践训练，有效地培养了学生的工程实践能力、创新能力、设计开发能力和工程管理能力。

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作者:杨灵芳 黄智 单位:湖南大学