關(guān)于化工仿真與實際操作結(jié)合的實訓(xùn)模式研究

胡孝貴　謝素雯　羅六?！￡愃?/p>

摘要：根據(jù)化工專業(yè)的特點，結(jié)合仿真技術(shù)的優(yōu)勢，闡述了在實踐教學(xué)中提出的“實操+仿真+實操”、“仿真+實操+仿真”和“參觀+仿真+實操”等仿真與實操有機結(jié)合的三種模式和成功搭建化工實訓(xùn)平臺的途徑。

關(guān)鍵詞：化工；實際操作；實訓(xùn)模式；仿真

高職教育是我國高等教育體系的重要組成部分，其目的是要培養(yǎng)面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線需要的實踐能力強和職業(yè)素質(zhì)高的高技能人才。為此，在高職教育中實踐教學(xué)顯得尤其重要。如何結(jié)合實際情況建設(shè)實訓(xùn)基地、搭建實訓(xùn)平臺，是擺在專業(yè)建設(shè)面前至關(guān)重要的問題。

化工專業(yè)實訓(xùn)基地建設(shè)面臨的問題

因?qū)I(yè)的特殊性，化工專業(yè)校內(nèi)生產(chǎn)性實訓(xùn)基地的建設(shè)面臨著重重困難，原因主要有：化工生產(chǎn)條件比較苛刻，如需高溫、高壓等；所涉及的物料常是有毒、有害、易燃、易爆的；化工生產(chǎn)裝置比較復(fù)雜，體型較龐大，占場地，且對場地的條件要求較多，建設(shè)費用較高；化工生產(chǎn)中環(huán)保問題較為突出，必須有解決“三廢”的技術(shù)、方法、措施和資金等；化工生產(chǎn)操作中危險性較高，有些化學(xué)反應(yīng)存在著不確定因素，有些生產(chǎn)工藝條件異常苛刻。所以，如何建設(shè)校內(nèi)生產(chǎn)性實訓(xùn)基地這一問題，困擾著眾多化工類院校。

即便建成了一定規(guī)模的化工專業(yè)實訓(xùn)基地，一般也存在著下列問題：同樣型號的設(shè)備不會有多臺，“粥少僧多”，難以滿足大量學(xué)生實踐教學(xué)的需要，以致學(xué)生實訓(xùn)有效時間不足；化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)一般在封閉的不透明的管道中或在塔器中運行，學(xué)生無法觀察介質(zhì)的變化，造成學(xué)生對化工生產(chǎn)過程的原理只能一知半解；教學(xué)時，在復(fù)雜儀器設(shè)備面前教師的示范操作很難讓每個學(xué)生看清，每個學(xué)生的操作又很難讓教師顧及，教學(xué)效果不理想且存在著安全隱患。

另外，學(xué)生到校外化工廠實習(xí)，也存在著一定問題。比如，工廠對生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)——開車、停車操作非常慎重，不會隨意讓學(xué)生介入進行相應(yīng)訓(xùn)練；工廠是以完成生產(chǎn)任務(wù)、獲得效益和保證安全為目的，不會因?qū)W生實習(xí)而調(diào)整生產(chǎn)工藝條件或改變原料產(chǎn)品種類，一般只允許學(xué)生看而不允許學(xué)生動手。這樣，實習(xí)效果會大打折扣。

因此，化工專業(yè)學(xué)生要進行“實操”會碰到一些困難。那么，學(xué)生的職業(yè)技能如何得以訓(xùn)練呢？考慮到化工生產(chǎn)過程越來越連續(xù)化、自動化，計算機控制越來越普及，為此“仿真”訓(xùn)練將是一種非常好的方式。

仿真訓(xùn)練的特點

化工仿真技術(shù)是指以計算機為工具，用實時運行的動態(tài)數(shù)學(xué)模型代替實際設(shè)備、實際工廠，用鍵盤、鼠標(biāo)模仿實際操作，集計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動控制技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、化工專業(yè)技術(shù)于一體的一門技術(shù)，可再現(xiàn)一個化工生產(chǎn)過程，可模擬生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、液位、組成等數(shù)據(jù)的生成或變化，可人為地模擬生產(chǎn)事故或故障，可使學(xué)生得到非常逼真的操作環(huán)境，可安全地糾正學(xué)生的錯誤，提高學(xué)生的安全意識，可針對實際情況引導(dǎo)學(xué)生思考、分析及解決問題等。仿真技術(shù)的發(fā)展為高職實踐教學(xué)提供了廣闊的空間。

仿真訓(xùn)練的主要優(yōu)點有：（1）利用學(xué)生愛玩電腦的特點，在電腦上進行模擬訓(xùn)練，在電腦上實現(xiàn)人機對話，所以，仿真訓(xùn)練具有得天獨厚的優(yōu)勢。而且，人機界面友好、絕對一視同仁，具有較強的親和力和交互功能，能吸引學(xué)生注意力和發(fā)揮學(xué)生主動性，從而有利于提高學(xué)生實習(xí)效果。（2）仿真軟件移植性強、擴展性好，易進行升級和完善。仿真軟件中內(nèi)容可及時更新，能做到與專業(yè)技術(shù)實際發(fā)展同步。（3）仿真軟件中具有工況凍結(jié)、參數(shù)設(shè)定、時標(biāo)設(shè)定、成績評定、趨勢記錄、報警記錄、儲存加載等技術(shù)，這樣，便于教師采取靈活的教學(xué)方法和不同的測評方式訓(xùn)練和考核學(xué)生。這是在實操中難于做到的。（4）仿真軟件中可設(shè)定各種故障、極限運行狀態(tài)等，以鍛煉學(xué)生處理復(fù)雜問題的能力和識別事故、排除事故、解決事故的能力。這也是在實操中難于做到的。（5）利用軟件技術(shù)可反復(fù)進行開車、停車訓(xùn)練，可觀察和解讀生產(chǎn)過程中發(fā)生的一些變化，能強化知識的理解和彌補課堂教學(xué)的不足，能形象生動展現(xiàn)實驗原理、工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)等。若發(fā)現(xiàn)自己對某一操作步驟難于掌握時，可利用軟件的“快門記錄”和“重演記錄”功能，反復(fù)對這一步驟進行練習(xí)，直到掌握為止；而每次操作不必將全過程重做一遍，節(jié)省了時間、提高了效率。這更是在實操中難以做到的。（6）在計算機上進行化工生產(chǎn)虛擬操作安全性強，不會造成人身危害、設(shè)備破壞、環(huán)境污染等，不用擔(dān)心學(xué)生操作失誤所造成的影響；仿真軟件又能真實模仿生產(chǎn)操作，而且還可模擬生產(chǎn)事故進行反面教育。實訓(xùn)項目不受操作難度、危險程度、風(fēng)險系數(shù)、投資費用、成本消耗等影響。（7）可節(jié)省開支，如節(jié)省設(shè)備運行費、物料能量消耗費、學(xué)生下廠經(jīng)費等；運行成本低廉，實訓(xùn)時間易于控制，設(shè)備易于維修，內(nèi)容易于擴充等。

所以，仿真訓(xùn)練對學(xué)生的學(xué)習(xí)很有效，對提高學(xué)生實踐技能和職業(yè)素養(yǎng)很有用，就像飛行員的訓(xùn)練并非總是在空中實練一樣，仿真訓(xùn)練已成為一種國際公認的高效的現(xiàn)代化教學(xué)手段。在已開展的多屆“全國石油和化工院校學(xué)生化工總控工技能大賽”中，其中有一項重要的比賽項目就是“化工仿真操作”。仿真訓(xùn)練已成為化工專業(yè)實踐教學(xué)的極其重要方式。

但是，“仿真”畢竟是仿真，其所起的作用有限，本身也存在著一些局限性：缺乏現(xiàn)場感，無法產(chǎn)生真實的臨境感受；模型精度不高，仿真技術(shù)有待進一步提高；訓(xùn)練時，學(xué)生機械地點擊或敲擊，有“玩游戲”之嫌。仿真操

作不能完全代替實操。

搭建仿真與實操有機結(jié)合的化工實訓(xùn)平臺

從以上分析可知，“實操”很重要但實施有困難，“仿真”有很多優(yōu)勢但存在局限。為此，“實操”與“仿真”有機結(jié)合，這才是方向。下面介紹在化工專業(yè)中如何搭建仿真與實操有機結(jié)合（三段式）的實訓(xùn)平臺。我們的做法是，將化工專業(yè)實踐教學(xué)內(nèi)容（涉及仿真訓(xùn)練的內(nèi)容）劃分成三個模塊，按照每個模塊的情況采用不同的“三段式”實踐教學(xué)模式，有的先實操、然后仿真、再實操，有的先仿真、然后實操、再仿真，有的先參觀、然后仿真、再實操。在仿真中理解，在實操中鞏固，在反復(fù)訓(xùn)練中升華。通過仿真訓(xùn)練與真實操練有機結(jié)合，既充分發(fā)揮了“仿真”的優(yōu)勢，又克服了化工專業(yè)實訓(xùn)基地建設(shè)的困難；通過仿真訓(xùn)練與真實操練有機結(jié)合，既為學(xué)院節(jié)省了辦學(xué)成本，又明顯提升了學(xué)生職業(yè)能力訓(xùn)練的有效性。

化工原理實驗?zāi)K：采用“實操+仿真+實操”三段式這一模塊具體內(nèi)容主要有：流體阻力系數(shù)測定、離心泵特性曲線測定、流量計的認識和校核、傳熱實驗（水—蒸汽）、精餾實驗（乙醇—水）、吸收實驗（氨—水）、干燥實驗、過濾實驗等八個方面。這一模塊實驗設(shè)備較簡單，搬運和安裝也較方便，技術(shù)成熟、裝置成套，為此，我們建有“化工原理實訓(xùn)室”，其設(shè)備先進、裝置齊全。化工原理實驗也是化工專業(yè)最為重要的實踐教學(xué)內(nèi)容，其中包含的實踐技能是化工專業(yè)學(xué)生必須掌握的最基本技能，這一模塊也是其他兩個模塊的基礎(chǔ)。為此，這一模塊的訓(xùn)練非常強調(diào)“實操”，而且有條件讓學(xué)生進行“實操”，所以采用“實操+仿真+實操”三段式訓(xùn)練模式。第一階段的“實操”是指《化工原理》課程開設(shè)時摻入理論課教學(xué)中所做的實驗，是為理解每一個化工單元操作的基本概念、原理等而開展的。第二階段是“仿真”，使用專門的化工單元操作仿真軟件，在電腦上進行訓(xùn)練。仿真訓(xùn)練不受條件、成本、安全等限制，可反復(fù)訓(xùn)練，可重復(fù)訓(xùn)練，能更快地實現(xiàn)由初學(xué)者向熟練者過渡，并且易于實現(xiàn)等級篩選、過關(guān)考核，對合格者才可進行后面的操作。要動手先過仿真關(guān)，使后面的實操更安全、更有效、更快捷。第三階段就是為期兩周的“化工單元操作”實訓(xùn)，是真刀真槍的訓(xùn)練，全面地、系統(tǒng)地掌握化工單元操作技能，為學(xué)生樹立“系統(tǒng)工程”觀念，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、數(shù)據(jù)處理能力和事故突發(fā)應(yīng)急能力等。

化工設(shè)備單元訓(xùn)練模塊：采用“仿真+實操+仿真”三段式這一模塊具體內(nèi)容主要有：離心泵單元、壓縮機單元、液體控制系統(tǒng)、管式加熱爐單元、換熱器單元、間歇反應(yīng)釜單元、固定床反應(yīng)器單元、流化床反應(yīng)器單元等八個方面，總共實訓(xùn)時間為4周。這一模塊以熟悉常見的化工生產(chǎn)設(shè)備為主，要求學(xué)生掌握這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、性能以及使用等；而這些設(shè)備種類多、用途廣，在化工生產(chǎn)裝置中與其他設(shè)備構(gòu)成有機整體，以實現(xiàn)生產(chǎn)目的。我們采取的辦法是“工藝在仿真上練、設(shè)備在實物上看”，以仿真訓(xùn)練為主，以仿真開始、以仿真結(jié)束，中間通過觀看具體實物加以感悟。比如，在實訓(xùn)室擺放的各種各樣離心泵、壓縮機、流量計、換熱器和反應(yīng)器等，以供第二階段“實操”時觀看，起到“眼見為實”的效果。在仿真訓(xùn)練之后，看看其中涉及的一些實物，熟悉“實物”后再回到仿真軟件上“應(yīng)用”。這樣，這一塊就不要過多投入資金，且實訓(xùn)場地也易于建設(shè)。在仿真上練“工藝”，在實物上識“設(shè)備”，懂“工藝”知“設(shè)備”以達到教學(xué)目標(biāo)。通過仿真訓(xùn)練，可強化學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)與探索性學(xué)習(xí)。學(xué)生在仿真過程中可深刻體驗所學(xué)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、作用等，以達到對所學(xué)設(shè)備的駕馭和掌握，達到對常見化工設(shè)備胸有成竹的熟悉程度和舉一反三的作用，以提升學(xué)生以后學(xué)習(xí)和就業(yè)的自信度。這種自我信念和技能，能夠形成強大的沖擊波，促進與推動學(xué)生在專業(yè)技能方面的提高。

大型化工流程訓(xùn)練模塊：采用“參觀+仿真+實操”三段式這一模塊屬于專業(yè)綜合性實習(xí)，難度大、要求高，時間為8周。針對這一部分，除少數(shù)學(xué)校在校內(nèi)建有大型化工生產(chǎn)訓(xùn)練裝置外，多數(shù)學(xué)校只能充分發(fā)揮校外實習(xí)基地的作用和校內(nèi)仿真的功能。首先從下廠參觀開始，從感性認識起步，之后再仿真和實操。通過認知鍛煉，減少知識與技能向?qū)W生傳遞的阻力，啟動學(xué)生的心智，打開學(xué)生學(xué)習(xí)之門。通過下廠認識實習(xí)，可以了解各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、空間幾何形狀，了解工藝過程組成、控制系統(tǒng)組成，了解管道走向、閥門位置，了解化工生產(chǎn)一些專業(yè)術(shù)語如盤車、連鎖等，使學(xué)生建立一個完整、真實的化工生產(chǎn)過程概念。又因之后要仿真，下廠實習(xí)時學(xué)生會有壓力、會更認真，雖是“走馬觀花”，但要“觀”細“觀”清，做到“有的放矢”。這就是第一階段“參觀”所應(yīng)達到的目的。第二階段仿真的內(nèi)容主要有：30萬噸合成氨工藝仿真、6萬噸乙醛氧化制醋酸工藝仿真、均苯四甲酸二酐工藝仿真和青霉素發(fā)酵工藝仿真等，所以，前期參觀的校外工廠主要是省內(nèi)知名的化肥廠、精細化工廠和制藥廠等。第三階段的“實操”執(zhí)行有一定難度，因為這一部分的實訓(xùn)條件多數(shù)學(xué)校均較缺乏。解決的辦法：一是與前期參觀過的校外工廠協(xié)商，要求允許學(xué)生再次前往以能實打?qū)嵉亍皩嵅佟?，因為他們通過“參觀”和“仿真”兩關(guān)，已具備“實操”的能力和水平。二是在頂崗實習(xí)時進行“實操”。若是能在校內(nèi)建有相應(yīng)的實訓(xùn)裝置，則最為理想。比如，南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自籌資金一千多萬元建設(shè)了自己的化工綜合實訓(xùn)平臺，能夠進行真實產(chǎn)品的生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中包含氧化、水解、吸收、結(jié)晶、干燥等多個典型化工單元操作，安全性較高，可供學(xué)生現(xiàn)場實訓(xùn)。又如，常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建有年產(chǎn)1000噸聚酯切片的生產(chǎn)(冷模)實訓(xùn)中心，能同時滿足幾十名學(xué)生現(xiàn)場訓(xùn)練。在校內(nèi)建設(shè)大型化工生產(chǎn)裝置，既能滿足學(xué)生實訓(xùn)，又能生產(chǎn)真正的產(chǎn)品，這正得到越來越多的學(xué)校和有關(guān)企業(yè)的關(guān)注。

通過探索和實踐，我們在化工專業(yè)的實踐教學(xué)中有效地、有機地將“實操”與“仿真”結(jié)合，針對具體情況構(gòu)建了三種“三段式”訓(xùn)練模式，為化工專業(yè)搭建了非常好的實訓(xùn)平臺。我們既重視“仿真”，又強調(diào)“實操”，并處理好“仿真”與“實操”之間的關(guān)系，實施效果明顯。

參考文獻：

[1]徐建中,朱方鳴.構(gòu)建三大平臺培養(yǎng)高技能化工人才[J].中國職業(yè)技術(shù)教育,2007,(23).

[2]陳群.化工仿真操作實訓(xùn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]祝士明.多媒體技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中的運用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育,2008,(10).

作者簡介：

胡孝貴（1970—），男，江西興國人，江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系副主任，副教授，研究方向為化學(xué)應(yīng)用技術(shù)、高職教育。