虛擬仿真在化工專業(yè)實踐教學中的應用

邱奎，熊偉

一、化工專業(yè)實踐教學概述

國內(nèi)普通本科院校為數(shù)眾多，在當今嚴酷的就業(yè)壓力下存在激烈的辦學競爭。國家教育部積極引導普通高校應針對行業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展辦學，實現(xiàn)特色化、差異化的錯位發(fā)展，這樣不僅可解決高校辦學困境，也對地方經(jīng)濟和行業(yè)技術發(fā)展起到重要支撐作用[1]。重慶科技學院始終把行業(yè)、地方對人才的需求作為我們辦學優(yōu)先考慮的方向。本文以我?；I(yè)為例，結合虛擬仿真教學闡述應用型本科專業(yè)實踐教學上的一些探索、思考。

（一）實踐教學目的與特征

在各高校化工專業(yè)實踐教學體系建設上，都圍繞培養(yǎng)一種建立在通用化學、化工基本實踐操作技能基礎上，能夠初步熟悉企業(yè)實際生產(chǎn)和作業(yè)方法的能力?；I(yè)實踐教學強調(diào)通過實驗操作明確化學反應原理，化學材料及產(chǎn)品制造，工藝流程原理、操作和控制方法。由于化工實踐環(huán)節(jié)涉及基礎實驗，專業(yè)實驗、化工設計、企業(yè)實習、科技創(chuàng)新等不同類型，故對設備、儀器、材料、環(huán)境等提出各種不同的要求。而這些實踐能力的培養(yǎng)是衡量畢業(yè)生綜合素質(zhì)的一個重要方面，也是用人單位選拔人才非?？粗氐臎Q定性因素之一。

（二）教學現(xiàn)狀與問題

1.教材和教學內(nèi)容相對滯后

當前環(huán)保、安全生產(chǎn)的要求提高，推動化工新工藝、新設備、材料發(fā)展，企業(yè)工藝設備的改進沒有及時在課堂教學中介紹，使得理論教學滯后于實踐認知。

2.辦學條件薄弱，實驗設備數(shù)量和質(zhì)量無法滿足教學需要

很多高校在生源增加情況下，實踐教學設施沒有及時跟上，設備臺套數(shù)少、設備老化、更新率低成為阻礙部分高校提高實踐教學質(zhì)量的障礙。實驗場地不夠，無法容納學生實驗也是突出問題[2]。

3.企業(yè)實習效果不甚理想

化工企業(yè)考慮到生產(chǎn)的危險性和安全管理難度大，越來越不愿意在生產(chǎn)實習中讓學生親自動手操作，這使實習質(zhì)量大打折扣[3]。

4.經(jīng)費不足，實驗開設的類型、數(shù)量受限

近年來化學實驗儀器、藥品價格不斷上漲，而實驗專周、畢業(yè)設計等長周期、大批量使用儀器、藥品的實踐活動，會導致高校實驗教學成本頗高。為維持正常實踐教學，學校不得不調(diào)整一些實驗類型，減少部分實驗科目。

5.社會對畢業(yè)生實踐能力認可度不高

鑒于上述各種原因，學生在校實踐能力培養(yǎng)不足，使企業(yè)感到學生進入崗位后適應期較長，動手和組織管理能力無法滿足生產(chǎn)需要。

二、我校化工虛擬仿真教學的具體做法

作為應用型本科院校，我們認為培養(yǎng)的畢業(yè)生應該是服務于行業(yè)和地方經(jīng)濟的高級技術應用型人才，他們除了有扎實的理論知識，還應具備將專業(yè)知識應用于一定行業(yè)的能力，以解決現(xiàn)實生產(chǎn)中存在的技術問題。這其中實踐技能是體現(xiàn)高級應用型人才內(nèi)涵的一個重要方面。為了在人才培養(yǎng)中強化實踐技能鍛煉，我校化學工程學科非常重視將虛擬仿真技術引入實踐教育中，實現(xiàn)教學中虛實結合，能實不虛，系統(tǒng)性和全面性的工程實踐教育目的。具體實施過程如下。

（一）調(diào)整教學計劃，充實實踐教學內(nèi)容

經(jīng)過研究、調(diào)整，化工專業(yè)學生實踐能力培養(yǎng)形成了如下設計思路：基礎實驗操作訓練→專業(yè)基礎實驗訓練→綜合實踐訓練→企業(yè)實習、畢業(yè)設計。實踐訓練的層次由基礎到專業(yè)，由簡單到復雜，由單一實驗到綜合實訓，實驗類型劃分為驗證型實驗，創(chuàng)新性實驗和綜合性實驗3種，這樣兼顧了基礎知識和專業(yè)知識的傳授，同時由典型的化工單元操作這一基本訓練逐漸過渡到綜合性化工生產(chǎn)操作訓練和現(xiàn)場實習，實踐環(huán)節(jié)的設計遵循了循序漸進原則，讓理論和實際緊密結合，教學和生產(chǎn)相輔相成，知識結構強調(diào)了系統(tǒng)性和現(xiàn)實性。

近年來學校人才培養(yǎng)計劃不斷強調(diào)要增加實踐教學學時，突出應用型本科實踐技能培養(yǎng)。因此我們做了如下探索：例如化工原理課程是我校精品課程，其內(nèi)容也是支撐化工行業(yè)主要工藝操作的核心。近兩年化工原理實驗室陸續(xù)增加了多臺套流體流動、精餾、萃取、吸收、干燥單元操作設備，滿足了多批次學生實踐操作要求。天然氣加工是我校特色專業(yè)課程，過去缺乏配套的專業(yè)實驗課程。而今利用國家財政資金新建了石油、天然氣化工專業(yè)實驗室，新開設了多項專業(yè)實驗，也為科學研究搭建了實驗平臺。

（二）以虛擬仿真教學促進實踐教學效果提升

化工生產(chǎn)流程往往復雜，各種設備繁多、操作控制難度大，學生到企業(yè)實習由于無法動手操作工藝設備，缺乏真實生產(chǎn)感受，理論與實際之間容易脫節(jié)。為了彌補上述缺點，我校近4年內(nèi)先后購買了一批煉油、化工仿真軟件，建立了仿真中心，通過開設實訓專周，讓學生在電腦上操作控制一些典型化工流程如煉油常減壓蒸餾、催化裂化流程。通過仿真訓練，使學生熟悉化工集散控制系統(tǒng)（DCS），了解裝置的開停車操作步驟，常見事故的處理方法[4]。這些訓練由于很接近生產(chǎn)實際，能夠起到真實還原生產(chǎn)場景的作用，讓學生提前了解生產(chǎn)狀況，為今后工作奠定了基礎。

（三）打造仿真生產(chǎn)線，完善實踐能力培養(yǎng)

仿真軟件的使用是一種虛擬仿真教學模式，盡管它能再現(xiàn)很多工藝流程與操作控制，但是畢竟無法操作實物流程與設備。單元仿真設備盡管屬于實物操作設施可滿足部分實訓需要，但是局限于各個單元而不能連為一體形成化工系統(tǒng)?；て髽I(yè)實際生產(chǎn)不僅僅是在控制室里完成生產(chǎn)任務，還需要現(xiàn)場配合操控各種設備。為此，我?；ㄙM500余萬元，以丙烯酸甲酯工藝為藍圖打造了一條實物仿真生產(chǎn)線，完整反映了有機合成工業(yè)各種典型單元操作過程。該仿真裝置由生產(chǎn)區(qū)、工業(yè)控制與監(jiān)控系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)及實訓管理系統(tǒng)等組成，可實現(xiàn)DCS自動控制，現(xiàn)場設備操作，各種工況模擬，故障診斷，三維漫游、虛擬巡檢等。通過實踐訓練，真正讓學生達到認識化工生產(chǎn)，親臨生產(chǎn)氛圍，感受實際操作，解決生產(chǎn)問題，融入團隊集體等效果。這種綜合性虛擬仿真培訓設施可很大程度上替代企業(yè)實習效果，而且可實現(xiàn)開放式教學，多學科專業(yè)共享實踐平臺，開設的實驗課程可根據(jù)專業(yè)差異靈活選擇。這種實踐教學盡管有實物操作和各種工況參數(shù)顯示，但系統(tǒng)中是用水和空氣作為介質(zhì)替代真實生產(chǎn)中的物料，大大節(jié)約實驗成本，環(huán)境廢物排放為零。

（四）構建化工模擬計算中心，解決化工生產(chǎn)、技術問題

虛擬仿真技術不僅用于教學中，也能為化工生產(chǎn)技術服務。我校結合石油天然氣化工研究特色，組建了化工模擬計算中心。利用高性能計算機系統(tǒng)和量子化學軟件、流程模擬軟件等，首先，解決了教學中關于計算機技術在化工領域的應用；其次，作為技術支撐，每年為化工專業(yè)學生參加全國化工設計競賽提供技術支持，如繪制工藝流程，工藝參數(shù)敏感性分析，操作條件優(yōu)化設計等；再則，利用虛擬的模擬仿真技術，進行科學研究，如油田助劑的分子結構設計與優(yōu)化，化工流程的模擬和工況分析，操作條件優(yōu)化計算。

三、成績與問題

通過近幾年持續(xù)在實踐教學方面的探索、改進，尤其是虛擬仿真教學的研究，獲得如下一些效果：

通過實踐教學學時和內(nèi)容的調(diào)整，我們逐年增加了實踐教學學分在人才培養(yǎng)總學分中的比例，由2004級的實踐教學學分50.4增加到2012級的56.5學分，實踐教學學分占總學分比例由26.76%提高到30.21%。虛擬仿真教學資源從4年前僅有的少量煉油、化工單元仿真軟件發(fā)展到目前擁有化工單元操作實驗室、化學計算模擬中心、石油天然氣化工專業(yè)實驗室、仿真生產(chǎn)線等一大批實物和虛擬結合的專業(yè)實驗室，實踐教學資產(chǎn)新增1 200萬元，實驗室設備、軟件增加76臺（套），新開設實驗項目130余項。實驗類型包括基本實驗操作，設備單元操作，軟件仿真實驗，化學計算與流程模擬，實物仿真流程操作，科技創(chuàng)新實驗等。

實踐平臺不僅服務于校內(nèi)石油工程、化學工程與工藝、機械制造、電氣與自動化、安全工程等多個專業(yè)，也可提供給市內(nèi)其他高校和化工企業(yè)作為實踐培訓的基地。虛擬仿真教學由于替代部分現(xiàn)場實習，大大節(jié)約了培訓時間和經(jīng)費投入。

虛擬仿真實踐教學實現(xiàn)了網(wǎng)上開放性實驗，學生既可在實驗室實做實驗，也可通過網(wǎng)上預約在線操作實驗，使教學活動的實施更佳靈活多樣，這使虛擬仿真教學的空間和時間優(yōu)勢盡顯無遺。

虛擬仿真教學支撐了學生素質(zhì)教育，即促進學生參加全國大學生化工設計競賽和科技創(chuàng)新計劃，近四年取得全國三等獎4項，重慶市一、二等獎多項。部分學生利用虛擬仿真技術參與教師科學研究項目，撰寫一批高水平論文。

以虛擬仿真技術為主導的實踐操作技能的培養(yǎng)提高了應用型化工本科人才培養(yǎng)的質(zhì)量，因此，我?；I(yè)畢業(yè)生受到用人單位歡迎，就業(yè)率長期保持在92%以上。

當然，在虛擬仿真教學研究中我們也注意到一些問題：首先我們不能完全依賴虛擬的內(nèi)容進行教學，還是要與實物操作有機結合才能更好促進實踐能力培養(yǎng)；其次，虛擬仿真要實現(xiàn)資源共享才能最大程度發(fā)揮好它的價值。因此我們要進一步加強與信息、計算機、網(wǎng)絡等部門合作，以擴大虛擬仿真內(nèi)容對校園內(nèi)和社會的服務范圍提高開放程度。

[1]馮建超，李文冰.德國應用科技大學與中國行業(yè)特色院校之比較[J].高教發(fā)展與評估，2013（2）.

[2]鄭延成，尹先清，吳洪特.化工專業(yè)畢業(yè)實踐教學問題與對策探討[J].科技信息，2011（5）.

[3]郄世鴻，于鵬.高校生產(chǎn)實習中的問題與對策分析[J].科技信息，2010（5）.

[4]齊虎春.虛擬現(xiàn)實技術在化工仿真系統(tǒng)中的應用研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（8）.