化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

宋建爭(zhēng)+李建軍+張永強(qiáng)

[摘 要] 分析了化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的意義。介紹了燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)內(nèi)容，闡述了化工實(shí)踐教學(xué)應(yīng)融合教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)、科研及技術(shù)服務(wù)等功能于一體的觀點(diǎn)，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的發(fā)展進(jìn)行了思考。

[關(guān)鍵詞] 化工實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);校企合作

[中圖分類號(hào)] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2014）03-0107-03

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日益成熟，使得借助虛擬裝置設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為可能，半實(shí)物、全數(shù)字化動(dòng)態(tài)模型及3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)能將傳統(tǒng)化工裝置的硬件功能軟件化，這給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了深刻的變化[1-3]。根據(jù)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》中提出的“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)踐教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)，重點(diǎn)建設(shè)一批國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國(guó)家大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地、高職實(shí)訓(xùn)基地”精神，燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院在校內(nèi)化工實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)進(jìn)行了必要的改革與探索。

1 化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的必要性

化工實(shí)踐教學(xué)是化工專業(yè)教學(xué)的重要組成部分。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展和廣泛普及的情況下，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展可以滿足化工專業(yè)學(xué)生對(duì)應(yīng)用性實(shí)踐教學(xué)的要求[4-8]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來(lái)的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)需要隨時(shí)生成新的設(shè)備。半實(shí)物、全數(shù)字化動(dòng)態(tài)模型及3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，可以深層次地揭示教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供安全、經(jīng)濟(jì)的離線培訓(xùn)條件。而且，培訓(xùn)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。虛擬仿真實(shí)踐訓(xùn)練通過(guò)模擬工廠開(kāi)車(chē)、停車(chē)、正常運(yùn)行和各種事故現(xiàn)象處理，利用計(jì)算機(jī)真實(shí)地再現(xiàn)生產(chǎn)中的化工單元過(guò)程，使學(xué)生不出校門(mén)就可以操縱與管理生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、液位、組分等數(shù)據(jù)的生成及變化，在非常逼真的操作環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到既能對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有一定的認(rèn)識(shí)，又能親自動(dòng)手進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，更全面、具體和深入地了解不同的生產(chǎn)單元的操作過(guò)程和注意事項(xiàng)，使學(xué)生更深刻理解并能綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決生產(chǎn)操作中各種問(wèn)題的能力。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

燕山大學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，是以燕山大學(xué)省級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為依托建立起來(lái)的。目前已經(jīng)用于仿真實(shí)習(xí)、化工實(shí)訓(xùn)、認(rèn)識(shí)與調(diào)研實(shí)習(xí)、化工原理仿真實(shí)驗(yàn)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生科研立項(xiàng)等教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，并將上述環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)建了由課程教學(xué)演示型、仿真操作型、實(shí)訓(xùn)綜合型、設(shè)計(jì)型、科研創(chuàng)新型5個(gè)層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。

2.1 課程教學(xué)演示型

該類內(nèi)容是使用購(gòu)買(mǎi)的北京東方仿真軟件公司的“化工原理實(shí)驗(yàn)”仿真軟件及多媒體素材庫(kù)，以豐富的資料展示實(shí)際教學(xué)過(guò)程。真實(shí)直觀的仿真界面，不僅極大地吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，而且加深了對(duì)化工相關(guān)專業(yè)課基本原理的掌握。

2.2 仿真操作型

此類內(nèi)容使用了“雙塔精餾實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)”、“乙苯塔精餾實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)”、“聚丙烯聚合工段仿真軟件”、“通用流化床3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件”等仿真系統(tǒng)，學(xué)生根據(jù)化工仿真實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)給出的工藝流程、操作步驟和工藝參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行DCS控制風(fēng)格的仿真模擬，學(xué)生可以在局域網(wǎng)內(nèi)的學(xué)生站練習(xí)模擬工廠開(kāi)車(chē)、停車(chē)、正常運(yùn)行和各種事故現(xiàn)象處理，教師可以通過(guò)與局域網(wǎng)互聯(lián)的教師站實(shí)時(shí)規(guī)定或修改學(xué)生的培訓(xùn)內(nèi)容、組織考試、匯總學(xué)生成績(jī)等，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)學(xué)生無(wú)法親自動(dòng)手操作的不足，真實(shí)地再現(xiàn)化工生產(chǎn)中的化工單元過(guò)程，圖2為聚丙烯聚合工段DCS總貌圖。在“通用流化床3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件”中，引入了3D概念仿真苯胺裝置精餾塔燃燒事故，比較清晰地表現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)路徑和設(shè)備操作細(xì)節(jié)，增加了操作的現(xiàn)場(chǎng)感，更加貼近實(shí)際操作，并對(duì)安全預(yù)案的處理進(jìn)行逼真模擬，使安全培訓(xùn)得到強(qiáng)化，如圖3所示。在虛擬的化工生產(chǎn)環(huán)境中，師生借助計(jì)算機(jī)自然高效的仿真系統(tǒng)中的工藝流程、設(shè)備、分析數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)交互作用、相互影響，使教師和學(xué)生感到自己置身于一種特殊的環(huán)境中而產(chǎn)生了親臨真實(shí)企業(yè)的感受和體驗(yàn)。

2.3 實(shí)訓(xùn)綜合型

該類項(xiàng)目?jī)?nèi)容由化工流動(dòng)過(guò)程綜合實(shí)驗(yàn)裝置、填料塔精餾實(shí)驗(yàn)裝置、化工傳質(zhì)單元實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、化工傳遞過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置、化工生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置等多臺(tái)化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成。這些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目使學(xué)生對(duì)化工過(guò)程基本原理和工程實(shí)踐之間建立緊密聯(lián)系，幫助學(xué)生樹(shù)立工程實(shí)踐概念。例如“化工生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置”，是通過(guò)聯(lián)機(jī)仿真DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行“聚醋酸乙烯酯”的生產(chǎn)操作及各項(xiàng)工藝參數(shù)控制，幫助學(xué)生在掌握“三傳一反”基本原理基礎(chǔ)上，對(duì)聚醋酸乙烯酯生產(chǎn)過(guò)程中的反應(yīng)器、換熱器、精餾塔、氣液分離器、聚合反應(yīng)釜等化工單元有綜合的理解。通過(guò)仿真操作不僅可完成對(duì)化工生產(chǎn)裝置實(shí)際操作的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，而且對(duì)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐技能有很大提升。

2.4 設(shè)計(jì)型

此類項(xiàng)目要求學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，根據(jù)教師指定的設(shè)計(jì)任務(wù)，獨(dú)立完成化工原理課程設(shè)計(jì)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問(wèn)題能力的進(jìn)一步訓(xùn)練。例如在“聚醋酸乙烯酯合成工段工藝”設(shè)計(jì)題目中，學(xué)生可以根據(jù)教師給定的設(shè)計(jì)任務(wù)自由選擇醋酸乙烯酯反應(yīng)器、醋酸乙烯酯精餾塔或聚合反應(yīng)釜等生產(chǎn)單元，確定設(shè)計(jì)方案，在完成設(shè)計(jì)任務(wù)后，可以利用聚醋酸乙烯酯生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.5 科研創(chuàng)新型

該類教學(xué)是針對(duì)學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生或研究生，幫助其提高創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，鼓勵(lì)他們自主創(chuàng)新，提出若干具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，參加國(guó)內(nèi)外創(chuàng)新競(jìng)賽，申請(qǐng)并完成創(chuàng)新項(xiàng)目等。例如學(xué)生在教師指導(dǎo)下，組成創(chuàng)新小組，完成了“基于Aspen plus 軟件的聚醋酸乙烯酯生產(chǎn)工藝優(yōu)化計(jì)算”、“平推流與全混流反應(yīng)器系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)”等項(xiàng)目。

3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)發(fā)展的幾點(diǎn)思考

3.1 加強(qiáng)校企合作，建設(shè)資源共享的化工虛擬仿 真實(shí)驗(yàn)中心

校企合作是現(xiàn)代高等教育實(shí)施技能型人才培養(yǎng)的一種重要途徑和方法。學(xué)校在化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中，和中國(guó)―阿拉伯化肥有限公司以及秦皇島華瀛磷酸有限公司建立了長(zhǎng)期的合作關(guān)系，全方位實(shí)施校企合作，除了采購(gòu)北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司的仿真軟件之外，還通過(guò)校企合作，由教師、企業(yè)工程技術(shù)人員和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)人員聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與之相應(yīng)課程配套的仿真軟件，保障實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)施，并為校企合作開(kāi)展職業(yè)培訓(xùn)奠定資源優(yōu)勢(shì)。積極推進(jìn)與企業(yè)聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室、與企業(yè)聯(lián)合設(shè)置獎(jiǎng)學(xué)金，并把企業(yè)研發(fā)部門(mén)的部分工作職責(zé)“請(qǐng)”進(jìn)學(xué)校，在中心建立企業(yè)研發(fā)分部。實(shí)現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究、工程實(shí)際、社會(huì)應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。

3.2 充分利用學(xué)校優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，提升教學(xué)與培 訓(xùn)水平

現(xiàn)代化工生產(chǎn)特征是生產(chǎn)裝置大型化、生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化和過(guò)程控制自動(dòng)化?；ば袠I(yè)對(duì)操作人員的理論知識(shí)水平、操作技能水平及其綜合素質(zhì)要求越來(lái)越高，利用學(xué)校的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師，對(duì)企業(yè)員工進(jìn)行培訓(xùn)，可以大大提高企業(yè)培訓(xùn)水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化為提高企業(yè)培訓(xùn)水平提供了便利條件。在未來(lái)校企共建方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向是依托于校園網(wǎng)門(mén)戶網(wǎng)站，提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的遠(yuǎn)程共享、遠(yuǎn)程培訓(xùn)與遠(yuǎn)程操作，提高培訓(xùn)水平，拓展實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域。

3.3 通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐 能力培養(yǎng)

采取虛擬工廠情境與實(shí)際工廠生產(chǎn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，使學(xué)生從虛擬“生產(chǎn)事故”和工廠安全生產(chǎn)實(shí)踐中體會(huì)到企業(yè)的工作環(huán)境和生產(chǎn)管理過(guò)程，為充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、靈活運(yùn)用所學(xué)基本理論知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，計(jì)劃采取實(shí)訓(xùn)教師、學(xué)生全程參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)與建設(shè)的方法，讓教師和學(xué)生分別承擔(dān)相應(yīng)員工角色共同進(jìn)行實(shí)訓(xùn)作業(yè)演練，將教師教學(xué)、人才培養(yǎng)和科研開(kāi)發(fā)三者真正有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生的培養(yǎng)方式更加豐富化，培養(yǎng)內(nèi)容更加實(shí)用化。并引進(jìn)企業(yè)高級(jí)工程師或組織實(shí)訓(xùn)教師到對(duì)口企業(yè)培訓(xùn)，在提高教師實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐技能水平和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

在化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)過(guò)程中，將化工實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目、化工原理課程仿真實(shí)驗(yàn)資源、化工仿真實(shí)習(xí)教學(xué)資源與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源整合到一起，構(gòu)建了由課程教學(xué)演示型、仿真操作型、實(shí)訓(xùn)綜合型、設(shè)計(jì)型、科研創(chuàng)新型所組成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)多個(gè)教學(xué)模塊的有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源功能化、結(jié)構(gòu)平臺(tái)開(kāi)放化。未來(lái)將進(jìn)一步補(bǔ)充和完善學(xué)院的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，提升虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次。

參考文獻(xiàn)

[1]許亞嵐，羅雄麟.優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系，培養(yǎng)復(fù)合型人才[J]，實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2013，（32）：175-177

[2]周愛(ài)東，王慶，楊曉紅.仿真技術(shù)應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2007，（24）：84-86

[3]張偉黨，唐國(guó). 虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用[J].廣州化工，2011，（39）：172-173

[4]王艷國(guó).化工單元操作實(shí)訓(xùn)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].教育與職業(yè)，2006，（23）：144-146.

[5]高曉新，馬江權(quán)，徐淑玲. 3D化工仿真在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，（16）：168-169

[6]李士雨.化工仿真實(shí)習(xí)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J]，化工高等教育，2003，（76）：49-52

[7]夏迎春，吳重光，張貝克，等.現(xiàn)代化工仿真訓(xùn)練工廠[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，（22）：370-375

[8]丁志平，許寧.校內(nèi)化工實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的實(shí)踐探索[J].教育與職業(yè)，2006，（30）：22-24.