化工虛擬仿真對現(xiàn)場實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)效果的作用

張海洋+李雪琴+郭瑞麗+張建樹

【摘要】簡述了現(xiàn)場實(shí)習(xí)引入虛擬仿真技術(shù)的必要性、虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)和虛擬仿真教學(xué)的實(shí)施方法，并總結(jié)了虛擬仿真技術(shù)的引入在現(xiàn)場實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)中的作用及效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 現(xiàn)場實(shí)習(xí) 教學(xué)效果

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）10-0189-02

【Abstract】This paper briefly describes the necessity of introducing virtual simulation technology into the field practice， the characteristics of virtual simulation technology and the implementation method of the virtual simulation teaching； the effect of the introduction of virtual simulation technology on the field practice teaching was also summarized in this article.

【Key words】 Virtual simulation； Field practice； The teaching effect

化工虛擬仿真是通過數(shù)學(xué)模型的方法，將集散控制DCS操作與化工生產(chǎn)相結(jié)合，對過程參數(shù)進(jìn)行精確控制與調(diào)節(jié)，建立一個與真實(shí)系統(tǒng)相似的操作控制系統(tǒng)，模擬真實(shí)的生產(chǎn)裝置，再現(xiàn)真實(shí)的生產(chǎn)過程。目前，仿真軟件琳瑯滿目，挑選合適的虛擬仿真軟件與學(xué)生的認(rèn)知實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)相結(jié)合，既可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，學(xué)習(xí)實(shí)踐知識，理論與實(shí)踐相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，解決學(xué)生對實(shí)際應(yīng)用知識的欠缺問題，又能在進(jìn)入工廠實(shí)習(xí)前使學(xué)生首先了解原料、中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)品的生產(chǎn)原理、流程和重要工段的主要問題，節(jié)省了學(xué)生需要在工廠實(shí)習(xí)的時間和學(xué)校在這方面所需花費(fèi)的資金。因此，引入虛擬仿真技術(shù)用于實(shí)踐教學(xué)是增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識、實(shí)際操作技能和提升實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)效果的重要手段。重點(diǎn)結(jié)合我院實(shí)際情況分析虛擬仿真技術(shù)在實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)中的具體應(yīng)用。

一、引入虛擬仿真技術(shù)的必要性

1.化工專業(yè)課程門類多，學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)重，很少有時間被安排到工廠中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用知識的學(xué)習(xí)，盡管在大四上學(xué)期通過認(rèn)知實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)被安排到化工廠中，但由于化工生產(chǎn)具有易燃易爆、高溫高壓、有毒有害等特點(diǎn)，生產(chǎn)過程都是在相對封閉的環(huán)境中進(jìn)行，學(xué)生們不能動手操作，只能是看看設(shè)備、摸摸流程，被動地聽講解員講解一遍，難以深入掌握實(shí)際的知識，短暫的實(shí)習(xí)結(jié)束回到學(xué)校，幾乎沒有理解和記住任何東西，使該十分重要的環(huán)節(jié)成為了過場，造成了理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的脫節(jié)[1]。

2.作為工科，化工專業(yè)培養(yǎng)出來的學(xué)生除了應(yīng)該具有比較扎實(shí)的專業(yè)知識外，還應(yīng)該具有較強(qiáng)的實(shí)踐動手能力，化工虛擬仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)設(shè)備的冷態(tài)開車、正常運(yùn)行、故障處理和正常停車等操作，學(xué)生在進(jìn)入工廠前就能搶先了解化工產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備操作過程，從而帶著問題去有目的進(jìn)行認(rèn)知和生產(chǎn)實(shí)習(xí)。

因此，無論從理論與實(shí)踐相結(jié)合的角度，還是從培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力和分析解決實(shí)際問題的能力的角度，在化工認(rèn)知實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入化工虛擬仿真技術(shù)都是很有必要的。

二、化工虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)

1.化工虛擬仿真技術(shù)首先可以實(shí)現(xiàn)理論知識和實(shí)踐知識的結(jié)合，在理論知識的學(xué)習(xí)過程中，由于無法看到實(shí)物，老師對設(shè)備和單元操作的講解比較抽象，學(xué)生也很難對設(shè)備產(chǎn)生實(shí)際的感官理念，無法真正理解基本的原理并與實(shí)際工 業(yè)生產(chǎn)中的裝置相聯(lián)系。化工虛擬仿真可以將各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式等直觀地顯示在計(jì)算機(jī)上，學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)理論知識對設(shè)備進(jìn)行操作。操作錯誤，系統(tǒng)會做出提示并將錯誤的原因一一列出，指導(dǎo)學(xué)生去進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，直到得到正確的結(jié)果[2]。讓學(xué)生進(jìn)一步理解生產(chǎn)過程的基本原理，使理論知識與實(shí)踐緊密的聯(lián)系起來。

2.化工虛擬仿真技術(shù)具有直觀性和可調(diào)節(jié)性，它能夠模擬真實(shí)的生產(chǎn)設(shè)備，通過冷態(tài)開車、正常運(yùn)行、停車以及出現(xiàn)事故時數(shù)據(jù)的波動，再現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)際動態(tài)特性，使學(xué)生直觀地看到生產(chǎn)過程中涉及的參數(shù)及其變化，形象生動展現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、基本原理和工藝流程等。仿真軟件還可以設(shè)定各種故障、極限運(yùn)行狀態(tài)等，鍛煉學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

3.化工虛擬仿真技術(shù)還具有安全、綠色、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，通過仿真系統(tǒng)模擬實(shí)際生產(chǎn)過程，因不會生產(chǎn)出實(shí)際的化工產(chǎn)品，故不會造成設(shè)備破壞和環(huán)境污染，也不會發(fā)生人身傷亡。另外，通過一次購買軟件可以節(jié)省大量的空間和購買設(shè)備、每次設(shè)備運(yùn)行、購買原料的大量費(fèi)用。因此，采用虛擬仿真軟件是最安全、綠色、經(jīng)濟(jì)的實(shí)習(xí)方法。

4.虛擬仿真技術(shù)也具有不足之處，首先它缺乏真實(shí)性，畢竟只是輔助培訓(xùn)，只是學(xué)生接觸實(shí)際過程的一種手段，其與現(xiàn)場操作靈活性、不可預(yù)見性還有相當(dāng)?shù)木嚯x[3]。這往往需要操作人員憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)迅速反應(yīng)并及時果斷處理。其次是實(shí)踐性差，即使開始選擇的數(shù)據(jù)有很大的偏差，也可以通過后續(xù)的調(diào)整，彌補(bǔ)前一次的過失。而在實(shí)際生產(chǎn)中參數(shù)控制比較嚴(yán)格，如果在實(shí)際生產(chǎn)中控制參數(shù)隨意變化，后續(xù)生產(chǎn)將無法進(jìn)行下去。

三、虛擬仿真教學(xué)的實(shí)施

1.虛擬仿真設(shè)備的接入。我學(xué)院是化學(xué)化工學(xué)院，本科專業(yè)包括化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)與工程、環(huán)境與生物工程等。考慮到距離問題，我院選擇實(shí)習(xí)單位為新疆心連心能源化工有限公司、新疆大全新能源有限公司、石河子污水處理廠等，針對這些單位的產(chǎn)品生產(chǎn)情況，我們從東方仿真軟件技術(shù)有限公司相應(yīng)購買了尿素工藝仿真軟件（煤頭）、多晶硅生產(chǎn)工藝仿真實(shí)訓(xùn)軟件、城市污水處理工藝仿真軟件和企業(yè)運(yùn)營教學(xué)模擬平臺等幾款軟件，同時，學(xué)院配套有 70多臺電腦，每臺都配套了高性能的CPU、顯卡及顯示器。并且對既懂專業(yè)又懂計(jì)算機(jī)的專任教師進(jìn)行培訓(xùn)[4]。

2.生產(chǎn)過程仿真內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在現(xiàn)場實(shí)習(xí)前的兩周內(nèi)，安排學(xué)生進(jìn)入化工仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)中心有目的地進(jìn)行仿真軟件和工藝過程的學(xué)習(xí)，內(nèi)容包括化工生產(chǎn)設(shè)備的冷態(tài)開車、正常運(yùn)行、故障處理和正常停車等操作生產(chǎn)過程中涉及的參數(shù)及其變化，讓學(xué)生熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)、基本原理和工藝流程等[5]；最后，老師通過教師站管理系統(tǒng)自由組卷（思考題和工藝題），向?qū)W生編輯及下發(fā)考題，考察學(xué)生對工藝過程的掌握情況，合格后準(zhǔn)備開始現(xiàn)場實(shí)習(xí)。

3.開展現(xiàn)場實(shí)習(xí)。根據(jù)仿真工藝內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況，分配學(xué)生到相應(yīng)的工廠進(jìn)行有目的的現(xiàn)場實(shí)習(xí)。目前，大多數(shù)化工廠不愿意接收實(shí)習(xí)學(xué)生，一方面是由于化工企業(yè)具有易燃易爆、有毒有害的特點(diǎn)。另一方面是由于工作人員比較緊張，還要抽身顧及實(shí)習(xí)學(xué)生的講解和安全[6]；所以，得到來之不易的機(jī)會，首先就必須要求學(xué)生做好計(jì)劃，實(shí)地驗(yàn)證自己學(xué)習(xí)到的知識，帶著化工仿真中遇到的問題去現(xiàn)場向師傅請教。其次對學(xué)生高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求。到化工企業(yè)實(shí)習(xí)最大的要求是強(qiáng)調(diào)安全性，必須要求學(xué)生嚴(yán)格遵守企業(yè)規(guī)定。

四、結(jié)語

一線生產(chǎn)過程中復(fù)雜化和連續(xù)性程度比較高，現(xiàn)場實(shí)習(xí)使學(xué)生親臨現(xiàn)場掌握全方面知識，這是化工虛擬仿真所不可比擬的；化工虛擬仿真雖只是對生產(chǎn)操作的初步接觸，但其因具有很強(qiáng)的直觀性、安全、綠色和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)而對現(xiàn)場實(shí)習(xí)效果起到極大的提升作用。虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)場實(shí)習(xí)相結(jié)合可以做到理論聯(lián)系應(yīng)用實(shí)踐，鍛煉學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和就業(yè)競爭力，真正培養(yǎng)出優(yōu)質(zhì)的技能人才，為化工企業(yè)注入新鮮血液。

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