化工仿真在本科教學(xué)中的探索與實(shí)踐

周 凱，侯國(guó)安，馬少寧

(銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750100)

化工仿真是目前為止很多高校都采用的一項(xiàng)教學(xué)形式，它以計(jì)算機(jī)為媒介，采用組態(tài)軟件進(jìn)行軟件動(dòng)態(tài)組合，目的在于通過(guò)仿真軟件來(lái)模擬工廠上的實(shí)際操作情況，來(lái)進(jìn)行針對(duì)大學(xué)學(xué)生的一個(gè)教學(xué)的目的。仿真軟件以理論知識(shí)和實(shí)際情況為前提，鍛煉學(xué)生動(dòng)手操作和分析問(wèn)題、處理問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真軟件也在不斷更新?lián)Q代，又前期的2D畫(huà)面演變?yōu)?D，甚至是通過(guò)VR技術(shù)來(lái)使得仿真教學(xué)更加的直觀和有趣，讓學(xué)生在興趣中學(xué)習(xí)。

1 化工仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 集散控制系統(tǒng)(DCS)簡(jiǎn)介

集散控制系統(tǒng)(DCS)是20世紀(jì)70年代，由美國(guó)的Honeywell公司推出的一門(mén)技術(shù)，以其集中操作和分散控制的特點(diǎn)被化工行業(yè)所認(rèn)可，隨后進(jìn)行了系統(tǒng)的升級(jí)，目前一共有四代產(chǎn)品，它具備了靈活性的系統(tǒng)構(gòu)成，操作管理簡(jiǎn)便，控制功能豐富，安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在很多化工行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 化工仿真軟件的介紹

化工仿真軟件主要是以相關(guān)的工藝對(duì)象為基礎(chǔ)，采用組態(tài)的形式對(duì)工藝設(shè)備、管道、控制點(diǎn)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合，形成一種符合實(shí)際生產(chǎn)情況的一種組合形式，學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)中的輸入輸出設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的交流，從而通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠上的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的目的[1]。

1.3 化工仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

化工仿真系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)軟件為基礎(chǔ)，對(duì)化工行業(yè)中工藝流程及實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行程序的組態(tài)，以動(dòng)態(tài)的形式展現(xiàn)工廠的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，并且通過(guò)程序的編輯，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)工藝的冷態(tài)開(kāi)車(chē)，正常停車(chē)，緊急停車(chē)及事故處理等操作，這種方法不僅僅可以讓學(xué)生在一定程度上對(duì)化工行業(yè)中的一些典型工藝和相關(guān)操作進(jìn)行零距離接觸，也是讓學(xué)生后續(xù)能走進(jìn)工廠，熟悉工廠的一個(gè)很好的指引作用。

2 化工仿真軟件在大學(xué)教學(xué)中的重要性

當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很多人類(lèi)手動(dòng)沒(méi)辦法完成的工作，特別是在化工行業(yè)，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展更為迅速，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的操作、管理、監(jiān)督、控制，這也是化工行業(yè)以后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，作為一個(gè)應(yīng)用性的大學(xué)，更應(yīng)該作為時(shí)代的領(lǐng)路人跟上時(shí)代的腳步。

2.1 彌補(bǔ)教學(xué)手段不足，加強(qiáng)對(duì)理論教學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用

仿真的培訓(xùn)是以理論為基礎(chǔ)，在學(xué)生掌握基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，才能很好的進(jìn)行仿真的操作，很好的驗(yàn)證了理論和實(shí)踐相結(jié)合的這種教學(xué)方式[2]。當(dāng)然也可以通過(guò)實(shí)踐操作的訓(xùn)練為前提，讓學(xué)生自己動(dòng)手熟悉整個(gè)過(guò)程，最后再進(jìn)行理論深化，讓學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用能力和理解能力都得到提高。這也是迎合了我們教學(xué)的一個(gè)宗旨，培養(yǎng)應(yīng)用型技能型人才。

2.2 彌補(bǔ)了實(shí)訓(xùn)裝置的不足，節(jié)省經(jīng)費(fèi)

仿真教學(xué)它涉及的知識(shí)面很寬，包含有設(shè)備的認(rèn)識(shí)，工藝的認(rèn)識(shí)，控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)以及安全的認(rèn)識(shí)，可以適合化學(xué)工程與工藝、過(guò)程裝備與控制工程等專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它不需要占用更多資源，只需要建立一個(gè)機(jī)房就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)，而且仿真軟件沒(méi)有出現(xiàn)報(bào)廢和破損的現(xiàn)象，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的教學(xué)。在一定程度上既可以豐富教學(xué)環(huán)節(jié)，又可以節(jié)省因購(gòu)買(mǎi)大量實(shí)訓(xùn)裝置所引起的經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題。

3 化工仿真在教學(xué)中的一些實(shí)踐過(guò)程

我院自2008年引入了北京東方仿真軟件有限公司的化工類(lèi)仿真軟件，在教學(xué)中，我們采用了多元化的教學(xué)方式，在相關(guān)的課程中都引入了不同類(lèi)型的仿真項(xiàng)目進(jìn)行理實(shí)結(jié)合，收到了很好的效果。

3.1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)

我們通過(guò)當(dāng)前化工行業(yè)的發(fā)展情況，引入了不同的仿真軟件，開(kāi)設(shè)了不同的實(shí)訓(xùn)仿真課程進(jìn)行集中教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)之后進(jìn)行仿真教學(xué)培訓(xùn)，收到了很好的效果，比如我們開(kāi)設(shè)了《化工總控工》仿真培訓(xùn)，針對(duì)不同的單元操作，在學(xué)生對(duì)工藝、設(shè)備及相關(guān)控制點(diǎn)理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際操作的培訓(xùn)，學(xué)生不僅加深了自己對(duì)知識(shí)的理解，也會(huì)針對(duì)仿真操作中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行處理，鍛煉了他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[3]。我們開(kāi)設(shè)了《化工儀表工》仿真培訓(xùn)，鍛煉了他們獨(dú)立動(dòng)手進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)和自動(dòng)化控制的能力。開(kāi)設(shè)了《化工儀表及控制實(shí)習(xí)》仿真項(xiàng)目，通過(guò)多元化的仿真項(xiàng)目的實(shí)施，讓學(xué)生在對(duì)知識(shí)的理解和操作技能的掌握上都提升了一個(gè)層次。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

除了進(jìn)行集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)外，在相關(guān)的理論課程中，我們也涉及了很多仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，配合理論教學(xué)進(jìn)行，讓學(xué)生在仿真教學(xué)中對(duì)理論知識(shí)的掌握更加完善。比如我們開(kāi)設(shè)了《石油加工工藝學(xué)》這門(mén)課程，在課程中安排了24學(xué)時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，安排了《催化裂化工藝仿真》《常減壓工藝仿真》等仿真項(xiàng)目，讓學(xué)生能夠更好的對(duì)工藝進(jìn)行理解，并且對(duì)操作技能的掌握也有了更深一步的提高。

4 化工仿真在教學(xué)中所存在的一些問(wèn)題

4.1 仿真軟件在教學(xué)中存在的問(wèn)題

仿真教學(xué)中，學(xué)生主要是以軟件的形式進(jìn)行，學(xué)生出現(xiàn)操作不當(dāng)導(dǎo)致的事故和嚴(yán)重警告只是在軟件上有相關(guān)的說(shuō)明，沒(méi)有涉及到出現(xiàn)設(shè)備損壞和嚴(yán)重危險(xiǎn)的警示，所以學(xué)生在操作中，即使出現(xiàn)很?chē)?yán)重的問(wèn)題，也不以為然，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)危險(xiǎn)狀況的意識(shí)比較薄弱。

仿真軟件在視覺(jué)效果上相比較真實(shí)的實(shí)際生產(chǎn)存在很大的問(wèn)題，像最早的2D平面，學(xué)生理解的時(shí)候只是把其看錯(cuò)一個(gè)圖形，而沒(méi)有給它施加它原有的意義，這會(huì)讓學(xué)生在對(duì)整個(gè)設(shè)備、工藝及控制點(diǎn)的理解上不能達(dá)到我們培訓(xùn)的要求。

4.2 仿真軟件自身的缺陷

仿真軟件是由相關(guān)的專(zhuān)業(yè)人員根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，所遵循的原則必須是要符合生產(chǎn)的實(shí)際情況，但是軟件的開(kāi)發(fā)需要各個(gè)專(zhuān)業(yè)的人員進(jìn)行共同完成，在整個(gè)完成和調(diào)試過(guò)程中，總會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，導(dǎo)致一些小的錯(cuò)誤，使得在教學(xué)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)一些理論性和操作性的錯(cuò)誤，讓學(xué)生在操作中必須按照錯(cuò)誤的操作和理解進(jìn)行才能完成符合操作規(guī)范所達(dá)到的結(jié)果。

5 仿真教學(xué)在大學(xué)教學(xué)中所達(dá)到的效果

5.1 以理論促操作，提高學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)

在仿真教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)工藝和設(shè)備以及相關(guān)控制點(diǎn)了解的同時(shí)，按照操作規(guī)程，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)行相關(guān)的操作，在操作中，不僅加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，更好的加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌控，讓學(xué)生將理論知識(shí)和實(shí)際操作進(jìn)行的緊密的結(jié)合[4]。

5.2 以多樣化的培訓(xùn)方式，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力

在仿真教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目化教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。比如，在同一個(gè)項(xiàng)目中，可以設(shè)置緊急停車(chē)處理和正常工況隨機(jī)事故處理，讓學(xué)生對(duì)于面臨的緊急問(wèn)題進(jìn)行隨機(jī)處理，通過(guò)參數(shù)的變動(dòng)來(lái)進(jìn)行判定工藝中那一塊出現(xiàn)了事故，讓后通過(guò)自己的分析，采用相關(guān)的措施來(lái)進(jìn)行問(wèn)題的解決。

5.3 通過(guò)綜合性的培訓(xùn)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)知能力

仿真教學(xué)所包含的知識(shí)面很寬，可以幫助學(xué)生理解基本的工藝，幫助學(xué)生理解相關(guān)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，幫助學(xué)生理解控制參數(shù)的問(wèn)題，但更重要的是要將工藝，設(shè)備及相關(guān)的控制進(jìn)行有機(jī)的整合到一起，這樣才能全面的掌握仿真軟件，才能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的目的。如果只是片面的去根據(jù)仿真的操作評(píng)分來(lái)達(dá)到自己的目的，這樣就違背了仿真教學(xué)的重點(diǎn)。所以在教學(xué)中，應(yīng)該注重設(shè)備、工藝及控制點(diǎn)之間的內(nèi)在關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化工知識(shí)的認(rèn)知能力。

6 仿真軟件在大學(xué)教學(xué)中的發(fā)展趨勢(shì)

6.1 仿真軟件操作界面的更新

化工仿真軟件是以軟件的形式存在，它有它的可擴(kuò)展性，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日益加快，我們的仿真軟件在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也可以進(jìn)行更好的擴(kuò)展和更新，目前為止也逐步的建立起來(lái)由原來(lái)的2D操作變成現(xiàn)在的3D操作，這種操作可以更直觀更好的展現(xiàn)工廠的一個(gè)實(shí)際情況，學(xué)生對(duì)設(shè)備的了解，對(duì)工藝的了解更加直觀，這可以為沒(méi)有進(jìn)入工廠的學(xué)生提供一個(gè)感官的認(rèn)識(shí)，同時(shí)整體的操作界面更加接近現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)，包括設(shè)備、立體管道以及廠區(qū)的布置，完全對(duì)照廠區(qū)，以后學(xué)生在進(jìn)入工廠進(jìn)行工作時(shí)就會(huì)覺(jué)得不陌生[5]。

6.2 仿真軟件形式的多樣化

仿真軟件的多樣化，主要體現(xiàn)在形式的多樣化，不僅僅可以實(shí)現(xiàn)3D操作界面的展示和操作，還可以實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)讓整個(gè)的操作形式更加的直觀和有趣。

當(dāng)然，隨著軟件的進(jìn)一步升級(jí)，現(xiàn)在仿真軟件的發(fā)展越來(lái)越快，除了可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的操作和教學(xué)之外，還可以在我們大家都有的智能手機(jī)上進(jìn)行相關(guān)的操作，這為我們的教學(xué)提供了更大的便捷，我們直接可以購(gòu)買(mǎi)相關(guān)生產(chǎn)公司的賬號(hào)，并將賬號(hào)授權(quán)給學(xué)生，就可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，并且可以將在線練習(xí)的結(jié)果反饋給老師，從而進(jìn)行在線評(píng)分和成績(jī)給定。這樣即方便了教學(xué)，又讓學(xué)生從中感受到了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

7 結(jié)論與展望

當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)發(fā)展日益加快，仿真軟件也在不斷更新?lián)Q代，通過(guò)仿真軟件來(lái)加強(qiáng)教學(xué)已經(jīng)是當(dāng)今大學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要手段，它的存在為教學(xué)過(guò)程提供了很大的便利。通過(guò)仿真軟件在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用，可以讓學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)實(shí)際生產(chǎn)的情況，讓學(xué)生將自己學(xué)習(xí)的理論知識(shí)能夠更好的和實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行相互的聯(lián)系。也是學(xué)生在認(rèn)識(shí)新鮮事物，開(kāi)發(fā)自己思維能力的一個(gè)重要手段。

參考文獻(xiàn)

[1]劉亞豐,蘇 莉,吳元喜,等. 虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)放共享策略探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(12):137-141,145.

[2]王金崗,林 磊.工學(xué)結(jié)合模式下虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].職教論壇,2013(17):26-29.

[3]鄒祝英,彭文武,羅清海,等.仿真教學(xué)在工程教育中的應(yīng)用分析[J].衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2012,33(1):146-149.

[4]孫愛(ài)娟.高職院校推進(jìn)虛擬仿真教學(xué)改革攻略[J].中國(guó)教育信息化,2012(1):61-63.

[5]李 鵬. 仿真教學(xué)在高等職業(yè)教育中應(yīng)用研究[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2008.