化工仿真教學(xué)的探索與思考

王兆東

(上海信息技術(shù)學(xué)校，上海 200331)

現(xiàn)代化工技術(shù)快速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)設(shè)備不斷更新，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，生產(chǎn)過(guò)程要求操作人員具備相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能。但化工生產(chǎn)中高溫、高壓、易燃、易爆、有毒、有腐蝕性等不安全因素眾多，并且工藝條件要求十分嚴(yán)格，化工安全生產(chǎn)責(zé)任十分重大，學(xué)生的工廠實(shí)習(xí)只能眼觀不能手動(dòng)，往往是走馬觀花達(dá)不到熟悉生產(chǎn)工藝的目的，而常規(guī)的課堂教學(xué)亦無(wú)法滿足培養(yǎng)操作技能要求。

化工仿真培訓(xùn)軟件可為學(xué)生提供實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)，模擬真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行開(kāi)停車(chē)訓(xùn)練，觀察各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)影響等，讓學(xué)生能深入了解工藝機(jī)理，提高操作技能水平。隨著化工仿真教學(xué)的不斷探索，更多的功能將被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用到教學(xué)中。

1 仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系構(gòu)建

本?；瘜W(xué)工藝專業(yè)針對(duì)行業(yè)需求和學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有的教學(xué)資源，目前已建成化工單元操作仿真、化工產(chǎn)品生產(chǎn)仿真、工業(yè)仿真實(shí)訓(xùn)、3D生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真、丙烯酸甲酯仿真工廠等具有專業(yè)特色的仿真課程。

1.1 化工單元操作仿真

結(jié)合單元操作課程，在新課教學(xué)中加入離心泵和液位控制單元、換熱器單元、精餾塔單元、吸收解吸單元、多效蒸發(fā)單元、反應(yīng)釜固定床和流化床反應(yīng)器單元等與課程緊密相關(guān)的仿真操作課程，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)進(jìn)行動(dòng)手操作，加深理解基本單元操作過(guò)程的步驟和工藝參數(shù)調(diào)控方法，對(duì)于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)起到了很好的補(bǔ)充和促進(jìn)作用。

1.2 化工產(chǎn)品工藝仿真

經(jīng)過(guò)單元過(guò)程仿真操作學(xué)習(xí)，可進(jìn)一步根據(jù)教學(xué)需要將各單元過(guò)程進(jìn)行組合生產(chǎn)特定的化工產(chǎn)品，本課程安排了聚氯乙烯、乙醛氧化制醋酸和均苯四甲酸二酐三種典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程仿真，采用分段工藝將原料預(yù)處理、反應(yīng)過(guò)程和產(chǎn)物后處理分成不同操作單元，便于學(xué)生操作和掌握生產(chǎn)工藝過(guò)程。

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生初步了解化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程原理和設(shè)備，各單元操作綜合應(yīng)用于產(chǎn)品分離和凈化過(guò)程，通過(guò)仿真操作練習(xí)和工藝參數(shù)控制過(guò)程培養(yǎng)起學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的職業(yè)素養(yǎng)。

1.3 化工產(chǎn)品工業(yè)仿真

相較于化工產(chǎn)品工藝仿真，本課程采用企業(yè)用DCS仿真操作軟件，完全模擬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，主要特點(diǎn)是工藝參數(shù)多，參數(shù)相互關(guān)聯(lián)程度大，工藝條件要求嚴(yán)格，需要學(xué)生有較高的專業(yè)理論支撐，并需要學(xué)生具備很好的操作耐心和全局思維，能根據(jù)一處的參數(shù)變化迅速判斷調(diào)節(jié)方法。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將能夠達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)操作員水平，應(yīng)付和解決大部分生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

1.4 生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真

針對(duì)現(xiàn)在工廠實(shí)習(xí)只能看不能做的問(wèn)題，采用3D仿真軟件進(jìn)行工廠參觀實(shí)習(xí)，代替一部分企業(yè)實(shí)習(xí)功能。該軟件以真實(shí)化工廠生產(chǎn)為背景，讓學(xué)生身臨其境體驗(yàn)工廠生產(chǎn)操作過(guò)程，并在操作過(guò)程中設(shè)置了個(gè)人防護(hù)用品、安全生產(chǎn)、產(chǎn)品性質(zhì)、工藝生產(chǎn)操作等知識(shí)點(diǎn)，包含了視頻、動(dòng)畫(huà)、圖片、文字等內(nèi)容豐富的資料，讓學(xué)生能夠全面直觀的認(rèn)識(shí)化工生產(chǎn)的背景知識(shí)，在實(shí)習(xí)參觀過(guò)程中會(huì)有各種思考題出現(xiàn)，答對(duì)才能繼續(xù)進(jìn)行，最后還有仿真在線測(cè)試題，便于考核了解學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

整個(gè)過(guò)程采用角色代入方式，學(xué)生通過(guò)操作人物完成整個(gè)參觀過(guò)程，寓教于樂(lè)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性高，而且老師設(shè)置課程方便，省去了大量的組織、管理時(shí)間，也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)習(xí)過(guò)程中的問(wèn)題。另外，本校還配套一系列3D安全仿真軟件滿足教學(xué)和培訓(xùn)的要求。

1.5 丙烯酸甲酯仿真工廠

學(xué)校引入流程級(jí)化工仿真系統(tǒng)模擬丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝，采用全數(shù)字仿真技術(shù)無(wú)需投料，建立一個(gè)真實(shí)的生產(chǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng)，工藝參數(shù)高真實(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)裝置每個(gè)環(huán)節(jié)操作模擬，學(xué)生可以在真實(shí)的實(shí)體裝置上親自動(dòng)手操作，將DCS系統(tǒng)內(nèi)操和外操相結(jié)合，進(jìn)行正常開(kāi)停車(chē)、正常運(yùn)行和事故處理等操作，真實(shí)再現(xiàn)工廠生產(chǎn)情景，再結(jié)合丙烯酸甲酯仿真軟件，讓學(xué)生在理論和實(shí)操上有綜合全面的提高；本套裝置安全性高、經(jīng)濟(jì)性好、綜合實(shí)訓(xùn)程度高，較好地滿足了學(xué)生實(shí)訓(xùn)要求。

綜上，學(xué)校根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和企業(yè)需求，利用現(xiàn)有條件開(kāi)設(shè)的仿真操作課程，內(nèi)在相互關(guān)聯(lián)，仿真實(shí)訓(xùn)難度層層遞進(jìn)，學(xué)生知識(shí)技能水平逐步提高，外在通過(guò)硬件和軟件的不斷升級(jí)，讓學(xué)生和老師不斷感受教學(xué)信息化和現(xiàn)代化過(guò)程中帶來(lái)的巨大便利和效率。

2 化工仿真實(shí)訓(xùn)課程的一些問(wèn)題

化工仿真實(shí)訓(xùn)是教學(xué)中的重要一環(huán)，將仿真教學(xué)應(yīng)用于化工工藝教學(xué)是有必要的，但在筆者多年教學(xué)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在課程體系結(jié)構(gòu)建設(shè)和課堂教學(xué)方面。

2.1 課程體系結(jié)構(gòu)建設(shè)問(wèn)題

化工仿真技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)需求不斷發(fā)展變化，仿真軟件從簡(jiǎn)單的單元操作仿真到化工產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)工藝流程仿真，再到3D仿真軟件的出現(xiàn)，現(xiàn)在仿真工廠也遍地開(kāi)花，供學(xué)校選擇的課程和項(xiàng)目很多，但學(xué)生課時(shí)有限，在校所學(xué)的知識(shí)有限，如何根據(jù)本校的擁有資源和本地企業(yè)需求情況出發(fā)，從眾多的仿真軟件和課程中選擇最適合本校專業(yè)課程，需要使用學(xué)校有一套明晰的課程建設(shè)思路。

一般學(xué)校通常是在學(xué)習(xí)完專業(yè)基礎(chǔ)課后集中安排仿真實(shí)訓(xùn)課程，這樣安排是否會(huì)因?yàn)殚g隔時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致學(xué)生遺忘前面學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，或是學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)電腦，學(xué)習(xí)的效率能否有保證等問(wèn)題都要考慮；現(xiàn)在仿真軟件正朝著3D虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真工廠方向快速發(fā)展，企業(yè)的設(shè)備發(fā)展和技術(shù)更新也很快，而仿真系統(tǒng)和課程更新周期慢，以前的課程和軟件現(xiàn)在可能會(huì)變得簡(jiǎn)單或是不適應(yīng)企業(yè)需求，為滿足新形式的需要，就要求各學(xué)校要根據(jù)實(shí)際情況不斷地發(fā)展和更新課程；再者仿真軟件能否完全代替企業(yè)實(shí)習(xí)，兩者將以什么形式更有效地結(jié)合提升教學(xué)效果等問(wèn)題，都需要不斷深入探索，制定合理的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 仿真課堂教學(xué)問(wèn)題

在多年仿真教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，從學(xué)生身上發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

第一，學(xué)生機(jī)械地按照操作步驟操作，不思考不分析，有的甚至在做完幾遍后都不知道自己做的什么工藝，為什么要這樣的操作，背離了理實(shí)結(jié)合的初衷；

第二，有些學(xué)生操作隨意性大，不按照正常操作規(guī)程操作，片面追求分?jǐn)?shù)與速度，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和安全意識(shí)不利；

第三，仿真教學(xué)時(shí)間長(zhǎng)，操作相對(duì)單調(diào)枯燥，有些學(xué)生對(duì)難度大一點(diǎn)的仿真操作不能保持良好的心態(tài)，容易產(chǎn)生厭倦或放棄心理；

第四，受現(xiàn)在仿真軟件限制，一些事故、評(píng)分的設(shè)定相對(duì)呆板，經(jīng)過(guò)機(jī)械操作訓(xùn)練都能得到高分，但對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的靈活處理問(wèn)題能力不利；

最后，是對(duì)于學(xué)生的評(píng)價(jià)難以界定，一些學(xué)生只是按照操作步驟做一遍就能得到高分，但是不能判定學(xué)生對(duì)工藝流程的掌握程度。

化工仿真軟件大大方便了教學(xué)，但受技術(shù)限制還有很多待改進(jìn)之處，需要授課老師結(jié)合課堂出現(xiàn)的問(wèn)題探索出更適合本課程的教學(xué)方法，發(fā)揮仿真軟件更大用途。

3 化工仿真教學(xué)改進(jìn)建議

通過(guò)多年仿真教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，認(rèn)識(shí)到仿真教學(xué)課堂需要老師主導(dǎo)設(shè)計(jì)適合課程需要的課堂組織形式和評(píng)價(jià)機(jī)制，想辦法提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

首先，要重視理論知識(shí)教學(xué)，在操作之前掌握必要的化工理論知識(shí)是基礎(chǔ)，提煉與實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，幫助學(xué)生掌握所用工藝的原理、流程、設(shè)備等，以及操作過(guò)程中的重難點(diǎn)，避免操作盲目性和機(jī)械性導(dǎo)致理論與實(shí)訓(xùn)脫節(jié)。在必要時(shí)候需要向?qū)W生演示操作過(guò)程中的重難點(diǎn)，學(xué)生在理解所操作工藝基礎(chǔ)上，在仿真操作中的效率會(huì)大幅度提升，很少會(huì)有畏難和放棄的情況。

其次，要規(guī)范仿真操作步驟，在仿真練習(xí)中有的同學(xué)追求高分與速度，或是軟件設(shè)計(jì)原因，操作過(guò)程與實(shí)際生產(chǎn)要求不符，更有甚者隨意操作，化工安全意識(shí)淡漠形成不好的職業(yè)習(xí)慣，需要老師在學(xué)生操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾正。

第三，探索更有效的課堂組織形式，比如在講解理論的基礎(chǔ)上給出一些相關(guān)的思考題，讓學(xué)生在操作過(guò)程中分析討論、查閱資料等，啟發(fā)聯(lián)系相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；對(duì)學(xué)生進(jìn)行分層次分小組教學(xué)，好學(xué)生在完成教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上探索更多的工藝知識(shí)，或者幫助學(xué)習(xí)吃力的同學(xué)，在幫助過(guò)程中同時(shí)提高了自己的理解程度、責(zé)任感和成就感，同時(shí)防止陷入到無(wú)事可做的境地；

第四，完善學(xué)生評(píng)價(jià)體系，仿真軟件自帶評(píng)分系統(tǒng)，但只反映學(xué)生的操作完成情況，可以在此基礎(chǔ)上增加一些教學(xué)環(huán)節(jié)考察學(xué)生的綜合素質(zhì)，如平時(shí)練習(xí)態(tài)度與表現(xiàn)，撰寫(xiě)仿真實(shí)訓(xùn)報(bào)告，增加考核答辯環(huán)節(jié)等，全面科學(xué)地考核學(xué)生對(duì)專業(yè)能力的掌握、理論知識(shí)的應(yīng)用、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、完成任務(wù)質(zhì)量和自我學(xué)習(xí)能力等。

綜上所述，課堂教學(xué)要以學(xué)生為主體，老師的導(dǎo)向作用也很重要，形成一套合理有效的教學(xué)方法有利于提高仿真教學(xué)課堂效率，比如上面根據(jù)學(xué)生問(wèn)題總結(jié)出的“理論講解-課堂練習(xí)-總結(jié)反思-綜合評(píng)價(jià)”體系能很好適應(yīng)目前的仿真課堂教學(xué)。

4 化工仿真課程發(fā)展思考

現(xiàn)在化工仿真軟件還在不斷開(kāi)發(fā)新功能，目前主要有3D仿真軟件和化工流程級(jí)仿真軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。東方仿真公司開(kāi)發(fā)的3D生產(chǎn)實(shí)習(xí)軟件有很好的動(dòng)畫(huà)效果，能夠給學(xué)生一種情景代入感，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣很高，在操作過(guò)程中用對(duì)話或圖片、視頻等形式加入的理論知識(shí)和考核內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了理實(shí)一體化教學(xué)，應(yīng)用效果很好，本專業(yè)可以根據(jù)現(xiàn)有的安全仿真軟件繼續(xù)開(kāi)發(fā)一些安全培訓(xùn)課程。

北京化工大學(xué)開(kāi)發(fā)的丙烯酸甲酯仿真工廠和東方仿真公司開(kāi)發(fā)的精細(xì)化學(xué)品柔性反應(yīng)裝置結(jié)合了仿真模擬和現(xiàn)場(chǎng)操作兩種功能，可以為學(xué)生開(kāi)設(shè)綜合實(shí)訓(xùn)課程?；な且婚T(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，若沒(méi)有實(shí)踐操作有些內(nèi)容很難理解和掌握，化工仿真軟件尤其是現(xiàn)在更加先進(jìn)的仿真軟件和硬件，在教學(xué)應(yīng)用過(guò)程中讓課程知識(shí)變得更加生動(dòng)和容易理解，綜合提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)與技能，在教學(xué)和培訓(xùn)中將會(huì)發(fā)揮的更加重要的作用。