基于智能仿真工廠的材料類專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)模式探索

喬　寧，　劉驥翔，　石淑先，　蘇海佳，　張玉良

(北京化工大學(xué)，a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.教務(wù)處，北京 100029)

0　引　言

對于工科院校的學(xué)生而言，生產(chǎn)實習(xí)是大學(xué)階段主要能進入企業(yè)生產(chǎn)一線，近距離觀摩學(xué)習(xí)生產(chǎn)過程的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是鍛煉學(xué)生工程能力、創(chuàng)新能力的重要實踐性環(huán)節(jié)。我校材料科學(xué)與工程專業(yè)主要培養(yǎng)具有較寬的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，通曉材料設(shè)計、合成、組成、結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的基本規(guī)律，在金屬材料與表面工程、無機非金屬材料和碳及復(fù)合材料等領(lǐng)域從事科學(xué)技術(shù)研究、生產(chǎn)應(yīng)用研究與經(jīng)營管理的全面發(fā)展型人才。生產(chǎn)實習(xí)作為材料科學(xué)與工程專業(yè)重要的實踐課程，通常安排在第七學(xué)期初進行，此時學(xué)生已學(xué)完全部的專業(yè)基礎(chǔ)課程和大部分專業(yè)課程。因此，生產(chǎn)實習(xí)對于加深學(xué)生對于專業(yè)知識的理解，增強學(xué)生對專業(yè)的感性認識，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力具有重要作用。然而，隨著自動化程度加深，生產(chǎn)裝置不斷大型化和復(fù)雜化，生產(chǎn)企業(yè)，特別是化工企業(yè)接待學(xué)生實習(xí)已經(jīng)淪為了“現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)”，學(xué)生無法真正參與到生產(chǎn)過程，學(xué)習(xí)效果大打折扣[1]。針對這一普遍問題，我校于2012年開始籌建虛擬仿真實驗教學(xué)中心，2015年建設(shè)投用了以丙烯酸甲酯仿真工廠為基礎(chǔ)的“化工產(chǎn)品全生命周期國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。本文以此作為依托平臺，結(jié)合材料科學(xué)與工程的專業(yè)特色，對傳統(tǒng)模式的生產(chǎn)實習(xí)進行改革，構(gòu)建了適應(yīng)當(dāng)前形勢的以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為前提的生產(chǎn)實習(xí)新模式。

1　傳統(tǒng)生產(chǎn)實習(xí)模式存在的問題

材料科學(xué)與工程專業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)通常是組織學(xué)生進入到生產(chǎn)企業(yè)，再由企業(yè)安排分到各個生產(chǎn)班組中跟班進行生產(chǎn)，這種模式曾經(jīng)對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，增加學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握發(fā)揮了重要作用。然而，隨著科技更新，社會進步，生產(chǎn)企業(yè)和高校均發(fā)生了很大的變化，這種傳統(tǒng)生產(chǎn)實習(xí)模式面臨巨大的困難，教學(xué)效果難以實現(xiàn)。

(1) 實習(xí)內(nèi)容縮水為“參觀”[2-4]。一方面化工企業(yè)發(fā)展為以復(fù)雜的設(shè)備和高度密集的聯(lián)合體為基礎(chǔ)，生產(chǎn)從過程控制轉(zhuǎn)向了集散控制系統(tǒng)(DCS)控制。可以說，現(xiàn)代化的化工企業(yè)生產(chǎn)都集中在中央控制室完成，原材料的配送與反應(yīng)、產(chǎn)品的輸送與包裝都是在密閉的裝置中進行的，裝置作業(yè)面正常情況下是無人的；另一方面，大學(xué)的擴招使得材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生人數(shù)不斷增加，傳統(tǒng)生產(chǎn)實習(xí)模式危險性大，占用時間多等弊端使得企業(yè)從生產(chǎn)任務(wù)和安全角度著想，不愿接待學(xué)生實習(xí)，即使接待，往往也只安排參觀性實習(xí)。即使是“參觀實習(xí)”，也只允許學(xué)生在遠處觀看，不能近距離接觸裝置區(qū)，使實習(xí)的深度和廣度大為下降。

(2) 實習(xí)經(jīng)費不足[5]。在市場經(jīng)濟環(huán)境下，企業(yè)注重生產(chǎn)，追求經(jīng)濟效益，實習(xí)費對企業(yè)來說意義不大，但對于高校和學(xué)生來說，實習(xí)費用的不斷上漲已經(jīng)成為了沉重的負擔(dān)。為此很多高校采用了減少實習(xí)時間，改進廠實習(xí)為查閱資料、請專家講座等形式來節(jié)省費用。但是這樣的安排使學(xué)生參觀式的實習(xí)更加停留于表面，無法真正了解企業(yè)生產(chǎn)工藝和關(guān)鍵設(shè)備。

(3) 實習(xí)效果不佳[6-8]。隨著化工和材料的持續(xù)發(fā)展，環(huán)保的要求越來越高，目前企業(yè)的生產(chǎn)過程基本為封閉化操作，因此參觀實習(xí)很難讓學(xué)生目睹整個生產(chǎn)工藝流程，了解生產(chǎn)進程。此外，生產(chǎn)現(xiàn)場噪音巨大，技術(shù)員的講解很難讓每位學(xué)生聽清楚，加大了學(xué)生與生產(chǎn)的距離，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，實習(xí)效果不佳。

上述傳統(tǒng)生產(chǎn)實習(xí)模式現(xiàn)狀和存在的問題是在整個工科院校中普遍存在的，若這些問題長期無法解決，勢必造成學(xué)生所學(xué)理論知識與生產(chǎn)過程中的實際問題脫節(jié)愈發(fā)嚴重。針對這一現(xiàn)狀，很多工科院校先后進行相關(guān)的生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)改革探索，如與國有企業(yè)合作，建立穩(wěn)定的實習(xí)基地；建設(shè)校內(nèi)實訓(xùn)基地等等，均已取得了一定的成效[9-13]。

2　生產(chǎn)實習(xí)新模式的建立

為了培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展趨勢的工程人才，解決學(xué)生在生產(chǎn)實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)中存在的“門難進，手難動”等實際問題，我校建設(shè)了全生命周期校內(nèi)工程實訓(xùn)基地。實訓(xùn)基地于2015年建成投入使用后，材料科學(xué)與工程專業(yè)以此為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和強化教學(xué)效果兩方面入手，構(gòu)建了本專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)的新模式。

2.1　教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

材料科學(xué)與工程專業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)共3周，改革前的教學(xué)內(nèi)容包括“企業(yè)參觀實習(xí)”“科研院所參觀”和“專家講座”幾個主要內(nèi)容。在校內(nèi)實訓(xùn)基地投入使用后，材料科學(xué)與工程專業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)據(jù)此進行了教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，增加了“校內(nèi)仿真工廠”的工藝流程和設(shè)備認知、核心設(shè)備的開停車操作等方面的內(nèi)容。優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容主要包括：

(1) 國有大型化工企業(yè)的參觀實習(xí)。為保證學(xué)生能夠通過實習(xí)了解我國當(dāng)前化學(xué)化工行業(yè)水平，選擇與專業(yè)相關(guān)的大型國有企業(yè)作為定點參觀企業(yè)。自材料科學(xué)與工程專業(yè)成立之后，已經(jīng)先后與北京燕山石油化工有限公司，唐山三友化工有限公司等企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系，成立了實習(xí)教學(xué)基地。

學(xué)生首先進入這些化工企業(yè)參觀實習(xí)，通過企業(yè)技術(shù)人員、帶隊老師的講解和對裝置設(shè)備的現(xiàn)場參觀，認識化工企業(yè)的生產(chǎn)工藝和核心設(shè)備；通過與企業(yè)技術(shù)人員的交流，了解本專業(yè)在生產(chǎn)過程中的地位和作用，結(jié)合專業(yè)課程教學(xué)，實現(xiàn)從理性到感性知識的轉(zhuǎn)化，完成理論與實踐的結(jié)合。

(2) 校內(nèi)實訓(xùn)基地的仿真實習(xí)。校內(nèi)實訓(xùn)基地以多用途半實物仿真工廠為依托，采用典型的“丙烯酸甲酯合成與精制”化工流程，包括丙烯酸和甲醇的酯化反應(yīng)、丙烯酸的分離回收、甲醇的分離回收、以及丙烯酸甲酯的分離和精制等工藝過程。整體可分成10個框架，每個框架中含有一個主體設(shè)備(反應(yīng)器1座、塔7座、薄膜蒸發(fā)器1座、產(chǎn)品罐1座)及與之相匹配的附屬設(shè)備(換熱器、機泵等)。設(shè)備的外觀、功能、安裝方式等與真實的生產(chǎn)設(shè)備一致。在真實的反映了工廠實際操作流程基礎(chǔ)上，無實際物料運行，學(xué)生可以進行多次、反復(fù)的觀看和接觸，了解和掌握化工生產(chǎn)的工藝流程；能觀察設(shè)備的運行方式，以及相互之間的連接方式；能夠從直觀上對各種設(shè)備的工作機理、作用進行判斷，進而使學(xué)生能夠深度參與到生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。此外，仿真工廠利用真實工業(yè)DCS系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)，保證了學(xué)生可以在電腦上模擬控制生產(chǎn)的進程，包括開、停車操作和故障排除等，能夠全面培養(yǎng)學(xué)生的工程實施能力和生產(chǎn)操作能力。

更為重要的是，仿真工廠包含了各類典型的化工單元設(shè)備，如反應(yīng)器、精餾塔、冷卻器、換熱器、輸送泵等，與真實工業(yè)化生產(chǎn)工藝裝置和設(shè)備僅僅是比例上的縮小。學(xué)生可以進入裝置區(qū)根據(jù)工藝流程圖去“走流程，摸設(shè)備”，真正意義上去認識生產(chǎn)過程中的“三傳一反”，即流體的動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，以及生產(chǎn)過程的化學(xué)反應(yīng)。還可以利用仿真系統(tǒng)進行反應(yīng)過程、分離過程的實訓(xùn)，進行典型單元的基本技能操作訓(xùn)練，熟悉化工工藝操作過程和儀表設(shè)備的維護使用，熟悉開停車過程和進行一般事故的處理，這是現(xiàn)場參觀實習(xí)方式所不能實現(xiàn)的。

(3) 科研院所參觀與專家講座。在經(jīng)過了真實化工企業(yè)參觀+校內(nèi)實訓(xùn)基地實習(xí)之后，學(xué)生對國內(nèi)化工企業(yè)的生產(chǎn)工藝和發(fā)展現(xiàn)狀有了充分的認識和了解。以此為基礎(chǔ)，安排學(xué)生進入本專業(yè)相關(guān)的科研院所進行學(xué)習(xí)，聘請本領(lǐng)域?qū)＜覟閷W(xué)生舉辦講座。科研院所參觀和專家講座兩項內(nèi)容，可以幫助學(xué)生了解專業(yè)領(lǐng)域的最頂端科技水平，明確專業(yè)發(fā)展方向及趨勢，對于學(xué)生充分認識自身專業(yè)特點和確定未來方向具有重要的作用。

2.2　教學(xué)效果的強化

生產(chǎn)實習(xí)作為重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，必須與各個方向的專業(yè)理論知識相結(jié)合，才能加深學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的理解，更好地掌握專業(yè)課知識，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，強化實踐教學(xué)效果?；诖耍饘俨牧虾蜔o機非金屬材料兩個方向的材料科學(xué)與工程專業(yè)基于校內(nèi)實訓(xùn)基地的丙烯酸甲酯”仿真工廠，構(gòu)建了涵蓋方向特色的生產(chǎn)實習(xí)模式。

(1) 工藝流程的學(xué)習(xí)。兩個方向均應(yīng)在生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)中對生產(chǎn)工藝流程進行學(xué)習(xí)，但掌握程度不同。金屬材料方向的研究側(cè)重于設(shè)備的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境介質(zhì)之間存在的腐蝕問題和防護措施。無機非金屬材料方向的研究則側(cè)重于產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝路線。金屬方向僅要求了解丙烯酸甲酯制備的酯化反應(yīng)，主體設(shè)備內(nèi)的物料流向，未反應(yīng)原料的回收路徑等基本內(nèi)容。而無機非金屬方向則以工藝流程作為重點內(nèi)容，結(jié)合“化工原理”“物理化學(xué)”等課程，配合“三傳一反”內(nèi)容，掌握從原料到成品的各階段變化。

(2) 關(guān)鍵設(shè)備的學(xué)習(xí)。金屬材料方向以生產(chǎn)設(shè)備為重點，生產(chǎn)實習(xí)指導(dǎo)教師可著重介紹反應(yīng)釜、精餾塔、離心泵、換熱器等設(shè)備所用材質(zhì)和設(shè)計結(jié)構(gòu)特點，進而確定其涉及的腐蝕問題和耐蝕措施。如離心泵產(chǎn)生“氣蝕”的原因和解決措施，換熱器的管程、殼程物料的選擇，精餾塔塔板材質(zhì)及可能的酸腐蝕等內(nèi)容。結(jié)合金屬腐蝕與防護學(xué)、金屬學(xué)、材料合成制備與加工等專業(yè)課程，邊講解邊讓學(xué)生在仿真工廠中對應(yīng)相應(yīng)的設(shè)備及管路進行學(xué)習(xí)。無機非金屬材料方向則可僅要求學(xué)生認識各種典型化工設(shè)備，了解其在生產(chǎn)中的作用。

(3) 設(shè)備開、停車操作的學(xué)習(xí)。這是實訓(xùn)基地仿真實習(xí)中最重要的動手機會，是學(xué)生在熟悉工藝流程和主體設(shè)備基礎(chǔ)上，利用模擬實際生產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)的仿真機，完成準備、進料、加熱、反應(yīng)、循環(huán)、回收等工序，最終實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的實際操作訓(xùn)練。金屬和無機非金屬兩個方向均要求掌握主體設(shè)備的開車和停車操作，可將學(xué)生按小組(4～6人)分工為控制室內(nèi)操作和控制室外操作，其中室內(nèi)操作負責(zé)DCS控制系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的操作，室外操作負責(zé)裝置閥門的操作，互相配合按步驟熟練完成開、停車操作。

經(jīng)過上述三方面的學(xué)習(xí)后，學(xué)生能對專業(yè)課程與生產(chǎn)實際的聯(lián)系有更深層次的認識和提高，同時也對工科學(xué)生了解現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)操作具有重要作用。

2.3　新模式生產(chǎn)實習(xí)的教學(xué)效果

自2015年校內(nèi)實訓(xùn)基地投入使用后，材料科學(xué)與工程專業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)隨之進行了改革，教學(xué)內(nèi)容增加了“校內(nèi)仿真實習(xí)”，帶隊教師先后參加了培訓(xùn)，掌握了仿真工廠的生產(chǎn)工藝流程及主體設(shè)備仿真系統(tǒng)開、停車規(guī)范。在學(xué)校和學(xué)院的大力支持下，經(jīng)過近2年的摸索研究，形成了完善的生產(chǎn)實習(xí)新模式。取得了明顯的教學(xué)成效。

(1) 確保了生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。根據(jù)近2屆進行了校內(nèi)實訓(xùn)基地仿真實習(xí)的學(xué)生問卷調(diào)查，有90%以上的學(xué)生認為這種生產(chǎn)企業(yè)參觀+仿真實習(xí)對于理解專業(yè)知識、熟悉生產(chǎn)工藝、掌握設(shè)備結(jié)構(gòu)具有重要的作用和意義。在仿真實習(xí)中學(xué)生的積極性和能動性均較以前有了顯著的提高，能夠主動完成實習(xí)任務(wù)，發(fā)現(xiàn)和解決相關(guān)問題。

(2) 根據(jù)優(yōu)化后的實習(xí)內(nèi)容撰寫了新的生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)大綱，并與北京燕山石油化工有限公司合作編寫了生產(chǎn)實習(xí)指導(dǎo)書[14]。

(3) 通過參加培訓(xùn)，指導(dǎo)學(xué)生進行仿真實習(xí)等鍛煉，建設(shè)了一支適應(yīng)工程人才培養(yǎng)要求的教師隊伍。

3　結(jié)　語

隨著科技生產(chǎn)力的不斷進步，生產(chǎn)實習(xí)作為高校重要的實踐環(huán)節(jié)面臨了諸多問題，因此改革傳統(tǒng)生產(chǎn)實習(xí)模式已勢在必行。材料科學(xué)與工程專業(yè)以校內(nèi)“丙烯酸甲酯”仿真工廠為依托平臺，采用“企業(yè)參觀+校內(nèi)實訓(xùn)”為核心，結(jié)合專業(yè)特色，強化實習(xí)效果為關(guān)鍵所建立的生產(chǎn)實習(xí)新模式，經(jīng)過近2年的摸索與實踐，正在逐步付諸實施并初見成效，這對于培養(yǎng)具備材料專業(yè)理論知識和實踐技能的復(fù)合型人才具有重要意義。

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