煉焦虛擬仿真工廠建設與教學模式探索*

孫 章，謝全安，孫曉然

(華北理工大學化學工程學院，河北 唐山 063210)

我國是焦炭生產(chǎn)大國，現(xiàn)有600多家焦化企業(yè)，每年焦炭產(chǎn)量近5億噸，約占世界產(chǎn)量的70%[1]，龐大的焦化行業(yè)和活躍的生產(chǎn)活動需求高素質(zhì)的煤化工技術人才。我校化學工程與工藝專業(yè)源自煉焦化學專業(yè)，是以煤化工為特色的國家級特色專業(yè)，每年為河北及周邊地區(qū)輸送大量煤化工技術人才，但在實踐教學過程面臨著“實習基地不穩(wěn)地、實習內(nèi)容不全面、實習深度不透徹”等多重難題。因為現(xiàn)代煤化工具有高度集成、連續(xù)生產(chǎn)、自動運行等特點，焦化企業(yè)又具有易燃爆、高溫壓、有毒害的高危屬性；所以焦化企業(yè)基于安全性和生產(chǎn)任務考量，限制學生實習的時間和范圍，嚴禁學生動手操作，實習逐漸流于形式，效果不太理想[2]。針對這些問題，國外高校從本世紀初研究虛擬仿真實踐教學的應用[3]，近年來我國各級教育管理部門也大力倡導虛擬仿真實驗教學中心建設[4]，虛擬仿真實驗和實訓逐漸成為高校實踐教學的重要組成部分[5]。

虛擬仿真實驗和實訓具有內(nèi)容層次豐富、安全環(huán)保綠色、教學效果顯著、運行成本低廉等優(yōu)點[6]，是地方特色高校提升實踐教學質(zhì)量的重要途徑[7]。2014年我校在化工學院設立“化工虛擬仿真實驗教學中心”[2]，建設以煤化工為特色的虛擬仿真實踐教學平臺。下面將對本中心的煉焦虛擬仿真工廠實踐教學平臺的建設現(xiàn)狀及運用情況進行介紹。

1 煉焦虛擬工廠建設

1.1 建設思路與目標

按照“立足人才培養(yǎng)、突出學科特色、堅持共建共贏、著眼持續(xù)發(fā)展”的建設思路，充分發(fā)揮高校學科優(yōu)勢，積極利用企業(yè)的開發(fā)和服務能力，不斷完善實踐教學數(shù)字網(wǎng)絡化建設和教學模式的改革創(chuàng)新。以大工程觀為引領，以煤化工企業(yè)的工藝過程為紐帶，虛實結合，分批建設，全流程生產(chǎn)裝置校外建設，以“實”為主，校內(nèi)建設以“虛”為主。

以建成培養(yǎng)化學工程技術人才工程實踐能力的煤化工仿真教育平臺為目標。在此基礎上，建立一套在線開放運行管理體制和云端運行管理平臺，實現(xiàn)三維虛擬仿真煤化工產(chǎn)業(yè)鏈云端共享功能，服務于京津冀化工類高校專業(yè)實習及企業(yè)員工培訓。

1.2 建設內(nèi)容

煉焦虛擬仿真工廠實踐教學平臺建設內(nèi)容以煉焦生產(chǎn)工藝為核心，把配煤煉焦過程進行數(shù)字化三維模擬，系統(tǒng)全面虛擬仿真以煤炭干餾為基礎的煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)過程。煉焦虛擬仿真工廠包含配煤系統(tǒng)、焦爐系統(tǒng)和四大車系統(tǒng)三大部分。

1.2.1 配煤系統(tǒng)

配煤系統(tǒng)主要虛擬仿真模擬備煤車間，數(shù)字化模擬實際生產(chǎn)過程中的卸煤、裝煤、配煤過程，以三維虛擬場景呈現(xiàn)。備煤車間的大型機械設備是火車翻車機、堆取料機和配煤倉的皮帶秤(如圖1所示)，學生們能身臨其境的觀看這些設備的工作原理和運行過程，觀察設備的局部結構。

圖1 配煤車間主要虛擬仿真設備

1.2.2 焦爐系統(tǒng)

焦爐是焦化廠的核心，焦爐系統(tǒng)主要虛擬仿真煉焦車間，將焦爐實際生產(chǎn)過程進行數(shù)字化模擬，以三維虛擬場景展現(xiàn)(如圖2所示)。學生們?nèi)缟砼R其境般的觀看焦爐生產(chǎn)的裝煤、煉焦、推焦、熄焦(干熄焦和濕熄焦)全過程，并且可以解剖焦爐近距離了解焦爐的內(nèi)部結構以及煤在炭化室內(nèi)轉變?yōu)榻固康倪^程。

圖2 三維虛擬仿真焦爐

1.2.3 四大車系統(tǒng)

四大車系統(tǒng)主要虛擬仿真模擬焦爐配套的裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車，將四大車實際運行的系列過程進行數(shù)字化模擬，以三維虛擬場景呈現(xiàn)(如圖3所示)。學生們能身臨其境的觀看四大車聯(lián)動實現(xiàn)裝煤、推焦、攔焦、熄焦過程。

圖3 虛擬仿真四大車系統(tǒng)

2 基于虛擬工廠的教學探索

2.1 教學模式探索

虛擬仿真實訓教學能夠避免化工過程高危險、高消耗、高污染的安全問題，化工虛擬仿真實驗教學中心能讓學生能夠不受時間、空間、地域的限制，完全自主地開展工程化訓練，滿足化工類相關專業(yè)的生產(chǎn)實習、課程設計、綜合實驗和畢業(yè)設計等實踐教學需求。我們依據(jù)理論與實踐、虛擬與現(xiàn)實、校內(nèi)與校外的“三結合”原則，巧用“現(xiàn)場認知-模擬仿真-工程實訓”三個訓練梯度，探索“虛擬實訓-仿真操作-實踐創(chuàng)新”三種教學模式，開展虛實結合的“三三三”教學改革與實踐(如圖4所示)，多方面鍛煉學生的化工實踐能力，增強學生的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新型化工技術人才。

圖4 虛實結合的“三三三”仿真教學模式

2.2 教學實踐運用

生產(chǎn)實習是工科學生培養(yǎng)過程中必不可少的實踐教學環(huán)節(jié)。由于化工實際生產(chǎn)存在高溫、高壓、有毒環(huán)境，具有高危性及不可控性等特征，化工專業(yè)的實習教學普遍面臨著“實習基地不穩(wěn)地、實習內(nèi)容不全面、實習深度不透徹”等難題。因此，將虛擬仿真實訓引入生產(chǎn)實習教學，把工廠實踐與仿真實訓相結合，依托現(xiàn)有的焦虛擬實訓系統(tǒng)，增加虛擬仿真實訓環(huán)節(jié)，激發(fā)學生學習熱情和興趣，并在考核中增加仿真操作和現(xiàn)場問答環(huán)節(jié)，綜合測評學生的實習效果。

《煉焦學》是我?；I(yè)的煤化工特色課程，以往課堂理論教學比較抽象，學生沒有經(jīng)歷生產(chǎn)實習難以理解焦爐的結構及煉焦生產(chǎn)過程，現(xiàn)將煉焦虛擬仿真工廠引入教學，增加煉焦工藝仿真上機學習環(huán)節(jié)，并在考核中增加現(xiàn)場考察成績(10%)，顯著提高授課效果。

煉焦虛擬仿真工廠實訓平臺也為我?；W院的能源化學工程、應用化學、環(huán)境工程等專業(yè)的認識實習、煤化工工藝學概論、化工制圖等課程提供了教學素材，開展相應的教學環(huán)節(jié)及考核形式改革。

2.3 教學實踐成果

我?；W院有化學工程與工藝、應用化學、能源化學工程、環(huán)境工程、化學5個專業(yè)，每年實習人數(shù)將近400人，實習基地面難以滿足這么多的學生的接待任務。將煉焦虛擬仿真工廠實訓平臺引入專業(yè)生產(chǎn)實習教學過程，彌補了實踐教學資源的不足，在實踐過程中展現(xiàn)出新穎獨特的教學效果，不僅突破了生產(chǎn)實習的時空限制，而且將生產(chǎn)實習變得安全高效，學生的實踐認知、工程意識和創(chuàng)新思維等多方面素質(zhì)得到顯著提升。

依托煉焦虛擬實訓系統(tǒng)，開設虛擬仿真實驗，2018年獲批河北省首批示范性虛擬仿真實驗教學項目。學生也基于此平臺在大學生化工設計大賽等各類專業(yè)競賽中獲得省級以上獎勵20余項。

3 結 語

煉焦虛擬仿真工廠為本校化工學院提供了一個與實際焦化廠一樣的教學實訓平臺，自2015年投用運行以來，承擔了多門課程理論和實踐教學任務。基于煉焦虛擬仿真工廠開展的虛實結合的“三三三”教學改革與實踐探索，強烈的激發(fā)了學生的熱情和興趣，巧妙的調(diào)動了學生的主觀能動性，多層次的訓練了學生的動手技能。學生的實踐認知、工程意識和創(chuàng)新思維等多方面素質(zhì)得到了提升?；ぬ摂M仿真實驗教學中心建設是一項長期的任務，我們將建設多樣化的煤化工虛擬仿真工廠，不斷完善教學內(nèi)容和考核體系，培養(yǎng)真正的適應社會快速發(fā)展需求的應用復合型化工技術人才。