虛仿實驗反哺“制漿原理與工程”課程教學研究

楊 玲，張永奇，李文俊，曹 瑜，何 潔

（四川輕化工大學 生物工程學院，四川 自貢 643000）

虛擬仿真實驗輔助教學是基于實驗教學思想、體系、模式、內(nèi)容、方法、手段等方面的系統(tǒng)化設計，利用實物或計算機創(chuàng)設的虛擬環(huán)境或工具，使學生在虛擬環(huán)境中模擬真實事例進行操作、設計、運行等實踐，彌補校園內(nèi)無法實現(xiàn)的整個流程連續(xù)性，以及由于關鍵設備缺失，無法自行設置工藝參數(shù)，難以在線監(jiān)控和評價生產(chǎn)線的教學現(xiàn)狀，有效推進仿真反哺教學機制。

基于四川省特色專業(yè)和輕化工程四川省一流本科專業(yè)及省一流課程建設，為達到培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，培養(yǎng)適應并滿足行業(yè)發(fā)展的人才，在專業(yè)核心課程“制漿原理與工程”理論學習（48學時）基礎上，增設16學時的竹漿氧脫木素過程虛擬仿真實驗，含六項紙漿性能指標檢測視頻，課程優(yōu)化變更為線上線下混合式教學。課程采用“以虛補實、虛實結(jié)合、深度交互、理實一體”的理念，通過理論學習、問題導入、實驗操作、工藝設計、工程實施五個教學環(huán)節(jié)，實施體驗式、自主式、浸入式、交互式等教學方式，引導學生運用氧脫木素的基本知識，理論聯(lián)系實際，自主設置工藝參數(shù)，甄別參數(shù)過高或過低會給成漿質(zhì)量、產(chǎn)量、成本及環(huán)保等方面帶來的影響，從而有助于學生基于輕化工程相關背景知識進行合理分析，科學評價工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律及文化的影響，并理解應承擔并履行的重任，為專業(yè)“三創(chuàng)型”（創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)）人才培養(yǎng)奠定基礎。

一、仿真實驗的必要性

（一）傳統(tǒng)教學難以做到教學研用的互動

輕化工程制漿造紙專業(yè)重點培養(yǎng)目標：認知能力高，實踐動手能力強，能夠應對和解決實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的復雜工程問題是制漿造紙工藝技術(shù)員必須具備的技能。這就要求學生具有扎實的理論知識儲備和較強的工程實踐能力。

“制漿原理與工程”對應的實驗課程是“制漿造紙分析與檢測”，該課程主要針對輕化工程專業(yè)學生進行造紙原料蒸煮、漂白、抄紙及紙張檢測等方面的系統(tǒng)訓練，運用基本理論、方法進行生產(chǎn)模擬實驗，培養(yǎng)學生實驗設計、實驗操作、數(shù)據(jù)處理等工程實踐能力。

但無論是傳統(tǒng)理論教學還是實體實驗教學，教師多借助書本、生產(chǎn)實地拍攝的照片及黑板和PPT等工具講授知識，對于實體實驗，多采用分組進行實驗設計、實驗操作、數(shù)據(jù)處理及對實驗結(jié)果分析討論，教師巡回指導，組間討論，教師點評。經(jīng)過多年的教學發(fā)現(xiàn)此教學方法僵化，禁錮了學生的思維，就竹漿氧脫木素實驗而言，傳統(tǒng)教學難以全方位、多角度、多層次地展現(xiàn)真實完整的竹漿氧脫木素生產(chǎn)工藝過程及相應設備，無法做到全過程的可視化監(jiān)控、參數(shù)或流程設置、結(jié)果反饋評價，導致學生因自身的理解和空間想象及思考能力差異而難以提高對相關知識的認知能力，難以充分發(fā)揮學生的主觀能動性和提高實踐動手能力，不利于后續(xù)的學習和科研，這種傳統(tǒng)的教學模式需要變革。

（二）竹漿氧脫木素實驗無法在實驗室條件下正常開展

氧脫木素已成為一種工業(yè)化的漂白技術(shù)，它既是TCF漂白不可缺的重要組分，又是ECF漂白的重要組分，成為紙漿漂白技術(shù)的一個發(fā)展方向。

我國是竹子的故鄉(xiāng)，竹林面積占全球的21%，素有“竹子王國”之譽，有“世界竹子在亞洲，亞洲竹子在中國”之說。為此課程立足國情，因地制宜，以竹材為原料，展現(xiàn)中國竹資源豐富的天然優(yōu)勢，激發(fā)學生“以竹代木”“以竹代塑”的環(huán)保意識與責任擔當，以及減少對進口木漿的依賴性，弘揚愛國情懷。同時為增加其應用廣度和深度，采用氧脫木素調(diào)控木素、色素及低聚物含量，從而調(diào)節(jié)成紙柔韌性、吸收性、白度及物理強度等指標，達到本色竹纖維生活用紙、本色書畫紙等紙種的質(zhì)量要求；也可用于漂白竹漿（如膠版印刷紙、打字紙等）的漂白流程中，以及延伸用于竹材溶解漿、紙漿模塑產(chǎn)品生產(chǎn)中。

竹漿氧脫木素實驗在實驗室條件下難以正常開展。其主要原因是：（1）漂白需要高壓設備；（2）氧在常溫常壓下為無色、無味的氣體，略能溶解于水，其性質(zhì)不很活潑，其漂白時存在氣體、固體漿料和水三相混合不均勻，影響漂白結(jié)果，需要高效的中濃高剪切混合器和中濃漿泵及高壓反應塔等設備來實現(xiàn)漂白均勻性；（3）必須有嚴格的計算機控制和良好的儀表監(jiān)測；（4）脫木素的選擇性較差，參數(shù)相互關聯(lián)度高，投資大；（5）若到實際生產(chǎn)的氧脫木素生產(chǎn)線上運行，紙機開機具有運行昂貴、物耗水耗電耗量大、操作要求高、部分設備操作危險度大且成本高等問題；（6）受實體實驗教學課時的限制。

（三）專業(yè)課程與實驗課程分階段進行，不利于知識與能力的多重突破

“制漿原理與工程”是輕化工程制漿造紙專業(yè)一門必修的骨干專業(yè)課，在整個核心課程體系中占有非常重要的地位。而相關的“制漿造紙分析與檢測”實驗課程往往排在理論課程學習結(jié)束之后，甚至這兩門課程分別安排在兩個學期，“制漿造紙分析與檢測”又限于實體實驗，雖然有承接關系，但存在“時空距離”，“感性”與“理性”的認知脫節(jié)，導致學生在實驗環(huán)節(jié)往往只能記得“碎片化”的理論知識，難以進行正確的實驗流程、實驗參數(shù)設計，同時對實驗中出現(xiàn)的異常情況難以做出正確及時的識別判斷、分析解決，難以完成知識“認知—運用—掌握—內(nèi)化”的全過程，難以提升對知識的融會貫通能力、綜合分析問題及解決復雜工程問題的能力，難以培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思想和探究式思維能力。

二、“實時”應用虛仿實驗

竹漿氧脫木素虛擬仿真實驗有機綜合了化工、機械，以及分布式控制系統(tǒng)DCS、紙漿性能指標測定等知識內(nèi)容，綜合應用多媒體、三維建模等網(wǎng)絡化、數(shù)字化技術(shù)手段，建立了算法設計、數(shù)字仿真和實施控制仿真三大主要模塊。通過3D MAX等三維動畫制作軟件，搭建實驗場景，實現(xiàn)算法、圖元和工藝的組態(tài)，過程裝備和實驗儀器通過高渲染度的三維模塊展示，盡可能地還原真實的實驗場景，保證虛擬仿真實驗的沉浸度和真實感。虛擬仿真實驗方法、目的及教學思路如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗方法、目的及教學思路

在虛擬的實踐領域中，學生可以自主設計工藝參數(shù)，理解掌握工藝參數(shù)的變化對成漿質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)過程的重要性；學習相關設備結(jié)構(gòu)特點、工作原理、運行參數(shù)及注意事項等內(nèi)容，尤其將不可見的設備內(nèi)部構(gòu)造直觀呈現(xiàn)在學生面前，提升了學生對復雜且難以理解的知識點的學習效果；查看分布式控制系統(tǒng)（DCS），認識氧脫木素過程中各種連鎖條件，清楚相關連鎖對象，實現(xiàn)成漿質(zhì)量在線監(jiān)控和評價，并根據(jù)實驗室紙漿性能指標（卡伯值、得率、黏度、白度及穩(wěn)定性等）檢測結(jié)果，判別設置的工藝參數(shù)的合理性、先進性，優(yōu)化工藝參數(shù)。因此，在“制漿原理與工程”理論學習基礎上增設虛仿實驗，構(gòu)建綜合性較強的知識認知和能力培養(yǎng)的新構(gòu)架，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實驗內(nèi)容與能力培養(yǎng)的對立關系

竹漿氧脫木素的主要工藝參數(shù)有漿料濃度、用堿量、反應溫度、反應時間及氧壓等。下文介紹“實時”場景中虛仿實驗的實施。

（一）設置真空洗滌濃縮機的進漿濃度

紙漿濃度將影響到堿液濃度，即影響反應速率，同時影響到蒸汽的消耗和反應器的大小等?；谥袧庋趺撃舅赝顿Y較少，中濃高剪切混合器和中濃漿泵技術(shù)的成功，漿料的處理比高濃容易得多，漿料濃度較低，設備腐蝕少，也沒有在氧氣中燃燒的危險，即中濃系統(tǒng)的安全性比高濃系統(tǒng)好，生產(chǎn)上一般多趨向于中濃氧脫木素。

設置真空洗滌濃縮機的進漿濃度，選擇保護劑（硫酸鎂、碳酸鎂、氧化鎂、鎂鹽絡合物）種類并設置保護劑用量。竹漿氧脫木素濃度一般是10%～12%中濃。真空洗滌濃縮機，進漿濃度0.8%～1.5%，出漿濃度10%～15%。當學生在設置真空洗滌濃縮機進漿濃度時，若濃度不在合理范圍，系統(tǒng)會彈出一個提示框。由此引導學生發(fā)現(xiàn)問題，思考問題產(chǎn)生的原因，以及應對方法措施，同時虛擬仿真技術(shù)可直接將真空洗滌濃縮機的三維立體圖展現(xiàn)出來，再與平面圖相結(jié)合，利于學生學習、理解掌握其結(jié)構(gòu)組成、工作原理、運行參數(shù)等內(nèi)容。

（二）設置用堿量

用堿量是根據(jù)原漿木素含量和要除去木素的程度而定。用堿量對氧脫木素初始階段和后續(xù)階段的脫木素和碳水化合物降解有密切的關系。用堿量一般為2%～5%。通常每降低一個卡伯值，需用堿量1.3kg/t～1.8kg/t風干漿。當學生在設置用堿量時，若不在合理范圍，系統(tǒng)會彈出一個提示框。并查看學習、理解掌握湍流離心式中濃漿泵的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、運行參數(shù)、注意事項等內(nèi)容，同時圖文并茂讓學生知曉加堿的位置是在中濃漿泵的立管，利于泵的剪切應力作用，使?jié){料趨于流體化，利于藥品作用于每根纖維，提高氧脫木素作用和效率，從而加深對理論知識的理解和掌握，體會“設備服務工藝，工藝制約設備”的相互依存的關系。

（三）設置中壓蒸汽溫度

氧脫木素要求溫度高于80℃，提高溫度可加快漂白反應速度，加速脫木素過程，降低紙漿卡伯值，增加白度。因為溫度升高，可加速漂液向纖維內(nèi)部滲透，同時加快反應產(chǎn)物的擴散溶出。氧脫木素是放熱反應，反應熱為12MJ/t～14MJ/t。生產(chǎn)上采用的溫度一般在90℃～105℃，過高的溫度會導致碳水化合物的嚴重降解，且能耗也增加。

氧脫木素漿料的加熱是在氧蒸汽混合器中通入中壓蒸汽來升溫，當學生在設置溫度時，若不在合理范圍，系統(tǒng)會彈出一個提示框，提示框內(nèi)容是：“氧脫木素溫度的高低與脫木素和碳水化合物降解關系密切，生產(chǎn)上采用的溫度一般在90℃～105℃。氧脫木素需在一定壓力下進行，需要蒸汽壓力高些才能加入混合器里，需用中壓蒸汽加熱。若溫度過低，壓力小，不易將蒸汽加入有壓力的混合器中，對脫木素不利；若溫度過高，碳水化合物的堿性氧化降解反應和剝皮反應加劇，甚至漿料會燒糊，降低紙漿得率和強度，因此需將溫度設置在合理的數(shù)值范圍。另外需注意，通入中壓蒸汽升溫，需先加氧氣再加蒸汽，防止蒸汽迅速冷凝導致管道、設備震動?！辈⒉榭磳W習、理解掌握氧蒸汽混合器的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、運行參數(shù)、注意事項等內(nèi)容，非常直觀、形象地看到氧和蒸汽混合后是分四處以不同的角度加入流程中，提高脫木素的均勻性和選擇性，實現(xiàn)“知行統(tǒng)一”的作用。

（四）設置反應時間和氧反應塔頂壓力

在一定的堿濃度下，卡伯值的降低可以分為初始快速下降和后續(xù)緩慢下降兩個階段。若氧脫木素時間過短，對脫木素不利，硬度降低率低，漿料殘留木素多，其可漂性下降，增加后續(xù)漂劑消耗，增加成本，增加廢水污染負荷；若氧脫木素時間過長，會使碳水化合物的堿性氧化降解反應和剝皮反應增加，碳水化合物降解嚴重，紙漿得率和強度隨之降低，因此需將時間設置在合理的數(shù)值范圍（宜在60～90分鐘）。

氧壓是影響氧脫木素的主要因素之一，氧壓過低，對脫木素不利，硬度降低率低，漿料殘留木素多，其可漂性下降，增加后續(xù)漂劑消耗，增加成本，增加廢水污染負荷；氧壓過高，脫木素率增加，同時會使碳水化合物的堿性氧化降解反應和剝皮反應增加，碳水化合物降解嚴重，紙漿得率和強度隨之降低，因此需將壓力設置在合理的數(shù)值范圍（宜在0.3MPa～0.5MPa）。

查看學習、理解掌握升流式氧反應塔的結(jié)構(gòu)特點、運行參數(shù)、注意事項等內(nèi)容，非常直觀、清楚地領會漿料從塔底進入，在塔內(nèi)漿料靜壓作用下，可防止氣體逸出，利于漿料與氣體漂劑的接觸與反應。漿料從下向上流，故塔內(nèi)始終充滿漿料，在運行中送入與流出的漿料相等，其容量和液面穩(wěn)定，反應時間穩(wěn)定，洗滌設備的負荷不變，無滿溢危險。

安裝于塔底的紙漿分散器有轉(zhuǎn)盤式和旋轉(zhuǎn)臂式等形式，其作用為：紙漿進入塔底后，由于塔底轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)臂的不斷旋轉(zhuǎn)就把紙漿輸送到塔底四周，保證紙漿在塔的橫截面上具有一致的升流速度。通過信息技術(shù)的輔助，學生大大提高了對知識的理解和學習效果。

（五）進入中控室，查看分布式控制系統(tǒng)（DCS）

查看DCS自控系統(tǒng)，對設置的數(shù)據(jù)進行觀察和調(diào)控，認識氧脫木素過程中各種連鎖條件、清楚相關連鎖對象，觀察數(shù)據(jù)點，有異常情況及時報告；了解生產(chǎn)線全程自控的先進性、成漿質(zhì)量和產(chǎn)量的在線調(diào)控和評價。在生產(chǎn)流程不變的前提下，通過工藝參數(shù)的設置和調(diào)控，更加清楚參數(shù)間的相互作用，相互制約的聯(lián)動關系，實現(xiàn)紙漿氧脫木素較完整知識理解與綜合能力培養(yǎng)雙重作用。

（六）觀看紙漿性能指標測定的教學視頻

在虛擬仿真軟件中教師提供了紙漿性能指標測定的教學視頻，利于學生在線下性能指標測定實驗前完成對教學視頻的觀看和學習，減少或避免因初學實驗經(jīng)驗不足或意外帶來的風險，有效降低學生在實操時的出錯幾率，提高性能指標測定結(jié)果的準確性，同時也為學生拓展更高深度和廣度的實驗提供培訓、增添信心。另外需讓學生明白，在實際生產(chǎn)中是根據(jù)測定結(jié)果，反推設置的工藝參數(shù)的合理性、先進性，并優(yōu)化工藝參數(shù)，深刻體會并證明理論與實踐的邏輯關系。

（七）虛擬仿真討論反饋區(qū)

學生通過在線教育平臺（虛擬仿真討論反饋區(qū)）與其他高校和業(yè)界同行及社會公眾就制漿造紙相關領域較復雜工程問題進行有效交流、溝通，提高了問題解決速度，同時拓展思路，拓寬視野，增長知識，提升一定的組織生產(chǎn)和管理能力。

結(jié)語

“制漿原理與工程”課程實現(xiàn)了課堂教學與網(wǎng)絡教學的融合，低廉的實驗成本可允許學生多次操作，將傳統(tǒng)教學中實現(xiàn)不了氧脫木素整個流程連續(xù)性，中濃漿泵、混合器等關鍵設備缺失，做不了在線自行設置工藝參數(shù)等不足以“虛”的方式展現(xiàn)，并與線下理論講授和紙漿性能指標測定實驗的“實”相結(jié)合，構(gòu)建多層次、多維度、多模塊的教學模式，達到理論和實踐的雙重效果。實施以教為中心到以學為中心和從知識體系為中心到能力達成為目標的轉(zhuǎn)變，有效推進仿真反哺教學機制，促進“學—練—思—總”的充分融合，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神及科技報國的使命擔當，同時對原有的課程教學進行及時補充和改進，使每位學生達到教育要求，為畢業(yè)生成長為高層次應用型新工科人才奠定基礎。