虛擬仿真在化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用

楊文，馮艷艷，呂奕菊，王桂霞

（桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

自2013年以來(lái)，教育部開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)。同時(shí)，各高校在仿真建設(shè)方面積極探索與實(shí)踐，虛擬仿真教學(xué)已成為提升高等教育發(fā)展水平和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量不可或缺的手段，特別是在高危、高污染和高成本的化工類課程教學(xué)方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]。一直以來(lái)，我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)結(jié)合“育人為本、質(zhì)量立校、人才強(qiáng)?！钡霓k學(xué)理念與辦學(xué)特色，正確處理“人才培養(yǎng)與社會(huì)需求關(guān)系”“知識(shí)傳授與能力和素質(zhì)培養(yǎng)的關(guān)系”及“教與學(xué)的關(guān)系”，樹立以學(xué)生為中心，教為主導(dǎo)、學(xué)為主體的教學(xué)理念，注重綜合素質(zhì)教育，培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、適應(yīng)21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展需要的應(yīng)用型人才。

基于此，我校2015年建立化學(xué)工程與工藝專業(yè)虛擬仿真教學(xué)中心，通過(guò)應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)的形式，推動(dòng)本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供多方位的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力以及解決復(fù)雜工程問題能力的提高[4-6]。尤其是，借助化工專業(yè)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)全國(guó)大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽和化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽，我校化工專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力大幅提升，且具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力和良好的工程意識(shí)。因此，本文首先指明化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程中傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合構(gòu)建半實(shí)體裝置+虛擬仿真的思路，分析仿真教學(xué)在生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程中的作用以及教學(xué)特色。

一、化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程傳統(tǒng)教學(xué)的不足

化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)是化工專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的一項(xiàng)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是在完成化工專業(yè)的主要理論課程教學(xué)之后進(jìn)行的。其目的是使學(xué)生了解和熟悉化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)工藝控制、生產(chǎn)操作和主要生產(chǎn)設(shè)備等方面的內(nèi)容，加深對(duì)化工專業(yè)的基本理論和生產(chǎn)技術(shù)知識(shí)的理解，獲得解決生產(chǎn)中出現(xiàn)問題的初步訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的基本工程實(shí)踐能力和獨(dú)立和團(tuán)隊(duì)工作的能力。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在很多不足，難以滿足化工專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。在傳統(tǒng)化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)中，學(xué)生進(jìn)入化工廠，主要了解化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，對(duì)生產(chǎn)裝置只能看、不能動(dòng)，特別是對(duì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)裝置的開車、停車方法和操作無(wú)法學(xué)習(xí)和掌握。同時(shí)，對(duì)化工廠事故應(yīng)急處理的步驟和方法只停留在入廠時(shí)的安全教育環(huán)節(jié)，對(duì)具體實(shí)施過(guò)程沒有深刻領(lǐng)悟和掌握[7-9]。由于實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中學(xué)生總體參與度不高，在實(shí)習(xí)后期學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不足，最終僅通過(guò)撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告的方式來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中對(duì)知識(shí)的掌握程度，評(píng)價(jià)結(jié)果很難客觀反映課程目標(biāo)的達(dá)成情況[8-13]；在對(duì)用人單位的調(diào)研和座談中發(fā)現(xiàn)，他們對(duì)本專業(yè)畢業(yè)生所具有的專業(yè)知識(shí)、生產(chǎn)操作能力等具有較好的認(rèn)同，能夠較好地勝任化工相關(guān)的工作。他們認(rèn)為，由于化工生產(chǎn)過(guò)程中的特殊環(huán)境，高校應(yīng)適當(dāng)增加化工安全方面的教育，以及進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立工作和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、交流溝通能力。

基于上述問題，我校建立化學(xué)工程與工藝專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（包括中央控制室和半實(shí)體微型工廠），讓學(xué)生在學(xué)校就能對(duì)典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)裝置進(jìn)行開車停車操作練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，解決在企業(yè)實(shí)習(xí)只能看、不能動(dòng)的問題。同時(shí)，定制化工安全相關(guān)設(shè)備器材，增加化工產(chǎn)品著火、有毒氣體泄漏等化工安全預(yù)警演習(xí)，培訓(xùn)心肺復(fù)蘇和空氣呼吸器的使用，以增強(qiáng)學(xué)生的化工安全意識(shí)。

二、化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)（仿真工廠）課程的教學(xué)思路

對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程設(shè)立四個(gè)課程目標(biāo)，包括：理解典型化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程；掌握和運(yùn)用仿真軟件模擬工藝裝置開停車，掌握開停車方法和原理；理解化工安全生產(chǎn)的重要性，掌握著火和氣體泄漏等事故的應(yīng)急處理方法；能夠在生產(chǎn)中形成責(zé)任意識(shí)，對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行仿真聯(lián)合操作、協(xié)同合作，增強(qiáng)和提升團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

為了完成上述課程目標(biāo)，借助仿真教學(xué)對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程開展以下教學(xué)環(huán)節(jié)：根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)，理解和掌握預(yù)處理、反應(yīng)和分離工藝；對(duì)典型化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行開停車學(xué)習(xí)，掌握工藝裝置開停車的原理和方法；對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行仿真聯(lián)合操作、協(xié)同合作，增強(qiáng)和提升團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)；事故應(yīng)急處理演習(xí)，了解著火和氣體泄漏等事故的應(yīng)急處理方法。通過(guò)化工生產(chǎn)（仿真）實(shí)習(xí)，讓學(xué)生深度參與整個(gè)教學(xué)過(guò)程，提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

根據(jù)以上教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)習(xí)課程的組織與實(shí)施方式由以下部分構(gòu)成：實(shí)習(xí)動(dòng)員：對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)動(dòng)員，并對(duì)實(shí)習(xí)工廠的工藝過(guò)程、單元操作及安全教育等內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。崗位分組輪崗實(shí)習(xí)：集中學(xué)習(xí)具體的生產(chǎn)工藝流程，厘清現(xiàn)場(chǎng)裝置的擺放位置、管線的走向等。分組練習(xí)軟件版開車、內(nèi)操、外操聯(lián)合操作及安全演練。實(shí)習(xí)筆記：學(xué)生將每天在實(shí)習(xí)工段學(xué)習(xí)到的知識(shí)、收集的資料和圖表、所聽報(bào)告內(nèi)容、實(shí)習(xí)心得等記入實(shí)習(xí)筆記。實(shí)習(xí)報(bào)告：實(shí)習(xí)結(jié)束時(shí)學(xué)生提交書面實(shí)習(xí)報(bào)告。實(shí)習(xí)報(bào)告的內(nèi)容主要有：實(shí)習(xí)目的與內(nèi)容；實(shí)習(xí)工廠的基本情況；實(shí)習(xí)車間產(chǎn)品的生產(chǎn)方法、工藝過(guò)程、主要工藝指標(biāo)、主要設(shè)備及流程說(shuō)明；繪出重點(diǎn)工段的工藝流程圖；生產(chǎn)實(shí)習(xí)的體會(huì)和收獲等?；诖?，實(shí)習(xí)課程的總評(píng)成績(jī)由四部分構(gòu)成，包括：實(shí)習(xí)報(bào)告、仿真操作、內(nèi)外聯(lián)合操作和心肺復(fù)蘇等安全相關(guān)操作，按一定比例四項(xiàng)成績(jī)加和，然后折算為五級(jí)計(jì)分制分?jǐn)?shù)。

三、環(huán)己酮生產(chǎn)工藝半實(shí)體虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

（一）教學(xué)目的

借助虛擬仿真+半實(shí)體裝置教學(xué)，使學(xué)生熟悉化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)工藝控制、生產(chǎn)操作和主要生產(chǎn)設(shè)備等方面的內(nèi)容，加深對(duì)化工專業(yè)的基本理論和生產(chǎn)技術(shù)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立和團(tuán)隊(duì)工作的能力，提高學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力，掌握典型連續(xù)化工藝開停車的原理，克服在化工廠現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生只能看、不能動(dòng)的缺點(diǎn)。

（二）實(shí)施過(guò)程

依托半實(shí)體微型工廠和中央控制室，根據(jù)真實(shí)化工廠的相關(guān)理論和實(shí)踐操作規(guī)程在虛擬仿真工廠中進(jìn)行相應(yīng)操作和運(yùn)行，使得學(xué)生能夠獲得生動(dòng)直觀的感性認(rèn)識(shí)，增進(jìn)對(duì)抽象原理的理解；通過(guò)對(duì)講機(jī)進(jìn)行內(nèi)外聯(lián)合操作，進(jìn)行化工生產(chǎn)工藝的開停車、應(yīng)急事故處理練習(xí)。

（三）教學(xué)內(nèi)容

環(huán)己酮生產(chǎn)工藝半實(shí)體虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，包括半實(shí)物流程裝置單元、DCS模擬控制部分和仿真軟件系統(tǒng)三部分在內(nèi)的仿真系統(tǒng)，為化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生提供了一個(gè)高仿真度、高交互式和全程參與式的虛擬操作平臺(tái)，可開展苯加氫制備環(huán)己烷和環(huán)己烷氧化制備環(huán)己酮生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)過(guò)程、工藝、停開車原理和方法、應(yīng)急事故處理等方面的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，使學(xué)生對(duì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)形成全面的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

首先，通過(guò)對(duì)環(huán)己酮生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行講解，讓學(xué)生從節(jié)能減排的角度認(rèn)識(shí)環(huán)己酮生產(chǎn)工藝流程，并結(jié)合半實(shí)體環(huán)己酮生產(chǎn)仿真車間，加深對(duì)工藝裝置流程的理解。環(huán)己酮生產(chǎn)工藝包括苯加氫制備環(huán)己烷工段和環(huán)己烷氧化制備環(huán)己酮工段。苯加氫工段采用氣相法，以金屬鉑作催化劑，主反應(yīng)器為固定床反應(yīng)器，利用循環(huán)熱油移除反應(yīng)器中產(chǎn)生的反應(yīng)熱。環(huán)己酮制備工段采用無(wú)催化氧化法，將苯加氫工段制得的環(huán)己烷產(chǎn)品直接與含氧氣體（空氣）接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，生成中間產(chǎn)物環(huán)己基過(guò)氧化氫，該中間產(chǎn)物在醋酸鈷催化劑的作用下，選擇性分解成環(huán)己酮。

其次，在熟悉工藝流程的基礎(chǔ)上，通過(guò)DCS集成仿真系統(tǒng)，對(duì)環(huán)己酮生產(chǎn)工藝裝置開車、停車學(xué)習(xí)，掌握典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝裝置開停車原理方法，使學(xué)生深刻理解整個(gè)裝置在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的調(diào)控過(guò)程，進(jìn)一步加深對(duì)工藝裝置的理解，進(jìn)而提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

再次，對(duì)環(huán)己酮生產(chǎn)裝置進(jìn)行內(nèi)外仿真聯(lián)合操作、協(xié)同合作，增強(qiáng)和提升團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。在掌握環(huán)己酮生產(chǎn)裝置開車原理方法的基礎(chǔ)上，對(duì)半實(shí)體環(huán)己酮制備進(jìn)行聯(lián)合仿真操作，學(xué)生分工段監(jiān)控，指揮和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)中控室和生產(chǎn)車間聯(lián)動(dòng)，有效提升學(xué)生協(xié)同合作，增強(qiáng)和提升團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

最后，對(duì)裝置區(qū)氣體泄漏和著火事故開展應(yīng)急事故處理演習(xí)。演習(xí)過(guò)程中，學(xué)生分別扮演班長(zhǎng)、安全員、內(nèi)操員、外操員和消防員等角色。其間并學(xué)習(xí)空氣呼吸機(jī)、滅火器和心肺復(fù)蘇的使用和急救方法，使學(xué)生掌握化工事故的應(yīng)急預(yù)案處理方法，增強(qiáng)學(xué)生的化工安全知識(shí)。

（四）教學(xué)效果

學(xué)生普遍反映虛擬教學(xué)方法生動(dòng)形象，對(duì)環(huán)己酮生產(chǎn)的基本流程理解深刻，大大提高了他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性。學(xué)生通過(guò)這種教學(xué)方法可以進(jìn)行多次反復(fù)地學(xué)習(xí)，對(duì)環(huán)己酮生產(chǎn)流程中的諸多細(xì)節(jié)得以充分地掌握，避免了在化工廠現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)時(shí)只能看、不能動(dòng)的缺點(diǎn)。同時(shí)，在實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)內(nèi)外聯(lián)合操作增強(qiáng)學(xué)員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和化工安全意識(shí)。

四、化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)（仿真工廠）課程的教學(xué)特色

（一）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路

環(huán)己酮生產(chǎn)工藝仿真教學(xué)項(xiàng)目以環(huán)己酮的生產(chǎn)制備工藝為對(duì)象，借助半實(shí)體工廠和根據(jù)實(shí)體裝置建立的DCS中控系統(tǒng)，構(gòu)建化工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生在數(shù)字高真實(shí)仿真、情景化真實(shí)操作中學(xué)習(xí)環(huán)己酮連續(xù)化生產(chǎn)工藝、裝置參數(shù)調(diào)節(jié)和控制方法、應(yīng)急事故處理方法，解決學(xué)生實(shí)習(xí)過(guò)程中高危、“動(dòng)手難”的問題，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（二）教學(xué)方法創(chuàng)新

構(gòu)建高度仿真化工廠區(qū)，場(chǎng)景逼真、交互性強(qiáng)。學(xué)生在仿真工廠中可實(shí)現(xiàn)多人聯(lián)合操作，分別分配不同人物角色，進(jìn)行冷態(tài)開停車、監(jiān)控和操作，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)操能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和化工安全意識(shí)，提升學(xué)生化工綜合素質(zhì)。

（三）評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新

軟件具有智能評(píng)分系統(tǒng)，可清晰查看各步驟操作得分與失分點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生正確操作意識(shí)，同時(shí)對(duì)學(xué)生掌握程度進(jìn)行客觀有效評(píng)價(jià)

（四）對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

真實(shí)的工廠化情景，先進(jìn)的媒體設(shè)備，理論與實(shí)踐相結(jié)合，線上與線下學(xué)習(xí)相結(jié)合，虛實(shí)結(jié)合，提供了豐富多樣的現(xiàn)代化教學(xué)手段，使學(xué)生在校內(nèi)就能進(jìn)行“工廠化”的上崗操作，解決了化工廠實(shí)習(xí)過(guò)程只能看、不能動(dòng)的缺點(diǎn)，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力以及“厚實(shí)踐、強(qiáng)創(chuàng)新、顯個(gè)性”的綜合素質(zhì)，為我?；ゎ惾瞬诺呐囵B(yǎng)注入動(dòng)力。