關于化工仿真與實際操作結合的實訓模式研究

胡孝貴　謝素雯　羅六保　陳水木

摘要：根據化工專業的特點，結合仿真技術的優勢，闡述了在實踐教學中提出的“實操+仿真+實操”、“仿真+實操+仿真”和“參觀+仿真+實操”等仿真與實操有機結合的三種模式和成功搭建化工實訓平臺的途徑。

關鍵詞：化工；實際操作；實訓模式；仿真

高職教育是我國高等教育體系的重要組成部分，其目的是要培養面向生產、建設、管理、服務第一線需要的實踐能力強和職業素質高的高技能人才。為此，在高職教育中實踐教學顯得尤其重要。如何結合實際情況建設實訓基地、搭建實訓平臺，是擺在專業建設面前至關重要的問題。

化工專業實訓基地建設面臨的問題

因專業的特殊性，化工專業校內生產性實訓基地的建設面臨著重重困難，原因主要有：化工生產條件比較苛刻，如需高溫、高壓等；所涉及的物料常是有毒、有害、易燃、易爆的；化工生產裝置比較復雜，體型較龐大，占場地，且對場地的條件要求較多，建設費用較高；化工生產中環保問題較為突出，必須有解決“三廢”的技術、方法、措施和資金等；化工生產操作中危險性較高，有些化學反應存在著不確定因素，有些生產工藝條件異常苛刻。所以，如何建設校內生產性實訓基地這一問題，困擾著眾多化工類院校。

即便建成了一定規模的化工專業實訓基地，一般也存在著下列問題：同樣型號的設備不會有多臺，“粥少僧多”，難以滿足大量學生實踐教學的需要，以致學生實訓有效時間不足；化學反應介質一般在封閉的不透明的管道中或在塔器中運行，學生無法觀察介質的變化，造成學生對化工生產過程的原理只能一知半解；教學時，在復雜儀器設備面前教師的示范操作很難讓每個學生看清，每個學生的操作又很難讓教師顧及，教學效果不理想且存在著安全隱患。

另外，學生到校外化工廠實習，也存在著一定問題。比如，工廠對生產中非常重要的環節——開車、停車操作非常慎重，不會隨意讓學生介入進行相應訓練；工廠是以完成生產任務、獲得效益和保證安全為目的，不會因學生實習而調整生產工藝條件或改變原料產品種類，一般只允許學生看而不允許學生動手。這樣，實習效果會大打折扣。

因此，化工專業學生要進行“實操”會碰到一些困難。那么，學生的職業技能如何得以訓練呢？考慮到化工生產過程越來越連續化、自動化，計算機控制越來越普及，為此“仿真”訓練將是一種非常好的方式。

仿真訓練的特點

化工仿真技術是指以計算機為工具，用實時運行的動態數學模型代替實際設備、實際工廠，用鍵盤、鼠標模仿實際操作，集計算機技術、多媒體技術、自動控制技術、圖形圖像技術、數據庫技術、化工專業技術于一體的一門技術，可再現一個化工生產過程，可模擬生產中流量、溫度、壓力、液位、組成等數據的生成或變化，可人為地模擬生產事故或故障，可使學生得到非常逼真的操作環境，可安全地糾正學生的錯誤，提高學生的安全意識，可針對實際情況引導學生思考、分析及解決問題等。仿真技術的發展為高職實踐教學提供了廣闊的空間。

仿真訓練的主要優點有：（1）利用學生愛玩電腦的特點，在電腦上進行模擬訓練，在電腦上實現人機對話，所以，仿真訓練具有得天獨厚的優勢。而且，人機界面友好、絕對一視同仁，具有較強的親和力和交互功能，能吸引學生注意力和發揮學生主動性，從而有利于提高學生實習效果。（2）仿真軟件移植性強、擴展性好，易進行升級和完善。仿真軟件中內容可及時更新，能做到與專業技術實際發展同步。（3）仿真軟件中具有工況凍結、參數設定、時標設定、成績評定、趨勢記錄、報警記錄、儲存加載等技術，這樣，便于教師采取靈活的教學方法和不同的測評方式訓練和考核學生。這是在實操中難于做到的。（4）仿真軟件中可設定各種故障、極限運行狀態等，以鍛煉學生處理復雜問題的能力和識別事故、排除事故、解決事故的能力。這也是在實操中難于做到的。（5）利用軟件技術可反復進行開車、停車訓練，可觀察和解讀生產過程中發生的一些變化，能強化知識的理解和彌補課堂教學的不足，能形象生動展現實驗原理、工藝流程、設備結構等。若發現自己對某一操作步驟難于掌握時，可利用軟件的“快門記錄”和“重演記錄”功能，反復對這一步驟進行練習，直到掌握為止；而每次操作不必將全過程重做一遍，節省了時間、提高了效率。這更是在實操中難以做到的。（6）在計算機上進行化工生產虛擬操作安全性強，不會造成人身危害、設備破壞、環境污染等，不用擔心學生操作失誤所造成的影響；仿真軟件又能真實模仿生產操作，而且還可模擬生產事故進行反面教育。實訓項目不受操作難度、危險程度、風險系數、投資費用、成本消耗等影響。（7）可節省開支，如節省設備運行費、物料能量消耗費、學生下廠經費等；運行成本低廉，實訓時間易于控制，設備易于維修，內容易于擴充等。

所以，仿真訓練對學生的學習很有效，對提高學生實踐技能和職業素養很有用，就像飛行員的訓練并非總是在空中實練一樣，仿真訓練已成為一種國際公認的高效的現代化教學手段。在已開展的多屆“全國石油和化工院校學生化工總控工技能大賽”中，其中有一項重要的比賽項目就是“化工仿真操作”。仿真訓練已成為化工專業實踐教學的極其重要方式。

但是，“仿真”畢竟是仿真，其所起的作用有限，本身也存在著一些局限性：缺乏現場感，無法產生真實的臨境感受；模型精度不高，仿真技術有待進一步提高；訓練時，學生機械地點擊或敲擊，有“玩游戲”之嫌。仿真操

作不能完全代替實操。

搭建仿真與實操有機結合的化工實訓平臺

從以上分析可知，“實操”很重要但實施有困難，“仿真”有很多優勢但存在局限。為此，“實操”與“仿真”有機結合，這才是方向。下面介紹在化工專業中如何搭建仿真與實操有機結合（三段式）的實訓平臺。我們的做法是，將化工專業實踐教學內容（涉及仿真訓練的內容）劃分成三個模塊，按照每個模塊的情況采用不同的“三段式”實踐教學模式，有的先實操、然后仿真、再實操，有的先仿真、然后實操、再仿真，有的先參觀、然后仿真、再實操。在仿真中理解，在實操中鞏固，在反復訓練中升華。通過仿真訓練與真實操練有機結合，既充分發揮了“仿真”的優勢，又克服了化工專業實訓基地建設的困難；通過仿真訓練與真實操練有機結合，既為學院節省了辦學成本，又明顯提升了學生職業能力訓練的有效性。

化工原理實驗模塊：采用“實操+仿真+實操”三段式這一模塊具體內容主要有：流體阻力系數測定、離心泵特性曲線測定、流量計的認識和校核、傳熱實驗（水—蒸汽）、精餾實驗（乙醇—水）、吸收實驗（氨—水）、干燥實驗、過濾實驗等八個方面。這一模塊實驗設備較簡單，搬運和安裝也較方便，技術成熟、裝置成套，為此，我們建有“化工原理實訓室”，其設備先進、裝置齊全。化工原理實驗也是化工專業最為重要的實踐教學內容，其中包含的實踐技能是化工專業學生必須掌握的最基本技能，這一模塊也是其他兩個模塊的基礎。為此，這一模塊的訓練非常強調“實操”，而且有條件讓學生進行“實操”，所以采用“實操+仿真+實操”三段式訓練模式。第一階段的“實操”是指《化工原理》課程開設時摻入理論課教學中所做的實驗，是為理解每一個化工單元操作的基本概念、原理等而開展的。第二階段是“仿真”，使用專門的化工單元操作仿真軟件，在電腦上進行訓練。仿真訓練不受條件、成本、安全等限制，可反復訓練，可重復訓練，能更快地實現由初學者向熟練者過渡，并且易于實現等級篩選、過關考核，對合格者才可進行后面的操作。要動手先過仿真關，使后面的實操更安全、更有效、更快捷。第三階段就是為期兩周的“化工單元操作”實訓，是真刀真槍的訓練，全面地、系統地掌握化工單元操作技能，為學生樹立“系統工程”觀念，培養學生實踐動手能力、數據處理能力和事故突發應急能力等。

化工設備單元訓練模塊：采用“仿真+實操+仿真”三段式這一模塊具體內容主要有：離心泵單元、壓縮機單元、液體控制系統、管式加熱爐單元、換熱器單元、間歇反應釜單元、固定床反應器單元、流化床反應器單元等八個方面，總共實訓時間為4周。這一模塊以熟悉常見的化工生產設備為主，要求學生掌握這些設備的結構、原理、性能以及使用等；而這些設備種類多、用途廣，在化工生產裝置中與其他設備構成有機整體，以實現生產目的。我們采取的辦法是“工藝在仿真上練、設備在實物上看”，以仿真訓練為主，以仿真開始、以仿真結束，中間通過觀看具體實物加以感悟。比如，在實訓室擺放的各種各樣離心泵、壓縮機、流量計、換熱器和反應器等，以供第二階段“實操”時觀看，起到“眼見為實”的效果。在仿真訓練之后，看看其中涉及的一些實物，熟悉“實物”后再回到仿真軟件上“應用”。這樣，這一塊就不要過多投入資金，且實訓場地也易于建設。在仿真上練“工藝”，在實物上識“設備”，懂“工藝”知“設備”以達到教學目標。通過仿真訓練，可強化學生的研究性學習與探索性學習。學生在仿真過程中可深刻體驗所學設備的結構、性能、作用等，以達到對所學設備的駕馭和掌握，達到對常見化工設備胸有成竹的熟悉程度和舉一反三的作用，以提升學生以后學習和就業的自信度。這種自我信念和技能，能夠形成強大的沖擊波，促進與推動學生在專業技能方面的提高。

大型化工流程訓練模塊：采用“參觀+仿真+實操”三段式這一模塊屬于專業綜合性實習，難度大、要求高，時間為8周。針對這一部分，除少數學校在校內建有大型化工生產訓練裝置外，多數學校只能充分發揮校外實習基地的作用和校內仿真的功能。首先從下廠參觀開始，從感性認識起步，之后再仿真和實操。通過認知鍛煉，減少知識與技能向學生傳遞的阻力，啟動學生的心智，打開學生學習之門。通過下廠認識實習，可以了解各種設備的結構特點、空間幾何形狀，了解工藝過程組成、控制系統組成，了解管道走向、閥門位置，了解化工生產一些專業術語如盤車、連鎖等，使學生建立一個完整、真實的化工生產過程概念。又因之后要仿真，下廠實習時學生會有壓力、會更認真，雖是“走馬觀花”，但要“觀”細“觀”清，做到“有的放矢”。這就是第一階段“參觀”所應達到的目的。第二階段仿真的內容主要有：30萬噸合成氨工藝仿真、6萬噸乙醛氧化制醋酸工藝仿真、均苯四甲酸二酐工藝仿真和青霉素發酵工藝仿真等，所以，前期參觀的校外工廠主要是省內知名的化肥廠、精細化工廠和制藥廠等。第三階段的“實操”執行有一定難度，因為這一部分的實訓條件多數學校均較缺乏。解決的辦法：一是與前期參觀過的校外工廠協商，要求允許學生再次前往以能實打實地“實操”，因為他們通過“參觀”和“仿真”兩關，已具備“實操”的能力和水平。二是在頂崗實習時進行“實操”。若是能在校內建有相應的實訓裝置，則最為理想。比如，南京化工職業技術學院自籌資金一千多萬元建設了自己的化工綜合實訓平臺，能夠進行真實產品的生產，生產過程中包含氧化、水解、吸收、結晶、干燥等多個典型化工單元操作，安全性較高，可供學生現場實訓。又如，常州工程職業技術學院建有年產1000噸聚酯切片的生產(冷模)實訓中心，能同時滿足幾十名學生現場訓練。在校內建設大型化工生產裝置，既能滿足學生實訓，又能生產真正的產品，這正得到越來越多的學校和有關企業的關注。

通過探索和實踐，我們在化工專業的實踐教學中有效地、有機地將“實操”與“仿真”結合，針對具體情況構建了三種“三段式”訓練模式，為化工專業搭建了非常好的實訓平臺。我們既重視“仿真”，又強調“實操”，并處理好“仿真”與“實操”之間的關系，實施效果明顯。

參考文獻：

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作者簡介：

胡孝貴（1970—），男，江西興國人，江西應用技術職業學院應用化學系副主任，副教授，研究方向為化學應用技術、高職教育。