化工虛擬仿真實驗教學探索與實踐

宋建爭+李建軍+張永強

[摘 要] 分析了化工虛擬仿真實驗教學中心建設的意義。介紹了燕山大學環境與化學工程學院虛擬仿真實驗教學中心的建設內容，闡述了化工實踐教學應融合教學、實訓、實習、科研及技術服務等功能于一體的觀點，對虛擬仿真實驗教學中心的發展進行了思考。

[關鍵詞] 化工實踐教學;虛擬仿真;實驗教學;校企合作

[中圖分類號] G642.4 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）03-0107-03

0 引言

隨著計算機和網絡技術的不斷發展，虛擬仿真技術日益成熟，使得借助虛擬裝置設備進行實驗教學成為可能，半實物、全數字化動態模型及3D虛擬現實仿真技術能將傳統化工裝置的硬件功能軟件化，這給實驗教學帶來了深刻的變化[1-3]。根據《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》中提出的“加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設，重點建設一批國家級實驗教學示范中心、國家大學生校外實踐教育基地、高職實訓基地”精神，燕山大學環境與化學工程學院在校內化工實訓基地建設基礎上，對虛擬仿真實驗教學中心的建設進行了必要的改革與探索。

1 化工虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性

化工實踐教學是化工專業教學的重要組成部分。在計算機技術和自動化技術迅猛發展和廣泛普及的情況下，虛擬仿真技術的發展可以滿足化工專業學生對應用性實踐教學的要求[4-8]。利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實訓基地，其“設備”與“部件”多是虛擬的，可以根據需要隨時生成新的設備。半實物、全數字化動態模型及3D虛擬現實仿真技術，可以深層次地揭示教學內容，為學生提供安全、經濟的離線培訓條件。而且，培訓內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發展。同時，虛擬現實的交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環境中去，這非常有利于學生的技能訓練。虛擬仿真實踐訓練通過模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現象處理，利用計算機真實地再現生產中的化工單元過程，使學生不出校門就可以操縱與管理生產中流量、溫度、壓力、液位、組分等數據的生成及變化，在非常逼真的操作環境中進行訓練，達到既能對生產實際有一定的認識，又能親自動手進行參數設置，更全面、具體和深入地了解不同的生產單元的操作過程和注意事項，使學生更深刻理解并能綜合應用所學的專業知識，培養學生分析和解決生產操作中各種問題的能力。

2 虛擬仿真實驗教學平臺的建設與實踐

燕山大學化工虛擬仿真實驗教學中心，是以燕山大學省級化學實驗教學示范中心為依托建立起來的。目前已經用于仿真實習、化工實訓、認識與調研實習、化工原理仿真實驗、專業課程設計、畢業設計、大學生科研立項等教學實踐環節，并將上述環節有機結合在一起，構建了由課程教學演示型、仿真操作型、實訓綜合型、設計型、科研創新型5個層次的虛擬仿真實驗結構體系，如圖1所示。

2.1 課程教學演示型

該類內容是使用購買的北京東方仿真軟件公司的“化工原理實驗”仿真軟件及多媒體素材庫，以豐富的資料展示實際教學過程。真實直觀的仿真界面，不僅極大地吸引了學生的注意力，激發了學習興趣，而且加深了對化工相關專業課基本原理的掌握。

2.2 仿真操作型

此類內容使用了“雙塔精餾實驗仿真系統”、“乙苯塔精餾實驗仿真系統”、“聚丙烯聚合工段仿真軟件”、“通用流化床3D虛擬現實仿真軟件”等仿真系統，學生根據化工仿真實習指導書給出的工藝流程、操作步驟和工藝參數，在計算機上進行DCS控制風格的仿真模擬，學生可以在局域網內的學生站練習模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現象處理，教師可以通過與局域網互聯的教師站實時規定或修改學生的培訓內容、組織考試、匯總學生成績等，彌補了傳統實習學生無法親自動手操作的不足，真實地再現化工生產中的化工單元過程，圖2為聚丙烯聚合工段DCS總貌圖。在“通用流化床3D虛擬現實仿真軟件”中，引入了3D概念仿真苯胺裝置精餾塔燃燒事故，比較清晰地表現現場路徑和設備操作細節，增加了操作的現場感，更加貼近實際操作，并對安全預案的處理進行逼真模擬，使安全培訓得到強化，如圖3所示。在虛擬的化工生產環境中，師生借助計算機自然高效的仿真系統中的工藝流程、設備、分析數據等進行實時交互作用、相互影響，使教師和學生感到自己置身于一種特殊的環境中而產生了親臨真實企業的感受和體驗。

2.3 實訓綜合型

該類項目內容由化工流動過程綜合實驗裝置、填料塔精餾實驗裝置、化工傳質單元實驗平臺、化工傳遞過程實驗裝置、化工生產工藝流程優化實驗裝置等多臺化工實驗設備組成。這些實訓項目使學生對化工過程基本原理和工程實踐之間建立緊密聯系，幫助學生樹立工程實踐概念。例如“化工生產工藝流程優化實驗裝置”，是通過聯機仿真DCS控制系統進行“聚醋酸乙烯酯”的生產操作及各項工藝參數控制，幫助學生在掌握“三傳一反”基本原理基礎上，對聚醋酸乙烯酯生產過程中的反應器、換熱器、精餾塔、氣液分離器、聚合反應釜等化工單元有綜合的理解。通過仿真操作不僅可完成對化工生產裝置實際操作的訓練，實現理論與實踐的統一，而且對學生專業實踐技能有很大提升。

2.4 設計型

此類項目要求學生運用已學的專業基礎知識，根據教師指定的設計任務，獨立完成化工原理課程設計、專業課程設計以及畢業設計等環節，是對學生獨立思考、分析和解決問題能力的進一步訓練。例如在“聚醋酸乙烯酯合成工段工藝”設計題目中，學生可以根據教師給定的設計任務自由選擇醋酸乙烯酯反應器、醋酸乙烯酯精餾塔或聚合反應釜等生產單元，確定設計方案，在完成設計任務后，可以利用聚醋酸乙烯酯生產工藝流程優化裝置，通過實驗驗證工藝設計參數。

2.5 科研創新型

該類教學是針對學有余力的優秀學生或研究生，幫助其提高創新能力的訓練，鼓勵他們自主創新，提出若干具有挑戰性的問題，參加國內外創新競賽，申請并完成創新項目等。例如學生在教師指導下，組成創新小組，完成了“基于Aspen plus 軟件的聚醋酸乙烯酯生產工藝優化計算”、“平推流與全混流反應器系統仿真開發”等項目。

3 虛擬仿真實訓中心建設發展的幾點思考

3.1 加強校企合作，建設資源共享的化工虛擬仿 真實驗中心

校企合作是現代高等教育實施技能型人才培養的一種重要途徑和方法。學校在化工虛擬仿真實驗教學平臺建設中，和中國―阿拉伯化肥有限公司以及秦皇島華瀛磷酸有限公司建立了長期的合作關系，全方位實施校企合作，除了采購北京東方仿真軟件技術有限公司的仿真軟件之外，還通過校企合作，由教師、企業工程技術人員和計算機仿真技術人員聯合設計開發與之相應課程配套的仿真軟件，保障實驗實訓教學的實施，并為校企合作開展職業培訓奠定資源優勢。積極推進與企業聯合共建實驗室、與企業聯合設置獎學金，并把企業研發部門的部分工作職責“請”進學校，在中心建立企業研發分部。實現專業實驗與科學研究、工程實際、社會應用有機結合。

3.2 充分利用學校優質教學資源，提升教學與培 訓水平

現代化工生產特征是生產裝置大型化、生產過程連續化和過程控制自動化。化工行業對操作人員的理論知識水平、操作技能水平及其綜合素質要求越來越高，利用學校的優質教學資源，教學經驗豐富的教師，對企業員工進行培訓，可以大大提高企業培訓水平。虛擬仿真實驗教學平臺的信息化、網絡化為提高企業培訓水平提供了便利條件。在未來校企共建方面，虛擬仿真實驗教學的發展方向是依托于校園網門戶網站，提供虛擬仿真實驗資源的遠程共享、遠程培訓與遠程操作，提高培訓水平，拓展實踐教學領域。

3.3 通過虛擬仿真實訓教學平臺，加強學生實踐 能力培養

采取虛擬工廠情境與實際工廠生產相結合的實踐教學模式，使學生從虛擬“生產事故”和工廠安全生產實踐中體會到企業的工作環境和生產管理過程，為充分發揮學生的積極性和創造性，培養學生獨立思考、靈活運用所學基本理論知識分析問題和解決問題的能力，計劃采取實訓教師、學生全程參與項目設計與建設的方法，讓教師和學生分別承擔相應員工角色共同進行實訓作業演練，將教師教學、人才培養和科研開發三者真正有機結合，使學生的培養方式更加豐富化，培養內容更加實用化。并引進企業高級工程師或組織實訓教師到對口企業培訓，在提高教師實踐教學經驗的同時，提高學生的實踐技能水平和現場生產管理水平。

4 結束語

在化學化工虛擬仿真實驗教學中心建設過程中，將化工實訓基地項目、化工原理課程仿真實驗資源、化工仿真實習教學資源與虛擬仿真實驗教學資源整合到一起，構建了由課程教學演示型、仿真操作型、實訓綜合型、設計型、科研創新型所組成的虛擬仿真實驗結構體系。通過多個教學模塊的有機組合，實現了虛擬仿真實驗教學資源功能化、結構平臺開放化。未來將進一步補充和完善學院的仿真實驗平臺建設，提升虛擬實驗教學層次。

參考文獻

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