應(yīng)用型本科高校化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)探索
——以徐州工程學(xué)院為例

王 菊，堵錫華，史小琴，莊文昌

(徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221111)

應(yīng)用型本科高校化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)探索
——以徐州工程學(xué)院為例

王 菊*，堵錫華，史小琴，莊文昌

(徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221111)

化工行業(yè)的高溫高壓、易燃易爆、有毒有害的高危險性、化工企業(yè)的事故頻發(fā)以及化學(xué)化工類專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)參與度低、實(shí)習(xí)效果差等種種因素，都在迫切要求化學(xué)化工類本科院校在培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才工程實(shí)踐能力的過程中，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)。本文通過對化學(xué)化工類本科高校及高職院校的調(diào)研，針對徐州工程學(xué)院"地方性、應(yīng)用型"的辦學(xué)定位，從仿真實(shí)訓(xùn)中心及半實(shí)物仿真工廠兩個方面入手，探索了適用于地方應(yīng)用型本科高校化學(xué)化工類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)之路。

虛擬仿真技術(shù)；應(yīng)用型本科高校；半實(shí)物仿真工廠；仿真實(shí)訓(xùn)中心

作為蘇北地區(qū)一所地方普通本科高校，徐州工程學(xué)院堅(jiān)持地方性、應(yīng)用型的辦學(xué)定位，堅(jiān)持"立足徐州、面向蘇北、服務(wù)江蘇"的服務(wù)定位和為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的辦學(xué)目標(biāo)。如何實(shí)現(xiàn)專業(yè)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對接，成為我校在創(chuàng)新應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)過程中的一大難題。

化工行業(yè)以復(fù)雜的巨大設(shè)備和高度密集的聯(lián)合體為基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出生產(chǎn)規(guī)模日益增大、投資消耗日益增長、自動化程度日益提高的趨勢，生產(chǎn)過程連續(xù)不可逆，并存在高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等高危險性。僅在2015年就連續(xù)發(fā)生了一個又一個化工行業(yè)的慘痛事故：2015年4月21日，南京揚(yáng)子石化廠區(qū)乙二醇裝置發(fā)生爆炸；6月13日南京化工園區(qū)德納化工廠發(fā)生火災(zāi)并爆炸，4人嚴(yán)重灼傷； 8月12日天津港危險化學(xué)品倉庫爆炸造成110多人死亡，70多人失聯(lián)； 8月31日山東東營濱源化學(xué)有限公司爆炸，致13人死亡； 10月23日山東平邑縣一化工廠爆炸，致9人遇難，2人受傷；11月17日撫順市高新區(qū)伊科思化工廠發(fā)生爆炸。正是由于化工行業(yè)的高危險性，企業(yè)出于安全性考慮，更加限制學(xué)生生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)習(xí)的時間與空間范圍，要求學(xué)生不準(zhǔn)動、不準(zhǔn)碰，不準(zhǔn)“越雷池一步”，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)習(xí)的參與度低、實(shí)習(xí)效果差。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)和信息化技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[1-3]。天津大學(xué)、華東理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、常州大學(xué)等學(xué)校已率先開展大型化工過程虛擬仿真實(shí)踐中心建設(shè)。化工虛擬仿真實(shí)踐中心將書本中平面流程立體化，將單元操作的流程、實(shí)驗(yàn)操作視頻和實(shí)驗(yàn)原理動畫等信息生動逼真地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生在高逼真的虛擬場景中可漫游和自由穿行，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動，大大豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[4-5]。

國內(nèi)很多高職院校，在半實(shí)物仿真工廠的建設(shè)上做得很好。我們走訪過的高職院校，如：揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，分別選擇常減壓工藝及甲醇合成與精制工藝作為半實(shí)物仿真工廠建設(shè)內(nèi)容，將半實(shí)物仿真工廠的建設(shè)與區(qū)域行業(yè)發(fā)展、專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)緊密結(jié)合，這些經(jīng)驗(yàn)是非常值得應(yīng)用型本科高校學(xué)習(xí)的。

在以“大應(yīng)用觀、大工程觀、大生活觀、大文化觀”為引領(lǐng)的背景下，徐州工程學(xué)院作為一所地方應(yīng)用型本科高校，如何結(jié)合綠色化工技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才，成為綠色化工技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)過程中需要認(rèn)真思考、努力探索的首要問題。

1 在實(shí)訓(xùn)中心的建設(shè)上

實(shí)訓(xùn)中心的建設(shè)包括硬件建設(shè)和軟件群建設(shè)兩個方面。硬件建設(shè)包括環(huán)形屏幕、3D投影、計(jì)算機(jī)、局域網(wǎng)服務(wù)器、交換機(jī)、空調(diào)、學(xué)生桌椅等設(shè)備。硬件建設(shè)需滿足學(xué)生時時能學(xué)、處處能學(xué)的特點(diǎn)，在這里不做過多的說明。

實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)的核心是軟件群建設(shè)。國內(nèi)很多化學(xué)化工類高校，如：華東理工大學(xué)、常州大學(xué)、北京化工大學(xué)、天津大學(xué)、青島科技大學(xué)，建立了完整的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)體系，非常值得我們借鑒。以常州大學(xué)為例，常州大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心建立了原料儲存與運(yùn)輸、化工單元實(shí)訓(xùn)、化工工藝流程培訓(xùn)、化工安全與環(huán)保等培訓(xùn)環(huán)節(jié)，能夠完整地、系統(tǒng)地對學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐能力的培訓(xùn)。

在建設(shè)應(yīng)用型本科高校化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的過程中，針對我校地方性、應(yīng)用型的辦學(xué)定位，結(jié)合徐州地區(qū)鹽化工的特點(diǎn)，我們設(shè)置了化工單元過程實(shí)訓(xùn)、工藝流程培訓(xùn)、化工安全與環(huán)保培訓(xùn)、化工過程設(shè)計(jì)與模擬實(shí)訓(xùn)等四大實(shí)訓(xùn)板塊，旨在通過四大實(shí)訓(xùn)板塊實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)。

第一部分：化工單元過程實(shí)訓(xùn)

資源形式：化工單元過程實(shí)體裝置+三維仿真軟件+網(wǎng)上3D預(yù)習(xí)系統(tǒng)。

化工單元過程實(shí)訓(xùn)涵蓋“流體阻力”、“離心泵”、“過濾”、“傳熱”、“吸收”、“精餾”、“干燥”、“萃取”、“浸取”、“膜分離”、“離子交換”、“結(jié)晶”、“增、減濕”等單元操作3D仿真軟件以及固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、連續(xù)釜式反應(yīng)器、加熱爐、電動往復(fù)壓縮機(jī)、蒸汽透平壓縮機(jī)等3D仿真軟件。

網(wǎng)上3D化工單元過程操作實(shí)訓(xùn)可實(shí)現(xiàn)功能有：學(xué)生可以不受時間限制，隨時進(jìn)行在線瀏覽，完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)工作；可以在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中再次觀看實(shí)驗(yàn)視頻，比較自己操作是否規(guī)范，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的討論，找出數(shù)據(jù)不合理的原因；在觀看實(shí)驗(yàn)報告樣本之后，可以深入了解實(shí)驗(yàn)報告的格式和深度要求，并能了解數(shù)據(jù)的示例計(jì)算和作圖的過程；可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動，將枯燥的實(shí)驗(yàn)變得趣味性和人性化；可以為實(shí)驗(yàn)學(xué)時數(shù)較少專業(yè)的學(xué)生提供良好的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，拓展知識面。

第二部分：工藝流程培訓(xùn)

化工產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)工藝各不相同，選擇典型的、有代表性的、有較強(qiáng)適應(yīng)性的鹽化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝作為流程級、規(guī)模化實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)訓(xùn)載體是至關(guān)重要的。因而，中心選擇無機(jī)化工、煤化工、有機(jī)化工、高分子、石油化工、生物化工等等方面典型的工藝進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)與建設(shè)，擬建鹽化工工藝仿真軟件群，包括合成氨工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件、甲醇合成和精制工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件、均苯四甲酸二酐工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件、聚氯乙烯工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件、常減壓工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件、硝基苯催化加氫制苯胺3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件、啤酒生產(chǎn)工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件，其中硝基苯催化加氫制苯胺3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件可與硝基苯催化加氫制苯胺半實(shí)物仿真工廠配套使用。

第三部分：化工安全與環(huán)保培訓(xùn)

(1)硝基苯催化加氫制苯胺認(rèn)識實(shí)習(xí)3D仿真軟件

資源形式：3D仿真軟件+校園網(wǎng)運(yùn)行

該軟件與硝基苯催化加氫制苯胺半實(shí)物仿真工廠配套使用，操作者在開、停車操作中可以掌握正常情況下各設(shè)備的操作要點(diǎn)，提高對工藝的理解；通過精細(xì)操作如操作閥門、查看儀表、開啟消防栓等實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)的控制；在事故操作中可以掌握事故處理辦法及流程，加深操作者對于安全預(yù)案的理解。

(2)典型污水處理廠AAO工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真軟件

資源形式： 3D仿真軟件+校園網(wǎng)運(yùn)行

該軟件通過逼真的3D現(xiàn)場操作和中控室DCS控制操作的模式完成正常工況巡檢、出水總氮超標(biāo)、出水總磷超標(biāo)、出水COD超標(biāo)、反應(yīng)池曝氣量調(diào)節(jié)、內(nèi)回流的調(diào)節(jié)、SVI調(diào)節(jié)等培訓(xùn)內(nèi)容，使學(xué)生掌握AAO工藝常見問題的解決辦法，加深對AAO工藝及工程的理解。

第四部分： 化工過程設(shè)計(jì)與模擬實(shí)訓(xùn)

資源形式： 化工過程設(shè)計(jì)與模擬開發(fā)軟件

化工過程設(shè)計(jì)與模擬軟件主要用于化工生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)、模擬、故障診斷和管理、化工過程生產(chǎn)所涉及的原料及產(chǎn)品性質(zhì)的模擬與計(jì)算，包括ASPEN PLUS、VASP及LAMMPS等軟件。通過對化工過程設(shè)計(jì)與模擬的實(shí)踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)過程，學(xué)生能較熟練的掌握單元操作設(shè)計(jì)、工段設(shè)計(jì)、工藝流程設(shè)計(jì)以致化工廠整體設(shè)計(jì)，進(jìn)行化工過程物料消耗評價、能量消耗評價、經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價、環(huán)境評價等計(jì)算，加深對化工過程設(shè)計(jì)與安全系統(tǒng)工程的認(rèn)識。

以化工設(shè)計(jì)課程為例，此課程將硝基苯催化加氫制苯胺3D軟件提供的工藝流程為案例展開教學(xué)。以正常初態(tài)工況為例講解工藝路線，以軟件提供的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)作為物料衡算的實(shí)例，以軟件提供的動態(tài)數(shù)據(jù)作為流程及操作參數(shù)優(yōu)化的實(shí)例，以軟件提供的真實(shí)工廠實(shí)景為資源彌補(bǔ)學(xué)生工廠實(shí)際認(rèn)知的不足，幫助學(xué)生理解設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與構(gòu)筑物、設(shè)備與管道的關(guān)系，認(rèn)識管廊、管架、設(shè)備、公用工程等外觀形貌，開展案例教學(xué)及情景教學(xué)。

2 在仿真工廠的建設(shè)上

“硝基苯催化加氫制苯胺半實(shí)物仿真工廠”的建設(shè)是以現(xiàn)代大型石化生產(chǎn)中的典型生產(chǎn)工藝生產(chǎn)流程為依據(jù)，采用合理體現(xiàn)主要工藝流程，同質(zhì)按比例縮小裝置外形，簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，配套先進(jìn)的DCS系統(tǒng)、仿真軟件和真實(shí)動設(shè)備等措施，建成一座校內(nèi)工廠化的現(xiàn)代化工生產(chǎn)實(shí)體仿真實(shí)訓(xùn)裝置。

硝基苯催化加氫制苯胺半實(shí)物仿真工廠建設(shè)內(nèi)容包括：1)硝基苯催化加氫制苯胺仿真軟件(與硬件實(shí)訓(xùn)實(shí)操設(shè)備配套)；2)中控室設(shè)備；3)實(shí)訓(xùn)實(shí)操設(shè)備。其中，實(shí)訓(xùn)實(shí)操設(shè)備必須包括硝基苯催化加氫制苯胺實(shí)物裝置和仿真檢測儀表兩部分。其功能要求體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)實(shí)訓(xùn)裝置主體在常壓、常溫下運(yùn)行，無各類安全隱患，無污染，實(shí)訓(xùn)成本低廉。整個裝置配套建設(shè)一套功能全面的可仿真模擬的先進(jìn)DCS系統(tǒng)和工藝仿真軟件，進(jìn)行硝基苯催化加氫制苯胺生產(chǎn)工廠裝置開停車、運(yùn)行、故障處理過程中的調(diào)節(jié)、操作、監(jiān)控等高仿真實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。

(2)整個實(shí)訓(xùn)裝置可滿足硝基苯催化加氫制苯胺生產(chǎn)的實(shí)體仿真操作培訓(xùn)與考核，包括工藝培訓(xùn)、DCS培訓(xùn)、事故及安全應(yīng)急預(yù)案(連鎖)培訓(xùn)等多種培訓(xùn)與考核內(nèi)容。

(3)系統(tǒng)集成知識點(diǎn)管理系統(tǒng)支持移動終端(筆記本、平板、手機(jī)等)對設(shè)置于裝置現(xiàn)場、實(shí)訓(xùn)展板、實(shí)訓(xùn)手冊等載體上知識點(diǎn)的訪問。

(4)設(shè)置精餾塔突發(fā)泄露著火情節(jié)，精餾塔的爆炸，以及中毒人員的救治等事故應(yīng)急處理實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。實(shí)訓(xùn)時，將人員分工為中控操作人員、現(xiàn)場工人、應(yīng)急救援隊(duì)員、值班長等，并佩戴安全帽、防毒面具、手套等個人防護(hù)用具，進(jìn)行泄漏、著火、爆炸事故過程的緊急預(yù)案以及逃生過程訓(xùn)練，讓學(xué)生能夠身臨其境的熟練進(jìn)行化工生產(chǎn)安全操作和常見事故處理，培養(yǎng)學(xué)生對化工安全的認(rèn)識和事故應(yīng)急處理能力。

3 結(jié)論

通過借鑒化學(xué)化工類本科高校及高職院校建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的寶貴經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我校的"地方性、應(yīng)用型"的辦學(xué)定位，探索了適合于應(yīng)用型本科高校化學(xué)化工類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)之路。在仿真實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)上，針對"立足徐州、面向蘇北、服務(wù)江蘇"的服務(wù)定位和為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的辦學(xué)目標(biāo)，設(shè)置仿真實(shí)訓(xùn)體系；在仿真工廠建設(shè)上，選擇硝基苯催化加氫制苯胺半實(shí)物仿真工廠，實(shí)現(xiàn)工藝培訓(xùn)、DCS培訓(xùn)、事故及安全應(yīng)急預(yù)案(連鎖)培訓(xùn)等高仿真實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。

[1] 李 平,毛昌杰,徐 進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(11): 5-8.

[2] 王衛(wèi)國. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32 (12) : 5-8.

[3] 宋象軍. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2005, 22 (1) : 35-37.

[4] 馬文頂, 吳作武, 萬志軍等. 采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014, 31(9) : 14-18.

[5] 宋建爭, 李建軍, 張永強(qiáng). 化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J]. 教學(xué)研究，2014, 37(3) : 107-109.

(本文文獻(xiàn)格式：王 菊*，堵錫華，史小琴，等.應(yīng)用型本科高校化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)探索——以徐州工程學(xué)院為例[J].山東化工，2016，45(08)：118-120.)

Construction Exploration for Virtual Simulation Laboratory of Chemistry and Chemical Engineering in Applied Universities——in Xuzhou Institute of Technology Case

Wang Ju, Du xihua, Shi xiaoqin, Zhuang Wenchang

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111，China)

Virtual simulation laboratory construction is the urgent needs of training students' engineering practice ability for chemistry and chemical engineering universities, due to the characteristics of chemical industry with the high temperature, high pressure, explosive, toxic risk, and low participation in student internships. In this paper, the virtual simulation laboratory constructions of some universities and higher vocational schools have been investigated. And the virtual simulation laboratory construction of chemistry and chemical engineering has been studied, especially the simulation training center and HILS factory.

virtual simulation technology；applied university；HILS factory；the simulation training center

2016-03-10

基金項(xiàng)目: 徐州工程學(xué)院高等教育科學(xué)研究課題(YGJ1544)

王 菊(1979—)，女，講師，博士，主要從事化工過程虛擬仿真研究。

G642.0

A

1008-021X(2016)08-0118-03