石油化工與裝備國家級虛擬仿真實驗教學中心的構建與實踐

李 傳， 王振波， 劉欣梅， 王麗飛， 嚴文娟， 李 軍(中國石油大學(華東) 化學工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

中國石油大學(華東)化學工程學院依據“一實二驗三平臺”的建設方針(見圖1)，將全院實驗、實訓教學資源進行整合共享，于2012年成立化學工程實驗教學中心，針對本科實驗教學和大學生創新實驗，搭建開放式實驗預約平臺、虛擬仿真實驗教學平臺和網絡實驗教學演示平臺，向全校開設實驗教學，并承擔面向社會的開放性實驗任務。自2013年教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來[1]，化學工程實驗教學中心結合自身特點，響應國家“虛實結合，能實不虛”的建設原則[2-3]，開始籌建石油化工與裝備虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱中心)，并于2014年獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心。借助該平臺，化學工程實驗教學中心可以更好地開展本科生和研究生的實驗、實踐教學工作[4-5]。

圖1 化學工程實驗教學中心建設方針

1 中心構建

1.1 建設的必要性

石油化工與裝備的實驗、實訓傳統教學存在3點主要問題：①石油化工的各項生產環境極端惡劣，大部分工作流程都是高溫、高壓下進行，具有不可視、不可及或不可逆、高風險、高消耗、高成本、高污染的特點，采用傳統“多看、多問、多想、不動手”的方法進行石油化工及裝備的實驗、實訓教學嚴重制約學生學習積極性，影響教學效果；②傳統的實驗、實訓教學是以固定實驗儀器為對象，以標準實驗方法為腳本，讓學生進行單一的重復性操作，不具備可視性、可變性，制約學生積極性和創新性的培養，教學空間的相對固定也不利于對企業員工進行技能培訓，限制輻射范圍；③石油化工工藝技術及裝備的更新換代非常迅速，傳統的實驗、實訓設備和方法往往不能緊跟石油化工發展的腳步，造成實驗、實訓教學內容與石油化工的實際發展需求嚴重脫節，不利于學生掌握石油化工前沿技術，影響學生的發展[6-8]。而中心的建設可以彌補傳統實驗、實訓教學的不足，并滿足國家高等教育的內涵式發展對學生實踐創新能力培養的進一步要求[9-10]。

1.2 總體思路

主動適應石油化工發展趨勢及技術特點對人才培養的新要求，堅持“科學規劃、資源共享、重點突出、效果為先、持續發展”的指導思想，以重點學科建設為支撐，以共享優質實驗教學資源為策略，以建設信息化實驗教學資源為重點，搭建系統、完善的石油化工與裝備虛擬仿真教學平臺，力爭培養能與國際石油化工接軌的、具有理論、實踐和創新完美融合的石油化工人才，確保中國石油大學(華東)人才培養始終走在我國石油化工高等教育前端。

1.3 建設方法

中心的虛擬仿真實驗、實訓教學依托虛擬現實、仿真裝備與多媒體技術，融合多種互動硬件與數據庫，對石油化工工藝流程及裝備的各個真實環節進行模擬仿真，形成了中心獨具特色的“三模式、四梯度、五結合”虛擬仿真實驗教學體系，如圖2所示。

圖2 “三模式、四梯度、五結合”虛擬仿真實驗、實訓教學體系

(1) 實驗教學3種模式。①虛擬實驗。采用虛擬現實技術對相關工藝過程及裝備進行計算機模擬，用虛擬工藝流程、設備等取代物理實物，將不可視的場景形成安全操作的二維或三維虛擬場景，實現對作業崗位職能及工藝的可視化模擬，通過中心機房及遠程聯網對校內學生及校外企業員工進行實驗、實訓技能培養。②仿真優化。采用實物仿真裝備和實訓軟件的混合體系架構，將石油化工裝備按一定比例制作，具備真實裝備所具有的相關結構、功能，通過學生親自操作和虛擬軟件過程功能的系統控制，實現操作者與仿真裝備、實驗系統的有效真實互動，進行多次、重復訓練，提高實踐動手能力。③實踐創新。以學生團隊為教學對象，以校內虛擬仿真實訓平臺及現場工程實訓基地為依托，采用虛擬工藝優化、仿真裝備調整、實體設備操作的手段，通過優化工藝條件、換熱網絡、改造設備等一切可能的方法達到優質產品生產。該模式可以升華學生技能培訓，提高學生學習積極性，極大地促進了學生創新思維的培養。

(2) 實驗、實訓教學4個梯度。①理論強化。進行石油化工工藝流程、操作條件等石油基本知識及相關設備、原理等的講解，完成基本理論實驗操作和實驗結果分析，強化學生專業基本理論知識的掌握與理解，為后續學習和工作打牢基礎。②現場認知。在完成理論學習的基礎上，利用真實煉廠工藝及裝備，在現場工程師指導下，熟悉實際工藝及設備，完成理論知識與實際過程的融合與升華。③模擬仿真。在完成理論與實際融合的基礎上，借助大量仿真教學裝備和軟件，在室內進行石油化工工藝流程模擬、工藝優化、生產控制與裝備調整等各種仿真操作訓練，掌握與石油化工與裝備相關的實際操作技能，彌補在生產現場實踐過程中不能動手操作的不足。④工程實訓。依托中心真實的石油化工中試裝置及配套的相關仿真軟件對學生進行實訓，指導學生利用已掌握的理論和模擬操作知識，對各個石油化工工藝及裝備進行實際操作，通過調整條件、優化流程等手段，使學生利用原始物料，通過自身努力生產出優質產品；進而在生產現場輪崗實訓，強化技能，最終完成學生向技術人才轉變的培養目標。

(3) 實驗、實訓教學5個結合。①理論與實踐相結合。將石油化工工藝流程及裝備的理論知識學習與實驗操作和現場實際工藝實踐相結合，以理論知識指導實踐，實踐強化理論知識的掌握，實現理論與實踐的統一。②虛擬與現實相結合。虛擬仿真教學中特別注重“虛實結合、相互補充、以虛助實”，學生的虛擬仿真操作與實際生產工藝緊密結合，實現高度工業化仿真。③模擬與仿真相結合。中心的模擬軟件操作與中心的實體仿真設備相結合，能使學生將模擬結果進行實際驗證，為學生動手能力和創新能力的培養提供了良好條件，實現了模擬與仿真的零距離對接。④教學與科研相結合。中心的大部分科研項目都是從教學實際出發，開發的相關仿真教學裝備與軟件都很好地適應了教學需要，真正實現了產學研的緊密結合。⑤校內與校外相結合。通過實驗室共建、人才聯合培養、技術合作開發等與校內外相關單位密切交流與合作，實現了中心、企業、社會的三方共贏。

1.4 中心建制及管理模式

中心隊伍由專職教師、實驗技術人員和技術開發人員三部分構成，共有專兼職人員68人，其中專職人員58人、兼職人員10人。隊伍中正高職稱13人、副高職稱37人，博士44人、碩士18人。中心教學面向全校，是學校直屬教學單位，按照學院級建制。中心教學任務由教務處下達，教學設備及教學實驗儀器設施由學校國有資產與實驗室管理處統一管理。中心日常管理實行中心主任負責制，中心主任主管中心的全面工作，副主任分工負責訓練教學、實驗室建設、教學研究、科研開發、職業技能培訓等各項工作。

中心下設實訓教學部、教學研究部、科技創新部、裝備部和中心辦公室5個職能部門，全面負責中心的虛擬仿真實驗教學、教研、科研、創新等工作[11-12]，中心管理體制如圖3所示。

1.5 中心的運行、維護及經費保障

儀器設備是學校從事教學、科研等活動的重要前提和基礎。學校和中心制定了相關管理規章制度，采取有效措施，加以保障和維護。①根據“統一領導，分級管理，用管結合”的原則，建立嚴格的管理程序，實行“學校、中心、職能部門、實訓室(車間)”四級管理體系，提高儀器設備的完好率、使用率，更好地為教學、科研服務。②建立全方位開放運行機制。在中心協調安排下，大部分實驗項目從實驗內容、設備、時間、地點、人員等方面對學生全面開放，取得了良好的效果。③中心專門成立裝備部，具體負責設備的日常管理和使用。責任落實到人，分類型、分層次設立設備管理員，標掛設備管理負責人標牌，實行定人定機的管理形式，建立設備檔案和運行記錄，嚴格按照要求進行維護保養，每周都要對設備進行定期、不定期檢查，保持設備完好率。④在學校相關管理制度的基礎上，中心結合自身實際，制定詳盡的設備管理規定，從儀器設備的購置、論證、審批、采購、使用、維護直至報廢全過程進行監控和管理，實現了設備管理的制度化、規范化、標準化和信息化。⑤學校重視設備維護維修經費的保障，每年由教師申請教學基本建設項目專門用于教學正常運行和儀器設備維護維修。同時，中心也將教研、科研項目和技術服務收入，部分用于中心的教學儀器設備的維護維修，有效地保障了儀器設備99%以上的完好率，保證了教學、科研的正常進行。

圖3 中心管理體制

2 中心實踐

2.1 構建實驗、實訓教學模塊

中心結合教學需求和專業特點，以豐富的教學資源為基礎，建立了6個虛擬仿真實驗、實訓教學模塊，開設了52個教學項目，并結合完善的網絡及教學信息化平臺，不僅滿足了我校在校大學生的實驗、實訓教學及煉廠、設計院的職業技能技術培訓要求，而且實現了教學模塊的開放共享，為石油化工企業及相關高校的人員技能培訓提供了寶貴的資源。

(1) 石油化工虛擬仿真實驗、實訓教學模塊。石油化工過程工藝復雜，設備眾多，控制指標嚴格，操作困難，尤其是在開停工階段，稍有不慎就會造成重大損失。因此，仿真培訓已經成為石油化工企業新員工培訓的重要內容。讓學生參加石油化工操作過程的仿真培訓，可以使其更好地熟悉和了解石油化工工藝流程和操作特點，培養學生的工程實踐能力。

中心先后引進了Honeywell和東方仿真兩大運行平臺的煉油化工工藝仿真實訓軟件，并在此基礎上開發了部分石油化工模擬仿真教學軟件和培訓軟件，建立了石油化工工藝仿真實訓教學模塊。在本模塊中，Honeywell平臺包括常減壓、催化裂化、延遲焦化和催化重整4套煉油工藝；東方仿真平臺包括常減壓、重油催化裂化、聚丙烯、乙烯熱區分離、工業尾氣催化燃燒等煉油化工工藝。通過仿真實訓軟件，可以實現工藝過程的開停工、主要故障處理等與生產實際結合緊密的DCS界面操作訓練等。

(2) 煤化工虛擬仿真實驗、實訓教學模塊。從培養煤化工工程師的實踐能力及職業培訓需求出發，本著實用性與前瞻性相結合、理論知識學習與職業技能培訓相結合、實訓裝備的硬件與技能訓練仿真軟件相結合的思想，對現代煤化工工藝過程、動態操作、煤化工正在使用的自動化檢測傳感執行裝置及國內先進的DCS控制系統進行仿真模擬，以培養能夠適應當前及未來煤化工企業所需要的各類技術人員，滿足煤化工工業建設與生產的需要。

該模塊在真實完整體現實際工業流程的基礎上，強化重要工序、重要設備，并利用東方仿真培訓軟件進行合成氨、甲醇合成與精制、甲醇制二甲醚、水煤漿加壓氣化制水煤氣、廢棄物熱力氧化焚燒工藝的流程模擬培訓，真實再現實際工業流程狀態和數據實現，實時準確模擬工藝現場故障模擬真實化。學生可對設備進行實際操作滿足實踐實習要求，既能使學生了解和掌握正常工況下各類設備的操作和維護，能進行裝置開車準備、開車、正常操作、停車、設備維護等方面的技能操作訓練、工藝指標控制操作技能訓練，又能通過安全手段設置各類故障使學員能夠處理各類緊急狀況動手進行生產過程操作、分析、排除工業生產過程故障。

(3) 裝備設計與優化虛擬仿真實驗、實訓教學模塊。石油化工過程是通過一定的工藝裝備實現的，而工藝裝備又是由一定的裝備按照工藝需要組合而成的，常用的工藝裝備包括化工機器(指主要作用部件為運動的機械，如各種流體輸送機械，過濾機，離心分離機、攪拌機、旋轉干燥機等。)和化工設備(指主要作用部件是靜止的或者只有很少運動的機械，如各種容器、塔器、反應器、換熱器、管道、蒸發器，反應爐、吸附設備以及流態化設備等。)。

為便于學生學習各種工藝裝備的工作原理，結構及操作技術，中心設立了裝備設計與優化虛擬仿真實驗、實訓教學模塊。該模塊硬件條件主要由化工機器模擬裝置、計算機數據仿真控制系統、模擬系統、管道配管系統、分離設備模擬裝置、換熱器組裝模擬系統、壓力容器相關裝置等系統組成，可讓學生全面掌握石油化工過程中各種裝備的工作原理及結構特點。

(4) 單元操作虛擬仿真實驗、實訓教學模塊。化工原理(單元操作)實驗是化工原理課程教學中的重要補充，所涉及內容多為化工生產中的單元操作，采用工程實驗方法和自然科學的原理來解決化工及相關領域的工程實際問題，由于理論研究的復雜性，許多重要數據必須通過實驗手段進行測定，如流體流動的摩擦阻力系數、熱量傳遞中的傳熱系數等。在化工及其相關專業的學習中，化工原理實驗是相當重要且必須的實踐性教學環節。

在傳統的化工實驗教學中，學生只能通過對實驗教材內容進行預習，進入實驗室后經老師講解后進行實驗。這樣的模式下，學生對實驗步驟以及實驗原理掌握不深，實驗效率低下，而且還存在一定的風險。為了提高化工原理實驗教學質量，訓練學生正確掌握實驗操作步驟，減少錯誤操作及風險，真正理解相關知識，中心以實驗室單元操作裝置為設計基礎，對單元操作虛擬實驗、實訓教學模塊進行了開發。本模塊主要是由流體流動阻力的測定模擬裝置、流量計校核實驗模擬裝置、套管換熱器傳熱系數的測定模擬裝置、吸收傳質系數的測定模擬裝置、篩板精餾塔全塔效率的測定模擬裝置等10部分組成，主要完成流體流動、傳熱、傳質等單元操作的實驗模擬。

(5) 工程設計虛擬仿真實驗、實訓教學模塊。工程設計以在實際化工生產過程中建立的工程設計和實踐能力為基礎，通過基礎、課程、化工設計及畢業設計不斷融入實際化工生產過程中的流程設計、設備選型、過程控制、系統優化、節能降耗等內容，根據工程設計類課程的要求，中心建成了工程設計仿真軟件群，構建了工程設計虛擬仿真實驗、實訓教學模塊，切實培養學生工程設計和創新能力，提高工程意識。

(6) 現場實踐虛擬仿真實驗、實訓教學模塊。石油化工成套工藝是石油化工行業的主要組成部分，具有將原料轉化為最終產品的功能，涉及到原料性質、工藝流程、工藝條件、催化劑、設備等多方面知識，熟悉并了解石油化工工藝的特點及操作是培養學生工程實踐能力和工作技能的重要組成部分。

為了讓學生在安全環保的前提下與石油化工工藝過程無縫對接，將理論知識轉化為實際操作，中心以現場工業化裝置為設計基礎，利用虛擬仿真與實體設備相結合的方式建立了現場實踐模塊。本模塊主要是由工藝模擬仿真軟件、重質油催化裂化中型模擬裝置、重質油固定床加氫中型模擬裝置、輕質油固定床加氫模擬裝置、重質油懸浮床加氫中型模擬裝置、乙酸乙酯中型模擬裝置等6部分組成、主要完成石油化工工藝動態模擬實驗，大學生創新實驗等功能。

2.2 虛擬仿真實驗與實訓項目功能

通過虛擬仿真實驗、實訓項目，可使學生掌握石油化工與裝備整個工業流程的相關知識內容和操作工藝，使不可及、不可視、高風險、高污染等的操作過程借助于虛擬仿真手段變得直觀、形象，更具可操作性，鞏固了學生所學理論知識，提高了實踐動手能力。

(1) 使不可視、不可及的作業場景可視化。虛擬仿真實驗、實訓項目通過虛擬仿真手段，可以模擬反應器內流場模式，還可以模擬最終產品結構，使石油化工生產中的不可視、不可及的作業場景不再受時間、空間限制，形象生動地呈現在大家眼前，激發了學生學習的積極主動性，提高了學生的學習效率。

(2) 使高風險、高污染作業安全環保化。在石油化工過程中，大部分操作單元具有很高的風險，如加氫過程中有可能發生氫氣泄露爆炸、脫硫過程中可能發生的H2S外泄等，會造成嚴重的安全和環境事故。相關實驗、實訓項目通過虛擬仿真實驗技術教學，就可以氫氣、H2S等泄露產生的安全和污染問題，所有出現的問題都是在虛擬環境內，對真實的環境和人身安全不會有任何影響，達到安全環保的效果。

(3) 使高成本、高消耗作業經濟化。石油化工工業生產和設備制造成本非常高，往往一個操作單元的日花費和設備的一個零部件的改造就需要數萬元，屬于典型的高成本、高消耗工程。采用虛擬仿真實驗技術，建立虛擬環境如進料、加熱、反應、分離、裝備等，學生通過相關虛擬軟件，實體仿真試驗裝備等，獲得與實際化工工業操作基本一致的體驗，降低成本的同時提高了學習效果。

(4) 使工業大場面、復雜作業情景可縮放化。在石油化工生產過程中，不乏工業化大場面情景，如煉廠布局要占用幾百畝地，操作單元也需幾十畝，包括數萬套設備。學生到施工現場學習，往往只能看到局部，形不成宏觀的認識。通過虛擬仿真實驗項目，可以直接將作業場景建立在虛擬環境中，學生既可以從宏觀上把握整個施工場面，了解各單元之間的位置關系和相互作用，也可以深入到每個單元進行詳細學習。

2.3 中心的特色與創新

中心立足行業特點，發揮技術優勢，理論、仿真、實踐、創新相結合，形成了自身的鮮明特色：

(1) 立足石油化工行業，組建虛擬仿真實驗教學體系。中心的日常實踐教學，立足于國家工程實踐教育要求和石油化工行業特色，采用“虛擬實驗”“仿真優化”“實踐創新”3種教學模式，通過“理論強化”“現場認知”“模擬仿真”“工程實訓”4個訓練梯度，遵循理論與實踐、虛擬與現實、模擬與仿真、教學與科研、校內與校外的“五結合”原則，形成了獨具特色的石油化工與裝備虛擬仿真訓練教學體系。在該教學體系下，中心以培養學生實踐能力和創新精神為重點，石油化工技能訓練為主線，虛擬仿真實訓為手段，真正提高中心的實踐教學質量和水平，為服務于國家石油石化行業奠定基礎。

(2) 產學研深度融合，自主研發。中心將“實驗實踐教學為主體，科研開發為依托，教學科研一體化建設”作為發展方針，鼓勵教師在做好石油化工與裝備訓練教學的同時，積極進行教研、科研活動，開發生產了一大批具有自主知識產權的高科技教學產品。中心結合教學需要及行業特點，開發了40余種石油化工與裝備仿真教學設備及分析實驗裝置，涉及石油化工、化工裝備、儀表自動化等專業領域；根據各領域的專業特點，按照“虛實結合、相互補充、能實不虛、以虛助實”的原則，采用不同的模式組合，建成虛擬化煉油工藝、虛擬仿真實訓室等20多個軟件模塊，開發出了時長100多個小時的虛擬仿真教學軟件。這些仿真訓練教學裝備及軟件貼合石油化工生產流程，高度工業化、系統化，在日常石油化工技能訓練中教學效果明顯，并在國內眾多高校及培訓機構得到應用，實現廣泛共享。

(3) 注重虛實結合，工程實踐能力及創新精神。中心在虛擬仿真教學中，探索出了虛擬實驗、仿真優化和實踐創新3種虛擬仿真教學模式并有效實施。3種教學模式虛實結合，相互補充，保證了學習效果，有效提高了大學生的實踐動手能力及創新精神。

3 成果與示范效應

近5年，中心在圓滿完成學校每年20多萬人時教學任務基礎上，出版教材22部，獲得國家專利61項，公開發表教學、科研論文400多篇；指導的大學生科技創新項目230余項，學生參加各種科技競賽活動獲國家及省部級獎勵55項，獲國家專利48項，發表論文23篇；擁有石油仿真教學裝備40余種；開發虛擬教學軟件20多個模塊，時長達100 h。

中心立足本校學生教學的基礎上，面向全國各油田、周邊高校及地方開放教學[13-15]，承接了中國石油大學(北京)、東營職業技術學院、勝利學院、黃海學院等多所高校的大學生工程訓練教學任務，以及齊魯石化、京博石化、華東設計院、青島市、東營市部分學生和職工的實習訓練和技術培訓，每年接受外校及地方實習及培訓的人數達1 000多人。同時，中心的虛擬仿真教學資源，面向成人教育開放，每年有近萬人通過遠程教育受益，以良好的資源共享和教學輻射效果推動了我國石油化工與裝備教育的發展，在國內外的高等院校、培訓機構、石油化工企業中產生很大的影響，起到了很好的示范和輻射作用。

4 結 語

中心立足于國家高等工程教育要求和石油化工行業特色，建成了完善的網絡和教學信息化平臺和一支素質優良、結構合理、充滿創新活力的實驗、實訓教學及科研隊伍，采用“虛擬實驗”“仿真優化”“實踐創新”3種教學模式，通過“理論強化”“現場認知”“模擬仿真”“工程實訓”4個訓練梯度，遵循理論與實踐、虛擬與現實、模擬與仿真、教學與科研、校內與校外的“五結合”原則，虛實結合，實現了學生工程能力與創新能力的提高；教學科研深度結合，自主研發大量系統化的仿真訓練教學裝備及軟件，并實現廣泛共享，擴大輻射范圍。

參考文獻(References)：

[1] 祖 強，魏永軍. 國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀探析[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(11)：156-158.

[2] 王 森，李 平. 2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心分析[J]. 實驗室研究與探索, 2016, 35(4)：82-86.

[3] 張 凱，陳東方. 虛擬仿真實驗教學資源的設計與研究[J]. 學科探索，2016(21)：33-34, 103.

[4] 許秀云，張玉梁. 依托現代信息技術提高實驗教學質量[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(5)：130-132.

[5] 胡 凱，鄭興福，陳如松，等. 江蘇高校實驗教學示范中心共享平臺建設與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2014, 33(8)：144-147.

[6] 李 強，許偉偉，王建軍，等. 過程裝備與控制工程專業立體化實驗教學的實踐與探索[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(11)：187-190.

[7] 劉亞豐，余龍江. 虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J]. 實驗技術與管理, 2016, 33(4)：108-110, 114.

[8] 王衛國. 虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(12)：5-8.

[9] 李 平，毛昌杰，徐 進. 開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(11)：5-8.

[10] 羅運鵬，王 淵，賈永興，等. 淺談虛擬仿真實驗中心的建設與管理[J]. 教育教學論壇. 2016(7)：220-222.

[11] 張敬南，張镠鐘. 實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J]. 實驗技術與管理, 2013, 30(12)：101-104.

[12] 張居華，陳國輝，鐘 宏，等. 礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(7)：111-113, 213.

[13] 狄海廷，李耀翔，辛 穎. 虛擬仿真實驗室資源共享模式[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(12)：148-151.

[14] 曹玉珍，何 峰，劉 鳴，等. 儀器類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設思路[J]. 實驗技術與管理， 2016, 33(5)：165-167, 173.

[15] 陳國輝，劉有才，劉士軍，等. 虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(8)：169-172, 185.