虛擬仿真在化工生產實習教學中的應用

楊文，馮艷艷，呂奕菊，王桂霞

（桂林理工大學化學與生物工程學院，廣西桂林 541004）

自2013年以來，教育部開展國家級虛擬仿真教學中心建設。同時，各高校在仿真建設方面積極探索與實踐，虛擬仿真教學已成為提升高等教育發展水平和提高人才培養質量不可或缺的手段，特別是在高危、高污染和高成本的化工類課程教學方面發揮著重要的作用[1-3]。一直以來，我校化學工程與工藝專業結合“育人為本、質量立校、人才強校”的辦學理念與辦學特色，正確處理“人才培養與社會需求關系”“知識傳授與能力和素質培養的關系”及“教與學的關系”，樹立以學生為中心，教為主導、學為主體的教學理念，注重綜合素質教育，培養德才兼備、適應21世紀社會發展需要的應用型人才。

基于此，我校2015年建立化學工程與工藝專業虛擬仿真教學中心，通過應用虛擬仿真教學的形式，推動本專業實踐教學改革，充分調動學生的學習興趣，為學生提供多方位的學習機會，促進學生實踐動手能力以及解決復雜工程問題能力的提高[4-6]。尤其是，借助化工專業虛擬仿真教學平臺，通過全國大學生化工實驗大賽和化工設計競賽，我校化工專業學生的實踐能力和創新能力大幅提升，且具有較強的工程實踐能力和良好的工程意識。因此，本文首先指明化工生產實習課程中傳統教學存在的不足，通過虛實結合構建半實體裝置+虛擬仿真的思路，分析仿真教學在生產實習課程中的作用以及教學特色。

一、化工生產實習課程傳統教學的不足

化工生產實習是化工專業教學計劃中的一項重要的實踐教學環節，是在完成化工專業的主要理論課程教學之后進行的。其目的是使學生了解和熟悉化工企業生產過程、生產工藝控制、生產操作和主要生產設備等方面的內容，加深對化工專業的基本理論和生產技術知識的理解，獲得解決生產中出現問題的初步訓練，培養學生的基本工程實踐能力和獨立和團隊工作的能力。

傳統的教學方式存在很多不足，難以滿足化工專業人才培養的需求。在傳統化工生產實習中，學生進入化工廠，主要了解化工產品的生產工藝，對生產裝置只能看、不能動，特別是對化工產品生產裝置的開車、停車方法和操作無法學習和掌握。同時，對化工廠事故應急處理的步驟和方法只停留在入廠時的安全教育環節，對具體實施過程沒有深刻領悟和掌握[7-9]。由于實習環節中學生總體參與度不高，在實習后期學生的學習積極性不足，最終僅通過撰寫實習報告的方式來評價學生生產實習過程中對知識的掌握程度，評價結果很難客觀反映課程目標的達成情況[8-13]；在對用人單位的調研和座談中發現，他們對本專業畢業生所具有的專業知識、生產操作能力等具有較好的認同，能夠較好地勝任化工相關的工作。他們認為，由于化工生產過程中的特殊環境，高校應適當增加化工安全方面的教育，以及進一步加強學生的獨立工作和團隊協作能力、交流溝通能力。

基于上述問題，我校建立化學工程與工藝專業虛擬仿真實驗教學中心（包括中央控制室和半實體微型工廠），讓學生在學校就能對典型化工產品生產裝置進行開車停車操作練習，培養學生的實踐操作能力，解決在企業實習只能看、不能動的問題。同時，定制化工安全相關設備器材，增加化工產品著火、有毒氣體泄漏等化工安全預警演習，培訓心肺復蘇和空氣呼吸器的使用，以增強學生的化工安全意識。

二、化工生產實習（仿真工廠）課程的教學思路

對生產實習課程設立四個課程目標，包括：理解典型化工產品的生產工藝流程；掌握和運用仿真軟件模擬工藝裝置開停車，掌握開停車方法和原理；理解化工安全生產的重要性，掌握著火和氣體泄漏等事故的應急處理方法；能夠在生產中形成責任意識，對生產裝置進行仿真聯合操作、協同合作，增強和提升團隊合作意識。

為了完成上述課程目標，借助仿真教學對生產實習過程開展以下教學環節：根據反應過程的特點，理解和掌握預處理、反應和分離工藝；對典型化工產品的生產工藝進行開停車學習，掌握工藝裝置開停車的原理和方法；對生產裝置進行仿真聯合操作、協同合作，增強和提升團隊合作意識；事故應急處理演習，了解著火和氣體泄漏等事故的應急處理方法。通過化工生產（仿真）實習，讓學生深度參與整個教學過程，提升學生實踐動手能力和團隊協作能力，進而增強學生解決復雜工程問題的能力。

根據以上教學環節，實習課程的組織與實施方式由以下部分構成：實習動員：對學生進行實習動員，并對實習工廠的工藝過程、單元操作及安全教育等內容進行簡單介紹。崗位分組輪崗實習：集中學習具體的生產工藝流程，厘清現場裝置的擺放位置、管線的走向等。分組練習軟件版開車、內操、外操聯合操作及安全演練。實習筆記：學生將每天在實習工段學習到的知識、收集的資料和圖表、所聽報告內容、實習心得等記入實習筆記。實習報告：實習結束時學生提交書面實習報告。實習報告的內容主要有：實習目的與內容；實習工廠的基本情況；實習車間產品的生產方法、工藝過程、主要工藝指標、主要設備及流程說明；繪出重點工段的工藝流程圖；生產實習的體會和收獲等。基于此，實習課程的總評成績由四部分構成，包括：實習報告、仿真操作、內外聯合操作和心肺復蘇等安全相關操作，按一定比例四項成績加和，然后折算為五級計分制分數。

三、環己酮生產工藝半實體虛擬仿真教學系統在化工生產實習中的應用

（一）教學目的

借助虛擬仿真+半實體裝置教學，使學生熟悉化工企業生產過程、生產工藝控制、生產操作和主要生產設備等方面的內容，加深對化工專業的基本理論和生產技術知識的理解，培養學生的獨立和團隊工作的能力，提高學生分析問題和解決問題的綜合能力，掌握典型連續化工藝開停車的原理，克服在化工廠現場學習時，學生只能看、不能動的缺點。

（二）實施過程

依托半實體微型工廠和中央控制室，根據真實化工廠的相關理論和實踐操作規程在虛擬仿真工廠中進行相應操作和運行，使得學生能夠獲得生動直觀的感性認識，增進對抽象原理的理解；通過對講機進行內外聯合操作，進行化工生產工藝的開停車、應急事故處理練習。

（三）教學內容

環己酮生產工藝半實體虛擬仿真教學系統，包括半實物流程裝置單元、DCS模擬控制部分和仿真軟件系統三部分在內的仿真系統，為化學工程與工藝專業的學生提供了一個高仿真度、高交互式和全程參與式的虛擬操作平臺，可開展苯加氫制備環己烷和環己烷氧化制備環己酮生產工藝的生產過程、工藝、停開車原理和方法、應急事故處理等方面的學習和培訓，使學生對化工產品的生產形成全面的認識，提升學生解決復雜工程問題的能力。

首先，通過對環己酮生產工藝流程進行講解，讓學生從節能減排的角度認識環己酮生產工藝流程，并結合半實體環己酮生產仿真車間，加深對工藝裝置流程的理解。環己酮生產工藝包括苯加氫制備環己烷工段和環己烷氧化制備環己酮工段。苯加氫工段采用氣相法，以金屬鉑作催化劑，主反應器為固定床反應器，利用循環熱油移除反應器中產生的反應熱。環己酮制備工段采用無催化氧化法，將苯加氫工段制得的環己烷產品直接與含氧氣體（空氣）接觸發生氧化反應，生成中間產物環己基過氧化氫，該中間產物在醋酸鈷催化劑的作用下，選擇性分解成環己酮。

其次，在熟悉工藝流程的基礎上，通過DCS集成仿真系統，對環己酮生產工藝裝置開車、停車學習，掌握典型化工產品生產工藝裝置開停車原理方法，使學生深刻理解整個裝置在穩態和非穩態狀態下的調控過程，進一步加深對工藝裝置的理解，進而提升學生的實踐動手能力和解決復雜工程問題的能力。

再次，對環己酮生產裝置進行內外仿真聯合操作、協同合作，增強和提升團隊合作意識。在掌握環己酮生產裝置開車原理方法的基礎上，對半實體環己酮制備進行聯合仿真操作，學生分工段監控，指揮和調控，實現中控室和生產車間聯動，有效提升學生協同合作，增強和提升團隊合作意識。

最后，對裝置區氣體泄漏和著火事故開展應急事故處理演習。演習過程中，學生分別扮演班長、安全員、內操員、外操員和消防員等角色。其間并學習空氣呼吸機、滅火器和心肺復蘇的使用和急救方法，使學生掌握化工事故的應急預案處理方法，增強學生的化工安全知識。

（四）教學效果

學生普遍反映虛擬教學方法生動形象，對環己酮生產的基本流程理解深刻，大大提高了他們的學習興趣和積極性。學生通過這種教學方法可以進行多次反復地學習，對環己酮生產流程中的諸多細節得以充分地掌握，避免了在化工廠現場學習時只能看、不能動的缺點。同時，在實踐過程中，通過內外聯合操作增強學員的團隊協作意識和化工安全意識。

四、化工生產實習（仿真工廠）課程的教學特色

（一）實驗方案設計思路

環己酮生產工藝仿真教學項目以環己酮的生產制備工藝為對象，借助半實體工廠和根據實體裝置建立的DCS中控系統，構建化工虛擬仿真教學系統。學生在數字高真實仿真、情景化真實操作中學習環己酮連續化生產工藝、裝置參數調節和控制方法、應急事故處理方法，解決學生實習過程中高危、“動手難”的問題，進一步增強學生解決復雜工程問題的能力。

（二）教學方法創新

構建高度仿真化工廠區，場景逼真、交互性強。學生在仿真工廠中可實現多人聯合操作，分別分配不同人物角色，進行冷態開停車、監控和操作，增強學生實操能力、團隊協作能力和化工安全意識，提升學生化工綜合素質。

（三）評價體系創新

軟件具有智能評分系統，可清晰查看各步驟操作得分與失分點，培養學生正確操作意識，同時對學生掌握程度進行客觀有效評價

（四）對傳統教學的延伸與拓展

真實的工廠化情景，先進的媒體設備，理論與實踐相結合，線上與線下學習相結合，虛實結合，提供了豐富多樣的現代化教學手段，使學生在校內就能進行“工廠化”的上崗操作，解決了化工廠實習過程只能看、不能動的缺點，提升學生解決復雜工程問題的能力以及“厚實踐、強創新、顯個性”的綜合素質，為我校化工類人才的培養注入動力。