沈磊，左曉兵，b，袁婷，李秀云

（常熟理工學(xué)院a.化學(xué)與材料工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟 215500）

工業(yè)仿真模擬教學(xué)的實(shí)踐性探索

沈磊a，左曉兵a，b，袁婷a，李秀云a

（常熟理工學(xué)院a.化學(xué)與材料工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟 215500）

概述了工業(yè)仿真技術(shù)，結(jié)合常熟理工學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院進(jìn)行的工業(yè)仿真模擬教學(xué)實(shí)踐，探索了仿真教學(xué)的實(shí)施、管理方式，同時對仿真模擬教學(xué)的效果進(jìn)行了評價，并對教學(xué)中存在的不足提出了下一步的整改措施。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在仿真教學(xué)加現(xiàn)場參觀的教學(xué)模式中動手能力和綜合運(yùn)用知識的能力得到很大提高，為今后踏上工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而仿真教學(xué)也勢必會成為現(xiàn)代教學(xué)不可缺少的手段。

工業(yè)仿真；化工；材料；實(shí)踐教學(xué)

一、仿真技術(shù)在化工人才培養(yǎng)中的作用

工業(yè)仿真就是對工業(yè)實(shí)體的一種模擬，是將實(shí)體工業(yè)中的各個模塊轉(zhuǎn)化成可供運(yùn)行的數(shù)據(jù)，并整合到一個虛擬的體系中去，模擬實(shí)現(xiàn)工業(yè)作業(yè)中的單元操作和工藝流程，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一種全新的實(shí)踐教學(xué)手段［1］。

在工業(yè)實(shí)體中，DCS（集散控制系統(tǒng)）對企業(yè)提高開發(fā)效率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理等方面起到了重要的作用。而教學(xué)用仿真系統(tǒng)是在原工業(yè)DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上最大限度保留系統(tǒng)的信息和組態(tài)方式，在組態(tài)發(fā)生變化時，最大程度保持原有工況可用性的一整套系統(tǒng)。因此，DCS的引入大大提高了仿真系統(tǒng)的逼真度，它在提高運(yùn)行教學(xué)的效果，用于工作人員的培訓(xùn)等方面是傳統(tǒng)教學(xué)無法比擬的［2-3］。

實(shí)踐教學(xué)是高等教育體系中的重要組成部分，在實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)特別是化工專業(yè)中是不可缺少的環(huán)節(jié)。在實(shí)踐教學(xué)中引入工業(yè)仿真不僅能夠克服傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的弊端［4］，而且能夠不斷地更新、增加教學(xué)內(nèi)容，最大化地節(jié)約設(shè)備及實(shí)踐場地，使整個實(shí)踐教學(xué)體系更加完善［5］。仿真教學(xué)系統(tǒng)是傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新，符合現(xiàn)代化教育的一般規(guī)律，在教學(xué)模式不斷革新的時代背景下，它是鍛煉學(xué)生動手能力，拓展學(xué)生實(shí)踐知識，提高學(xué)生社會綜合競爭力和培養(yǎng)應(yīng)用型人才的尖端武器。

常熟理工學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院經(jīng)過近幾年的發(fā)展，實(shí)踐教學(xué)體系已經(jīng)逐漸完備，但對這種新出現(xiàn)的教學(xué)形式還缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不夠合理，實(shí)踐教學(xué)成效不能適應(yīng)崗位需要等問題都制約著我院的進(jìn)一步發(fā)展，本文實(shí)踐性探索的內(nèi)容就是工業(yè)仿真體系在化學(xué)化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的一些關(guān)鍵問題，分析問題存在的原因，找出解決辦法，以使仿真體系在化學(xué)化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。

二、工業(yè)仿真平臺的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

1.軟、硬件準(zhǔn)備

工業(yè)仿真教學(xué)平臺的硬件建設(shè)包括：機(jī)房，計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，高清投影等。軟件方面，化工仿真實(shí)驗(yàn)室的管理人員必須是精通計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)知識和具有化工專業(yè)背景的綜合性人才，以便能夠及時處理教學(xué)中的各種突發(fā)事件。另外隨著軟件的發(fā)展會不斷需要更新升級軟件和對硬件進(jìn)行相應(yīng)的升級和更新。

仿真實(shí)驗(yàn)室既是實(shí)踐教學(xué)工具，也是化工設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和多種培訓(xùn)的平臺，實(shí)驗(yàn)室的軟硬件及仿真軟件運(yùn)作平臺等由學(xué)院專人負(fù)責(zé)管理，維護(hù)及開放教學(xué)［6］。目前是工業(yè)仿真平臺引進(jìn)的建設(shè)期，主要對應(yīng)用化學(xué)，高分子材料專業(yè)開放，今后隨著平臺的完善，將逐漸地?cái)U(kuò)展到無機(jī)材料、金屬材料甚至外院相關(guān)專業(yè)學(xué)生，從針對單一專業(yè)教學(xué)轉(zhuǎn)變到多種專業(yè)學(xué)生的開放式教學(xué)，滿足不同專業(yè)學(xué)生的需求。

2.師資培訓(xùn)

當(dāng)前在高校從事教學(xué)的大多數(shù)教師都沒有在企業(yè)從事生產(chǎn)經(jīng)營的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常對學(xué)生提出的企業(yè)中的現(xiàn)實(shí)問題不了解，無法解答。而仿真教學(xué)軟件的引入，要求教師不僅要對仿真教學(xué)內(nèi)容要做到熟練掌握，而且還要對實(shí)際生產(chǎn)過程，工藝流程等了然于胸，熟悉在生產(chǎn)中易發(fā)生的事故并熟練解決。因此我們優(yōu)先安排具有企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)及“雙百工程”背景的中青年教師，如曾在齊魯石化從事樹脂電纜材料研發(fā)生產(chǎn)的和在化工企業(yè)工作了十二年的橡膠產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的教師以及在華益、聯(lián)邦等數(shù)個化工企業(yè)進(jìn)行過跟班經(jīng)營生產(chǎn)的博士教師參加仿真軟件教學(xué)的培訓(xùn)班，這樣讓深入過企業(yè)生產(chǎn)、研發(fā)和經(jīng)營一線的教師對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行熟悉，領(lǐng)先一步進(jìn)入仿真軟件的教學(xué)，然后帶領(lǐng)其他教師進(jìn)入教學(xué)，這樣更能使仿真教學(xué)與企業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系起來，有針對性地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仿真訓(xùn)練，讓學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)不僅僅停留在理論知識的層面上，而是深入到實(shí)際生產(chǎn)中去，真正地提高化工仿真訓(xùn)練的教學(xué)質(zhì)量。

3.教學(xué)管理

由于工業(yè)仿真教學(xué)是新開設(shè)的課程，我們每年都會根據(jù)上級頒發(fā)的指導(dǎo)性文件和上年度的教學(xué)過程和教學(xué)效果對教學(xué)大綱進(jìn)行修訂，對每級學(xué)生提出不同的教學(xué)計(jì)劃與要求。并根據(jù)實(shí)際情況對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)制訂具體的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、明確學(xué)時和執(zhí)行學(xué)期等。

具體教學(xué)設(shè)計(jì)則采用前半段教師教，學(xué)生跟著同步練習(xí)，后半段學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師輔助解決突發(fā)問題的教學(xué)模式，這樣既能掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，又能鍛煉學(xué)生自學(xué)的能力，使培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力貫穿于整個教學(xué)過程。

教案也在教師的講解、學(xué)生反饋、實(shí)踐、再反饋的過程中不斷修改和完善。

三、實(shí)施與效果

1.教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在進(jìn)行仿真教學(xué)之前對仿真教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置好開設(shè)的內(nèi)容、學(xué)期、學(xué)時以及教學(xué)的模式等，根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)設(shè)置不同學(xué)時、不同的仿真項(xiàng)目教學(xué)。根據(jù)先修課程的完成程度設(shè)置開設(shè)學(xué)期，否則會大大降低仿真教學(xué)的效果。如開設(shè)過早就會使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生很難理解，不知所云的感覺；而開設(shè)時間過晚則會造成回憶聯(lián)系所學(xué)內(nèi)容困難。因此，我們對仿真實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置為先修如下課程：化工原理，化工工藝學(xué)，化工機(jī)械設(shè)備工學(xué)，化工自動化控制與儀表，化學(xué)反應(yīng)工程等。如我院根據(jù)現(xiàn)有仿真工段、生產(chǎn)實(shí)際及先修課程，對應(yīng)化專業(yè)學(xué)生開設(shè)了液位控制、精餾塔、萃取塔、吸收解吸四個單元的內(nèi)容。

以催化加氫脫乙炔為例，此固定床反應(yīng)單元操作工藝（流程圖見圖1和圖2）仿真教學(xué)的主要模型主要包括換熱器、預(yù)熱器、蒸汽冷凝器、閃蒸罐和加氫反應(yīng)器，整套設(shè)備上配備了大量的儀器、儀表、自動控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)。學(xué)生可在此平臺上進(jìn)行大量的實(shí)際問題訓(xùn)練，如溫度、壓力、乙炔濃度，固定床進(jìn)出口混合氣的各組分含量監(jiān)視等。過程中還可進(jìn)行復(fù)位和連鎖控制。該系統(tǒng)自帶操作質(zhì)量評分系統(tǒng)，可對各個操作步驟進(jìn)行評分，對于操作錯誤的還能給出具體的錯誤原因。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)及方法設(shè)計(jì)

在實(shí)際教學(xué)過程中，工業(yè)仿真教學(xué)的課程內(nèi)容主要分為兩部分：實(shí)驗(yàn)室仿真教學(xué)及現(xiàn)場教學(xué)。實(shí)驗(yàn)室仿真教學(xué)又分為三大模塊：一是理論基礎(chǔ)模塊，二是工業(yè)仿真模塊，三是自主學(xué)習(xí)與考核模塊。在理論基礎(chǔ)模塊中，首先向?qū)W生簡介仿真教學(xué)的意義，軟件的操作方法、常用術(shù)語、教學(xué)安排等，學(xué)習(xí)某一仿真單元的工藝知識，注意事項(xiàng)等。在工業(yè)仿真模塊中，主要是了解化工仿真DCS系統(tǒng)的工藝流程、主要設(shè)備、閥門及操作規(guī)程，工藝特點(diǎn)以及在該工段操作中所要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)等，采用由教師現(xiàn)場演示，學(xué)生親自動手操作，遇到特殊問題可隨時提問的師生互動教學(xué)方式。在自主學(xué)習(xí)與考核模塊中，采用學(xué)生自由練習(xí)及限時考試方式，在考試部分中加入了事故處理等鍛煉學(xué)生解決模擬事故的能力。在現(xiàn)場實(shí)習(xí)中，主要帶領(lǐng)學(xué)生參觀相關(guān)化工企業(yè)，了解各種化工單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制系統(tǒng)設(shè)置，安全防護(hù)措施等，了解全套生產(chǎn)工藝的流程，了解從原料到成品的一整套生產(chǎn)過程。將實(shí)驗(yàn)室仿真教學(xué)和現(xiàn)場實(shí)習(xí)相結(jié)合，使學(xué)生首先在理論上對工藝流程有了一定的了解和掌握，再進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)習(xí)，實(shí)地參觀機(jī)器設(shè)備，看管道走向，將兩者結(jié)合聯(lián)系起來，大大地加深了學(xué)生對工藝的理解，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果，為他們以后走上工作崗位，親自操控大型化工設(shè)備打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.考核內(nèi)容設(shè)計(jì)

仿真教學(xué)的總成績由平時成績（包括當(dāng)場考試成績、軟件操作和出勤率等綜合評分）和實(shí)習(xí)報(bào)告成績組成（分別占50%），主要依據(jù)學(xué)生完成實(shí)習(xí)的產(chǎn)品質(zhì)量、組織紀(jì)律性、操作規(guī)范性和動手能力綜合打分，仿真考試以上機(jī)操作形式進(jìn)行，由軟件系統(tǒng)當(dāng)場評判成績，實(shí)習(xí)報(bào)告要求真實(shí)、客觀、完整，切忌空洞無物，具備一定的科學(xué)深度及創(chuàng)新性，最后根據(jù)實(shí)習(xí)考核情況給出綜合成績。

4.效果

仿真教學(xué)的引入，淘汰了以前采用各種化學(xué)模型的教學(xué)方式，經(jīng)過幾年的探索和實(shí)踐，已取得了很大成效：采用計(jì)算機(jī)教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的課堂注意力，增加了他們對各個工藝的感性認(rèn)識；學(xué)生通過仿真單元的訓(xùn)練，可以將所學(xué)的理論知識和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行聯(lián)系起來，取得了一定的系統(tǒng)運(yùn)行知識；在教學(xué)中，每個學(xué)生都親自操作，并且失敗后還可以重新開始，既避免了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中個別學(xué)生偷懶的情況，又鍛煉了動手能力；經(jīng)過仿真訓(xùn)練后再到現(xiàn)場實(shí)習(xí)，學(xué)生普遍反映都能很容易熟悉實(shí)習(xí)內(nèi)容，對儀器設(shè)備、工藝流程、注意事項(xiàng)等能夠做到了然于胸；從實(shí)習(xí)報(bào)告來看，學(xué)生對各種工藝流程、操作規(guī)程，危險(xiǎn)因素等的認(rèn)識明顯提高，分析和解決一些公益中容易出現(xiàn)的問題的能力也大大提高，同時還具有一定的創(chuàng)新性。

圖1 固定床反應(yīng)器DCS圖

四、需進(jìn)一步解決的問題

采取實(shí)驗(yàn)室仿真和現(xiàn)場實(shí)地參觀相結(jié)合的教學(xué)方法，不僅能很好地鍛煉學(xué)生的動手能力，還能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、解決突發(fā)問題的能力，就目前的實(shí)踐教學(xué)證明，在教學(xué)過程當(dāng)中還存在一些不盡人意的地方：①缺乏真實(shí)感。②操作過程機(jī)械性強(qiáng)。為了克服上述弊端，避免機(jī)械性的教學(xué)，我們在長期的教學(xué)過程中不斷實(shí)踐、創(chuàng)新教學(xué)，提出了具體的解決方法。

1.缺乏真實(shí)感。由于幾乎所有學(xué)生都未見過真實(shí)的裝置，不清楚儀器設(shè)備及工藝過程的特點(diǎn)、危險(xiǎn)性等情況，在這種情況下，學(xué)生只是一味地按照老師所給的步驟操作，等到工藝參數(shù)出現(xiàn)問題，卻不會自己解決，甚至出現(xiàn)問題的原因都不清楚。其次在對軟件進(jìn)行操作時，不管工藝設(shè)置、操作參數(shù)是否正確，沒有一個直觀的反饋，只有最簡單的操作評分。這樣就導(dǎo)致了學(xué)生思想上的放松，即使操作嚴(yán)重錯誤，也可以重新操作，殊不知這可能在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)釀成了重大的事故。這樣就導(dǎo)致了學(xué)生把仿真教學(xué)當(dāng)成玩游戲一樣對待，具有很大的操作隨意性，為以后真正操作企業(yè)的DCS軟件埋下了重大的安全隱患。針對這種情況，我們擬在下一步的仿真教學(xué)中引入一批微型反應(yīng)裝置，把裝置的學(xué)習(xí)同樣融入到學(xué)生的仿真教學(xué)中，使學(xué)生真正將實(shí)物裝置和軟件操作結(jié)合起來，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。而對于操作步驟中出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤的情況，如此操作在實(shí)際生產(chǎn)中會引起爆炸、起火等重大安全事故的，在教師站軟件中應(yīng)首先設(shè)置好遇到此類情況立即終止學(xué)生端操作，扣分并重新開始操作，這樣才能使學(xué)生在思想上重視起來，避免重大操作失誤。

圖2 固定床反應(yīng)器現(xiàn)場圖

2.操作過程機(jī)械性強(qiáng)。在仿真軟件中，各類操作僅局限于開關(guān)閥門和各類參數(shù)的調(diào)節(jié)，學(xué)生在學(xué)生端操作軟件時會一并彈出操作質(zhì)量評分系統(tǒng)，而每一步操作都有提示，這樣就導(dǎo)致了學(xué)生操作都是按照提示一步一步往下做，而每一步為什么要這樣操作都沒搞清楚，簡單機(jī)械的操作使學(xué)生感到枯燥，這樣不僅達(dá)不到實(shí)訓(xùn)的目的，也容易使學(xué)生反感這種教學(xué)模式而達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。實(shí)訓(xùn)的目的就是要鍛煉學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)理論知識去分析和解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題的能力，所以在進(jìn)行仿真操作之前任課教師一定要讓學(xué)生掌握并理解本仿真單元的工藝知識，各工藝部件的構(gòu)造及作用，使學(xué)生通過操作仿真實(shí)驗(yàn)鞏固和加強(qiáng)對理論知識的理解，熟悉設(shè)備裝置的結(jié)構(gòu)、性能和整套工藝流程，掌握化工單元的操作方法，訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)操作技能和增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)事故的能力。這樣學(xué)生才更有興趣，而且對出現(xiàn)的問題能獨(dú)立解決。

五、結(jié)論

工業(yè)仿真模擬實(shí)踐教學(xué)能夠使學(xué)生熟練掌握常見的化工單元操作和化工設(shè)備儀表操作的基本知識、操作要求及安全規(guī)范，為他們以后走上DCS操作崗位奠定基礎(chǔ)，掌握一定的技能，但同時僅僅仿真將教學(xué)與參觀相結(jié)合是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠達(dá)到出課堂就能上崗的要求的。因此，還要不斷地完善仿真模擬教學(xué)的教學(xué)模式，不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)室仿真和實(shí)地教學(xué)的結(jié)合方式，才能夠真正發(fā)揮出仿真教學(xué)的優(yōu)勢，達(dá)到有限提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的目的。

［1］趙剛.化工仿真實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［2］司紅巖，侯旭鋒.化工仿真實(shí)訓(xùn)的利弊［J］.河北化工，2010，33（2）：67-68.

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［4］郭亞寧.仿真模擬技術(shù)在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用［J］.高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2011（2）：46-47.

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A Practical Exploration of Industrial Simulation Practice Teaching

SHEN Leia,ZUO Xiao-bina,b,YUAN Tinga,LI Xiu-yuna
(a.School of Chemistry and Material Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; b.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Functional Materials,Changshu 215500,China)

This paper summarized the industrial simulation technology,and in combination with the industrial simulation practice of School of Chemistry and Material Engineering in Changshu Institute of Technology,the implementation and management methods of the simulation teaching were explored,and the effect of the simulation teaching was evaluated.Besides,the paper proposed the corrective measures against the inadequacies in teaching practice. As a result of the industrial simulation teaching practice,the operation ability and the ability of integrated use of knowledge have been greatly improved,which has laid a good foundation for the future work.Therefore,the simulation teaching is sure to become an indispensable means of modern teaching.

industrial simulation;chemical;material;teaching practice

G421

A

1008-2794（2013）06-0110-07

2013-01-08

常熟理工學(xué)院教改課題“實(shí)踐課程教學(xué)中引入工業(yè)仿真模擬的改革與實(shí)踐”（CITJGGN201126）

沈磊（1982—），男，江蘇常熟人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)無機(jī)雜化材料，工業(yè)催化。

左曉兵（1965—），男，安徽涇縣人，教授，博士，主要研究方向?yàn)楦叻肿硬牧?，E-mail：zuoxiaobing@cslg.edu.cn。