宋建爭+李建軍+張永強(qiáng)

[摘 要] 分析了化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的意義。介紹了燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)內(nèi)容，闡述了化工實踐教學(xué)應(yīng)融合教學(xué)、實訓(xùn)、實習(xí)、科研及技術(shù)服務(wù)等功能于一體的觀點，對虛擬仿真實驗教學(xué)中心的發(fā)展進(jìn)行了思考。

[關(guān)鍵詞] 化工實踐教學(xué);虛擬仿真;實驗教學(xué);校企合作

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

0 引言

隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日益成熟，使得借助虛擬裝置設(shè)備進(jìn)行實驗教學(xué)成為可能，半實物、全數(shù)字化動態(tài)模型及3D虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)能將傳統(tǒng)化工裝置的硬件功能軟件化，這給實驗教學(xué)帶來了深刻的變化[1-3]。根據(jù)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中提出的“加強(qiáng)實驗室、實習(xí)實訓(xùn)基地、實踐教學(xué)共享平臺建設(shè)，重點建設(shè)一批國家級實驗教學(xué)示范中心、國家大學(xué)生校外實踐教育基地、高職實訓(xùn)基地”精神，燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院在校內(nèi)化工實訓(xùn)基地建設(shè)基礎(chǔ)上，對虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)進(jìn)行了必要的改革與探索。

1 化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的必要性

化工實踐教學(xué)是化工專業(yè)教學(xué)的重要組成部分。在計算機(jī)技術(shù)和自動化技術(shù)迅猛發(fā)展和廣泛普及的情況下，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展可以滿足化工專業(yè)學(xué)生對應(yīng)用性實踐教學(xué)的要求[4-8]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的虛擬實訓(xùn)基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)需要隨時生成新的設(shè)備。半實物、全數(shù)字化動態(tài)模型及3D虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，可以深層次地揭示教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供安全、經(jīng)濟(jì)的離線培訓(xùn)條件。而且，培訓(xùn)內(nèi)容可以不斷更新，使實踐訓(xùn)練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。同時，虛擬現(xiàn)實的交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。虛擬仿真實踐訓(xùn)練通過模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現(xiàn)象處理，利用計算機(jī)真實地再現(xiàn)生產(chǎn)中的化工單元過程，使學(xué)生不出校門就可以操縱與管理生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、液位、組分等數(shù)據(jù)的生成及變化，在非常逼真的操作環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到既能對生產(chǎn)實際有一定的認(rèn)識，又能親自動手進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，更全面、具體和深入地了解不同的生產(chǎn)單元的操作過程和注意事項，使學(xué)生更深刻理解并能綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決生產(chǎn)操作中各種問題的能力。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)與實踐

燕山大學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心，是以燕山大學(xué)省級化學(xué)實驗教學(xué)示范中心為依托建立起來的。目前已經(jīng)用于仿真實習(xí)、化工實訓(xùn)、認(rèn)識與調(diào)研實習(xí)、化工原理仿真實驗、專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、大學(xué)生科研立項等教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，并將上述環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)建了由課程教學(xué)演示型、仿真操作型、實訓(xùn)綜合型、設(shè)計型、科研創(chuàng)新型5個層次的虛擬仿真實驗結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。

2.1 課程教學(xué)演示型

該類內(nèi)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(xué)過程。真實直觀的仿真界面，不僅極大地吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，而且加深了對化工相關(guān)專業(yè)課基本原理的掌握。

2.2 仿真操作型

此類內(nèi)容使用了“雙塔精餾實驗仿真系統(tǒng)”、“乙苯塔精餾實驗仿真系統(tǒng)”、“聚丙烯聚合工段仿真軟件”、“通用流化床3D虛擬現(xiàn)實仿真軟件”等仿真系統(tǒng)，學(xué)生根據(jù)化工仿真實習(xí)指導(dǎo)書給出的工藝流程、操作步驟和工藝參數(shù)，在計算機(jī)上進(jìn)行DCS控制風(fēng)格的仿真模擬，學(xué)生可以在局域網(wǎng)內(nèi)的學(xué)生站練習(xí)模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現(xiàn)象處理，教師可以通過與局域網(wǎng)互聯(lián)的教師站實時規(guī)定或修改學(xué)生的培訓(xùn)內(nèi)容、組織考試、匯總學(xué)生成績等，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實習(xí)學(xué)生無法親自動手操作的不足，真實地再現(xiàn)化工生產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)現(xiàn)場路徑和設(shè)備操作細(xì)節(jié)，增加了操作的現(xiàn)場感，更加貼近實際操作，并對安全預(yù)案的處理進(jìn)行逼真模擬，使安全培訓(xùn)得到強(qiáng)化，如圖3所示。在虛擬的化工生產(chǎn)環(huán)境中，師生借助計算機(jī)自然高效的仿真系統(tǒng)中的工藝流程、設(shè)備、分析數(shù)據(jù)等進(jìn)行實時交互作用、相互影響，使教師和學(xué)生感到自己置身于一種特殊的環(huán)境中而產(chǎn)生了親臨真實企業(yè)的感受和體驗。

2.3 實訓(xùn)綜合型

該類項目內(nèi)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(zhì)單元實驗平臺、化工傳遞過程實驗裝置、化工生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化實驗裝置等多臺化工實驗設(shè)備組成。這些實訓(xùn)項目使學(xué)生對化工過程基本原理和工程實踐之間建立緊密聯(lián)系，幫助學(xué)生樹立工程實踐概念。例如“化工生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化實驗裝置”，是通過聯(lián)機(jī)仿真DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行“聚醋酸乙烯酯”的生產(chǎn)操作及各項工藝參數(shù)控制，幫助學(xué)生在掌握“三傳一反”基本原理基礎(chǔ)上，對聚醋酸乙烯酯生產(chǎn)過程中的反應(yīng)器、換熱器、精餾塔、氣液分離器、聚合反應(yīng)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(chǎn)裝置實際操作的訓(xùn)練，實現(xiàn)理論與實踐的統(tǒng)一，而且對學(xué)生專業(yè)實踐技能有很大提升。

2.4 設(shè)計型

此類項目要求學(xué)生運用已學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，根據(jù)教師指定的設(shè)計任務(wù)，獨立完成化工原理課程設(shè)計、專業(yè)課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，是對學(xué)生獨立思考、分析和解決問題能力的進(jìn)一步訓(xùn)練。例如在“聚醋酸乙烯酯合成工段工藝”設(shè)計題目中，學(xué)生可以根據(jù)教師給定的設(shè)計任務(wù)自由選擇醋酸乙烯酯反應(yīng)器、醋酸乙烯酯精餾塔或聚合反應(yīng)釜等生產(chǎn)單元，確定設(shè)計方案，在完成設(shè)計任務(wù)后，可以利用聚醋酸乙烯酯生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化裝置，通過實驗驗證工藝設(shè)計參數(shù)。

2.5 科研創(chuàng)新型

該類教學(xué)是針對學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生或研究生，幫助其提高創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，鼓勵他們自主創(chuàng)新，提出若干具有挑戰(zhàn)性的問題，參加國內(nèi)外創(chuàng)新競賽，申請并完成創(chuàng)新項目等。例如學(xué)生在教師指導(dǎo)下，組成創(chuàng)新小組，完成了“基于Aspen plus 軟件的聚醋酸乙烯酯生產(chǎn)工藝優(yōu)化計算”、“平推流與全混流反應(yīng)器系統(tǒng)仿真開發(fā)”等項目。

3 虛擬仿真實訓(xùn)中心建設(shè)發(fā)展的幾點思考

3.1 加強(qiáng)校企合作，建設(shè)資源共享的化工虛擬仿 真實驗中心

校企合作是現(xiàn)代高等教育實施技能型人才培養(yǎng)的一種重要途徑和方法。學(xué)校在化工虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)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(guān)系，全方位實施校企合作，除了采購北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司的仿真軟件之外，還通過校企合作，由教師、企業(yè)工程技術(shù)人員和計算機(jī)仿真技術(shù)人員聯(lián)合設(shè)計開發(fā)與之相應(yīng)課程配套的仿真軟件，保障實驗實訓(xùn)教學(xué)的實施，并為校企合作開展職業(yè)培訓(xùn)奠定資源優(yōu)勢。積極推進(jìn)與企業(yè)聯(lián)合共建實驗室、與企業(yè)聯(lián)合設(shè)置獎學(xué)金，并把企業(yè)研發(fā)部門的部分工作職責(zé)“請”進(jìn)學(xué)校，在中心建立企業(yè)研發(fā)分部。實現(xiàn)專業(yè)實驗與科學(xué)研究、工程實際、社會應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。

3.2 充分利用學(xué)校優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，提升教學(xué)與培 訓(xùn)水平

現(xiàn)代化工生產(chǎn)特征是生產(chǎn)裝置大型化、生產(chǎn)過程連續(xù)化和過程控制自動化?；ば袠I(yè)對操作人員的理論知識水平、操作技能水平及其綜合素質(zhì)要求越來越高，利用學(xué)校的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師，對企業(yè)員工進(jìn)行培訓(xùn)，可以大大提高企業(yè)培訓(xùn)水平。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的信息化、網(wǎng)絡(luò)化為提高企業(yè)培訓(xùn)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(xué)的發(fā)展方向是依托于校園網(wǎng)門戶網(wǎng)站，提供虛擬仿真實驗資源的遠(yuǎn)程共享、遠(yuǎn)程培訓(xùn)與遠(yuǎn)程操作，提高培訓(xùn)水平，拓展實踐教學(xué)領(lǐng)域。

3.3 通過虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺，加強(qiáng)學(xué)生實踐 能力培養(yǎng)

采取虛擬工廠情境與實際工廠生產(chǎn)相結(jié)合的實踐教學(xué)模式，使學(xué)生從虛擬“生產(chǎn)事故”和工廠安全生產(chǎn)實踐中體會到企業(yè)的工作環(huán)境和生產(chǎn)管理過程，為充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、靈活運用所學(xué)基本理論知識分析問題和解決問題的能力，計劃采取實訓(xùn)教師、學(xué)生全程參與項目設(shè)計與建設(shè)的方法，讓教師和學(xué)生分別承擔(dān)相應(yīng)員工角色共同進(jìn)行實訓(xùn)作業(yè)演練，將教師教學(xué)、人才培養(yǎng)和科研開發(fā)三者真正有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生的培養(yǎng)方式更加豐富化，培養(yǎng)內(nèi)容更加實用化。并引進(jìn)企業(yè)高級工程師或組織實訓(xùn)教師到對口企業(yè)培訓(xùn)，在提高教師實踐教學(xué)經(jīng)驗的同時，提高學(xué)生的實踐技能水平和現(xiàn)場生產(chǎn)管理水平。

4 結(jié)束語

在化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)過程中，將化工實訓(xùn)基地項目、化工原理課程仿真實驗資源、化工仿真實習(xí)教學(xué)資源與虛擬仿真實驗教學(xué)資源整合到一起，構(gòu)建了由課程教學(xué)演示型、仿真操作型、實訓(xùn)綜合型、設(shè)計型、科研創(chuàng)新型所組成的虛擬仿真實驗結(jié)構(gòu)體系。通過多個教學(xué)模塊的有機(jī)組合，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗教學(xué)資源功能化、結(jié)構(gòu)平臺開放化。未來將進(jìn)一步補(bǔ)充和完善學(xué)院的仿真實驗平臺建設(shè)，提升虛擬實驗教學(xué)層次。

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