李 傳， 王振波， 劉欣梅， 王麗飛， 嚴(yán)文娟， 李 軍(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院依據(jù)“一實(shí)二驗(yàn)三平臺”的建設(shè)方針(見圖1)，將全院實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源進(jìn)行整合共享，于2012年成立化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，針對本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，搭建開放式實(shí)驗(yàn)預(yù)約平臺、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示平臺，向全校開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并承擔(dān)面向社會的開放性實(shí)驗(yàn)任務(wù)。自2013年教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作以來[1]，化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合自身特點(diǎn)，響應(yīng)國家“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”的建設(shè)原則[2-3]，開始籌建石油化工與裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(以下簡稱中心)，并于2014年獲批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。借助該平臺，化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可以更好地開展本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)工作[4-5]。

圖1 化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)方針

1 中心構(gòu)建

1.1 建設(shè)的必要性

石油化工與裝備的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)傳統(tǒng)教學(xué)存在3點(diǎn)主要問題：①石油化工的各項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)境極端惡劣，大部分工作流程都是高溫、高壓下進(jìn)行，具有不可視、不可及或不可逆、高風(fēng)險、高消耗、高成本、高污染的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)“多看、多問、多想、不動手”的方法進(jìn)行石油化工及裝備的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)嚴(yán)重制約學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，影響教學(xué)效果；②傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)是以固定實(shí)驗(yàn)儀器為對象，以標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法為腳本，讓學(xué)生進(jìn)行單一的重復(fù)性操作，不具備可視性、可變性，制約學(xué)生積極性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)，教學(xué)空間的相對固定也不利于對企業(yè)員工進(jìn)行技能培訓(xùn)，限制輻射范圍；③石油化工工藝技術(shù)及裝備的更新?lián)Q代非常迅速，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備和方法往往不能緊跟石油化工發(fā)展的腳步，造成實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容與石油化工的實(shí)際發(fā)展需求嚴(yán)重脫節(jié)，不利于學(xué)生掌握石油化工前沿技術(shù)，影響學(xué)生的發(fā)展[6-8]。而中心的建設(shè)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的不足，并滿足國家高等教育的內(nèi)涵式發(fā)展對學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的進(jìn)一步要求[9-10]。

1.2 總體思路

主動適應(yīng)石油化工發(fā)展趨勢及技術(shù)特點(diǎn)對人才培養(yǎng)的新要求，堅(jiān)持“科學(xué)規(guī)劃、資源共享、重點(diǎn)突出、效果為先、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)為支撐，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為策略，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，搭建系統(tǒng)、完善的石油化工與裝備虛擬仿真教學(xué)平臺，力爭培養(yǎng)能與國際石油化工接軌的、具有理論、實(shí)踐和創(chuàng)新完美融合的石油化工人才，確保中國石油大學(xué)(華東)人才培養(yǎng)始終走在我國石油化工高等教育前端。

1.3 建設(shè)方法

中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真裝備與多媒體技術(shù)，融合多種互動硬件與數(shù)據(jù)庫，對石油化工工藝流程及裝備的各個真實(shí)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真，形成了中心獨(dú)具特色的“三模式、四梯度、五結(jié)合”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖2所示。

圖2 “三模式、四梯度、五結(jié)合”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)3種模式。①虛擬實(shí)驗(yàn)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對相關(guān)工藝過程及裝備進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，用虛擬工藝流程、設(shè)備等取代物理實(shí)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(shí)現(xiàn)對作業(yè)崗位職能及工藝的可視化模擬，通過中心機(jī)房及遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)對校內(nèi)學(xué)生及校外企業(yè)員工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)技能培養(yǎng)。②仿真優(yōu)化。采用實(shí)物仿真裝備和實(shí)訓(xùn)軟件的混合體系架構(gòu)，將石油化工裝備按一定比例制作，具備真實(shí)裝備所具有的相關(guān)結(jié)構(gòu)、功能，通過學(xué)生親自操作和虛擬軟件過程功能的系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)操作者與仿真裝備、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效真實(shí)互動，進(jìn)行多次、重復(fù)訓(xùn)練，提高實(shí)踐動手能力。③實(shí)踐創(chuàng)新。以學(xué)生團(tuán)隊(duì)為教學(xué)對象，以校內(nèi)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺及現(xiàn)場工程實(shí)訓(xùn)基地為依托，采用虛擬工藝優(yōu)化、仿真裝備調(diào)整、實(shí)體設(shè)備操作的手段，通過優(yōu)化工藝條件、換熱網(wǎng)絡(luò)、改造設(shè)備等一切可能的方法達(dá)到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)。該模式可以升華學(xué)生技能培訓(xùn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，極大地促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

(2) 實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)4個梯度。①理論強(qiáng)化。進(jìn)行石油化工工藝流程、操作條件等石油基本知識及相關(guān)設(shè)備、原理等的講解，完成基本理論實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，強(qiáng)化學(xué)生專業(yè)基本理論知識的掌握與理解，為后續(xù)學(xué)習(xí)和工作打牢基礎(chǔ)。②現(xiàn)場認(rèn)知。在完成理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用真實(shí)煉廠工藝及裝備，在現(xiàn)場工程師指導(dǎo)下，熟悉實(shí)際工藝及設(shè)備，完成理論知識與實(shí)際過程的融合與升華。③模擬仿真。在完成理論與實(shí)際融合的基礎(chǔ)上，借助大量仿真教學(xué)裝備和軟件，在室內(nèi)進(jìn)行石油化工工藝流程模擬、工藝優(yōu)化、生產(chǎn)控制與裝備調(diào)整等各種仿真操作訓(xùn)練，掌握與石油化工與裝備相關(guān)的實(shí)際操作技能，彌補(bǔ)在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)踐過程中不能動手操作的不足。④工程實(shí)訓(xùn)。依托中心真實(shí)的石油化工中試裝置及配套的相關(guān)仿真軟件對學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，指導(dǎo)學(xué)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(jìn)行實(shí)際操作，通過調(diào)整條件、優(yōu)化流程等手段，使學(xué)生利用原始物料，通過自身努力生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；進(jìn)而在生產(chǎn)現(xiàn)場輪崗實(shí)訓(xùn)，強(qiáng)化技能，最終完成學(xué)生向技術(shù)人才轉(zhuǎn)變的培養(yǎng)目標(biāo)。

(3) 實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)5個結(jié)合。①理論與實(shí)踐相結(jié)合。將石油化工工藝流程及裝備的理論知識學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作和現(xiàn)場實(shí)際工藝實(shí)踐相結(jié)合，以理論知識指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐強(qiáng)化理論知識的掌握，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。②虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合。虛擬仿真教學(xué)中特別注重“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、以虛助實(shí)”，學(xué)生的虛擬仿真操作與實(shí)際生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高度工業(yè)化仿真。③模擬與仿真相結(jié)合。中心的模擬軟件操作與中心的實(shí)體仿真設(shè)備相結(jié)合，能使學(xué)生將模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，為學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了良好條件，實(shí)現(xiàn)了模擬與仿真的零距離對接。④教學(xué)與科研相結(jié)合。中心的大部分科研項(xiàng)目都是從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，開發(fā)的相關(guān)仿真教學(xué)裝備與軟件都很好地適應(yīng)了教學(xué)需要，真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研的緊密結(jié)合。⑤校內(nèi)與校外相結(jié)合。通過實(shí)驗(yàn)室共建、人才聯(lián)合培養(yǎng)、技術(shù)合作開發(fā)等與校內(nèi)外相關(guān)單位密切交流與合作，實(shí)現(xiàn)了中心、企業(yè)、社會的三方共贏。

1.4 中心建制及管理模式

中心隊(duì)伍由專職教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和技術(shù)開發(fā)人員三部分構(gòu)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(duì)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(xué)面向全校，是學(xué)校直屬教學(xué)單位，按照學(xué)院級建制。中心教學(xué)任務(wù)由教務(wù)處下達(dá)，教學(xué)設(shè)備及教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)施由學(xué)校國有資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處統(tǒng)一管理。中心日常管理實(shí)行中心主任負(fù)責(zé)制，中心主任主管中心的全面工作，副主任分工負(fù)責(zé)訓(xùn)練教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)研究、科研開發(fā)、職業(yè)技能培訓(xùn)等各項(xiàng)工作。

中心下設(shè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)部、教學(xué)研究部、科技創(chuàng)新部、裝備部和中心辦公室5個職能部門，全面負(fù)責(zé)中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教研、科研、創(chuàng)新等工作[11-12]，中心管理體制如圖3所示。

1.5 中心的運(yùn)行、維護(hù)及經(jīng)費(fèi)保障

儀器設(shè)備是學(xué)校從事教學(xué)、科研等活動的重要前提和基礎(chǔ)。學(xué)校和中心制定了相關(guān)管理規(guī)章制度，采取有效措施，加以保障和維護(hù)。①根據(jù)“統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，分級管理，用管結(jié)合”的原則，建立嚴(yán)格的管理程序，實(shí)行“學(xué)校、中心、職能部門、實(shí)訓(xùn)室(車間)”四級管理體系，提高儀器設(shè)備的完好率、使用率，更好地為教學(xué)、科研服務(wù)。②建立全方位開放運(yùn)行機(jī)制。在中心協(xié)調(diào)安排下，大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、設(shè)備、時間、地點(diǎn)、人員等方面對學(xué)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(fù)責(zé)設(shè)備的日常管理和使用。責(zé)任落實(shí)到人，分類型、分層次設(shè)立設(shè)備管理員，標(biāo)掛設(shè)備管理負(fù)責(zé)人標(biāo)牌，實(shí)行定人定機(jī)的管理形式，建立設(shè)備檔案和運(yùn)行記錄，嚴(yán)格按照要求進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，每周都要對設(shè)備進(jìn)行定期、不定期檢查，保持設(shè)備完好率。④在學(xué)校相關(guān)管理制度的基礎(chǔ)上，中心結(jié)合自身實(shí)際，制定詳盡的設(shè)備管理規(guī)定，從儀器設(shè)備的購置、論證、審批、采購、使用、維護(hù)直至報(bào)廢全過程進(jìn)行監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備管理的制度化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和信息化。⑤學(xué)校重視設(shè)備維護(hù)維修經(jīng)費(fèi)的保障，每年由教師申請教學(xué)基本建設(shè)項(xiàng)目專門用于教學(xué)正常運(yùn)行和儀器設(shè)備維護(hù)維修。同時，中心也將教研、科研項(xiàng)目和技術(shù)服務(wù)收入，部分用于中心的教學(xué)儀器設(shè)備的維護(hù)維修，有效地保障了儀器設(shè)備99%以上的完好率，保證了教學(xué)、科研的正常進(jìn)行。

圖3 中心管理體制

2 中心實(shí)踐

2.1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊

中心結(jié)合教學(xué)需求和專業(yè)特點(diǎn)，以豐富的教學(xué)資源為基礎(chǔ)，建立了6個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊，開設(shè)了52個教學(xué)項(xiàng)目，并結(jié)合完善的網(wǎng)絡(luò)及教學(xué)信息化平臺，不僅滿足了我校在校大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)及煉廠、設(shè)計(jì)院的職業(yè)技能技術(shù)培訓(xùn)要求，而且實(shí)現(xiàn)了教學(xué)模塊的開放共享，為石油化工企業(yè)及相關(guān)高校的人員技能培訓(xùn)提供了寶貴的資源。

(1) 石油化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊。石油化工過程工藝復(fù)雜，設(shè)備眾多，控制指標(biāo)嚴(yán)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(xùn)已經(jīng)成為石油化工企業(yè)新員工培訓(xùn)的重要內(nèi)容。讓學(xué)生參加石油化工操作過程的仿真培訓(xùn)，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(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

中心先后引進(jìn)了Honeywell和東方仿真兩大運(yùn)行平臺的煉油化工工藝仿真實(shí)訓(xùn)軟件，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了部分石油化工模擬仿真教學(xué)軟件和培訓(xùn)軟件，建立了石油化工工藝仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)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(qū)分離、工業(yè)尾氣催化燃燒等煉油化工工藝。通過仿真實(shí)訓(xùn)軟件，可以實(shí)現(xiàn)工藝過程的開停工、主要故障處理等與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密的DCS界面操作訓(xùn)練等。

(2) 煤化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊。從培養(yǎng)煤化工工程師的實(shí)踐能力及職業(yè)培訓(xùn)需求出發(fā)，本著實(shí)用性與前瞻性相結(jié)合、理論知識學(xué)習(xí)與職業(yè)技能培訓(xùn)相結(jié)合、實(shí)訓(xùn)裝備的硬件與技能訓(xùn)練仿真軟件相結(jié)合的思想，對現(xiàn)代煤化工工藝過程、動態(tài)操作、煤化工正在使用的自動化檢測傳感執(zhí)行裝置及國內(nèi)先進(jìn)的DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，以培養(yǎng)能夠適應(yīng)當(dāng)前及未來煤化工企業(yè)所需要的各類技術(shù)人員，滿足煤化工工業(yè)建設(shè)與生產(chǎn)的需要。

該模塊在真實(shí)完整體現(xiàn)實(shí)際工業(yè)流程的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化重要工序、重要設(shè)備，并利用東方仿真培訓(xùn)軟件進(jìn)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(xùn)，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工業(yè)流程狀態(tài)和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時準(zhǔn)確模擬工藝現(xiàn)場故障模擬真實(shí)化。學(xué)生可對設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作滿足實(shí)踐實(shí)習(xí)要求，既能使學(xué)生了解和掌握正常工況下各類設(shè)備的操作和維護(hù)，能進(jìn)行裝置開車準(zhǔn)備、開車、正常操作、停車、設(shè)備維護(hù)等方面的技能操作訓(xùn)練、工藝指標(biāo)控制操作技能訓(xùn)練，又能通過安全手段設(shè)置各類故障使學(xué)員能夠處理各類緊急狀況動手進(jìn)行生產(chǎn)過程操作、分析、排除工業(yè)生產(chǎn)過程故障。

(3) 裝備設(shè)計(jì)與優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊。石油化工過程是通過一定的工藝裝備實(shí)現(xiàn)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(jī)器(指主要作用部件為運(yùn)動的機(jī)械，如各種流體輸送機(jī)械，過濾機(jī)，離心分離機(jī)、攪拌機(jī)、旋轉(zhuǎn)干燥機(jī)等。)和化工設(shè)備(指主要作用部件是靜止的或者只有很少運(yùn)動的機(jī)械，如各種容器、塔器、反應(yīng)器、換熱器、管道、蒸發(fā)器，反應(yīng)爐、吸附設(shè)備以及流態(tài)化設(shè)備等。)。

為便于學(xué)生學(xué)習(xí)各種工藝裝備的工作原理，結(jié)構(gòu)及操作技術(shù)，中心設(shè)立了裝備設(shè)計(jì)與優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊。該模塊硬件條件主要由化工機(jī)器模擬裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)仿真控制系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)、管道配管系統(tǒng)、分離設(shè)備模擬裝置、換熱器組裝模擬系統(tǒng)、壓力容器相關(guān)裝置等系統(tǒng)組成，可讓學(xué)生全面掌握石油化工過程中各種裝備的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(4) 單元操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊?；ぴ?單元操作)實(shí)驗(yàn)是化工原理課程教學(xué)中的重要補(bǔ)充，所涉及內(nèi)容多為化工生產(chǎn)中的單元操作，采用工程實(shí)驗(yàn)方法和自然科學(xué)的原理來解決化工及相關(guān)領(lǐng)域的工程實(shí)際問題，由于理論研究的復(fù)雜性，許多重要數(shù)據(jù)必須通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行測定，如流體流動的摩擦阻力系數(shù)、熱量傳遞中的傳熱系數(shù)等。在化工及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)中，化工原理實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)重要且必須的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

在傳統(tǒng)的化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生只能通過對實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)老師講解后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣的模式下，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)原理掌握不深，實(shí)驗(yàn)效率低下，而且還存在一定的風(fēng)險。為了提高化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，訓(xùn)練學(xué)生正確掌握實(shí)驗(yàn)操作步驟，減少錯誤操作及風(fēng)險，真正理解相關(guān)知識，中心以實(shí)驗(yàn)室單元操作裝置為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對單元操作虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊進(jìn)行了開發(fā)。本模塊主要是由流體流動阻力的測定模擬裝置、流量計(jì)校核實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置、套管換熱器傳熱系數(shù)的測定模擬裝置、吸收傳質(zhì)系數(shù)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(zhì)等單元操作的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

(5) 工程設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊。工程設(shè)計(jì)以在實(shí)際化工生產(chǎn)過程中建立的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力為基礎(chǔ)，通過基礎(chǔ)、課程、化工設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)不斷融入實(shí)際化工生產(chǎn)過程中的流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、過程控制、系統(tǒng)優(yōu)化、節(jié)能降耗等內(nèi)容，根據(jù)工程設(shè)計(jì)類課程的要求，中心建成了工程設(shè)計(jì)仿真軟件群，構(gòu)建了工程設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，提高工程意識。

(6) 現(xiàn)場實(shí)踐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊。石油化工成套工藝是石油化工行業(yè)的主要組成部分，具有將原料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的功能，涉及到原料性質(zhì)、工藝流程、工藝條件、催化劑、設(shè)備等多方面知識，熟悉并了解石油化工工藝的特點(diǎn)及操作是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和工作技能的重要組成部分。

為了讓學(xué)生在安全環(huán)保的前提下與石油化工工藝過程無縫對接，將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作，中心以現(xiàn)場工業(yè)化裝置為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，利用虛擬仿真與實(shí)體設(shè)備相結(jié)合的方式建立了現(xiàn)場實(shí)踐模塊。本模塊主要是由工藝模擬仿真軟件、重質(zhì)油催化裂化中型模擬裝置、重質(zhì)油固定床加氫中型模擬裝置、輕質(zhì)油固定床加氫模擬裝置、重質(zhì)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(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等功能。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目功能

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可使學(xué)生掌握石油化工與裝備整個工業(yè)流程的相關(guān)知識內(nèi)容和操作工藝，使不可及、不可視、高風(fēng)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(xué)生所學(xué)理論知識，提高了實(shí)踐動手能力。

(1) 使不可視、不可及的作業(yè)場景可視化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目通過虛擬仿真手段，可以模擬反應(yīng)器內(nèi)流場模式，還可以模擬最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使石油化工生產(chǎn)中的不可視、不可及的作業(yè)場景不再受時間、空間限制，形象生動地呈現(xiàn)在大家眼前，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

(2) 使高風(fēng)險、高污染作業(yè)安全環(huán)保化。在石油化工過程中，大部分操作單元具有很高的風(fēng)險，如加氫過程中有可能發(fā)生氫氣泄露爆炸、脫硫過程中可能發(fā)生的H2S外泄等，會造成嚴(yán)重的安全和環(huán)境事故。相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)，就可以氫氣、H2S等泄露產(chǎn)生的安全和污染問題，所有出現(xiàn)的問題都是在虛擬環(huán)境內(nèi)，對真實(shí)的環(huán)境和人身安全不會有任何影響，達(dá)到安全環(huán)保的效果。

(3) 使高成本、高消耗作業(yè)經(jīng)濟(jì)化。石油化工工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備制造成本非常高，往往一個操作單元的日花費(fèi)和設(shè)備的一個零部件的改造就需要數(shù)萬元，屬于典型的高成本、高消耗工程。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，建立虛擬環(huán)境如進(jìn)料、加熱、反應(yīng)、分離、裝備等，學(xué)生通過相關(guān)虛擬軟件，實(shí)體仿真試驗(yàn)裝備等，獲得與實(shí)際化工工業(yè)操作基本一致的體驗(yàn)，降低成本的同時提高了學(xué)習(xí)效果。

(4) 使工業(yè)大場面、復(fù)雜作業(yè)情景可縮放化。在石油化工生產(chǎn)過程中，不乏工業(yè)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(shù)萬套設(shè)備。學(xué)生到施工現(xiàn)場學(xué)習(xí)，往往只能看到局部，形不成宏觀的認(rèn)識。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以直接將作業(yè)場景建立在虛擬環(huán)境中，學(xué)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(guān)系和相互作用，也可以深入到每個單元進(jìn)行詳細(xì)學(xué)習(xí)。

2.3 中心的特色與創(chuàng)新

中心立足行業(yè)特點(diǎn)，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，理論、仿真、實(shí)踐、創(chuàng)新相結(jié)合，形成了自身的鮮明特色：

(1) 立足石油化工行業(yè)，組建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。中心的日常實(shí)踐教學(xué)，立足于國家工程實(shí)踐教育要求和石油化工行業(yè)特色，采用“虛擬實(shí)驗(yàn)”“仿真優(yōu)化”“實(shí)踐創(chuàng)新”3種教學(xué)模式，通過“理論強(qiáng)化”“現(xiàn)場認(rèn)知”“模擬仿真”“工程實(shí)訓(xùn)”4個訓(xùn)練梯度，遵循理論與實(shí)踐、虛擬與現(xiàn)實(shí)、模擬與仿真、教學(xué)與科研、校內(nèi)與校外的“五結(jié)合”原則，形成了獨(dú)具特色的石油化工與裝備虛擬仿真訓(xùn)練教學(xué)體系。在該教學(xué)體系下，中心以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為重點(diǎn)，石油化工技能訓(xùn)練為主線，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)為手段，真正提高中心的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和水平，為服務(wù)于國家石油石化行業(yè)奠定基礎(chǔ)。

(2) 產(chǎn)學(xué)研深度融合，自主研發(fā)。中心將“實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)為主體，科研開發(fā)為依托，教學(xué)科研一體化建設(shè)”作為發(fā)展方針，鼓勵教師在做好石油化工與裝備訓(xùn)練教學(xué)的同時，積極進(jìn)行教研、科研活動，開發(fā)生產(chǎn)了一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技教學(xué)產(chǎn)品。中心結(jié)合教學(xué)需要及行業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)了40余種石油化工與裝備仿真教學(xué)設(shè)備及分析實(shí)驗(yàn)裝置，涉及石油化工、化工裝備、儀表自動化等專業(yè)領(lǐng)域；根據(jù)各領(lǐng)域的專業(yè)特點(diǎn)，按照“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛、以虛助實(shí)”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(shí)訓(xùn)室等20多個軟件模塊，開發(fā)出了時長100多個小時的虛擬仿真教學(xué)軟件。這些仿真訓(xùn)練教學(xué)裝備及軟件貼合石油化工生產(chǎn)流程，高度工業(yè)化、系統(tǒng)化，在日常石油化工技能訓(xùn)練中教學(xué)效果明顯，并在國內(nèi)眾多高校及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)廣泛共享。

(3) 注重虛實(shí)結(jié)合，工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新精神。中心在虛擬仿真教學(xué)中，探索出了虛擬實(shí)驗(yàn)、仿真優(yōu)化和實(shí)踐創(chuàng)新3種虛擬仿真教學(xué)模式并有效實(shí)施。3種教學(xué)模式虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，保證了學(xué)習(xí)效果，有效提高了大學(xué)生的實(shí)踐動手能力及創(chuàng)新精神。

3 成果與示范效應(yīng)

近5年，中心在圓滿完成學(xué)校每年20多萬人時教學(xué)任務(wù)基礎(chǔ)上，出版教材22部，獲得國家專利61項(xiàng)，公開發(fā)表教學(xué)、科研論文400多篇；指導(dǎo)的大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目230余項(xiàng)，學(xué)生參加各種科技競賽活動獲國家及省部級獎勵55項(xiàng)，獲國家專利48項(xiàng)，發(fā)表論文23篇；擁有石油仿真教學(xué)裝備40余種；開發(fā)虛擬教學(xué)軟件20多個模塊，時長達(dá)100 h。

中心立足本校學(xué)生教學(xué)的基礎(chǔ)上，面向全國各油田、周邊高校及地方開放教學(xué)[13-15]，承接了中國石油大學(xué)(北京)、東營職業(yè)技術(shù)學(xué)院、勝利學(xué)院、黃海學(xué)院等多所高校的大學(xué)生工程訓(xùn)練教學(xué)任務(wù)，以及齊魯石化、京博石化、華東設(shè)計(jì)院、青島市、東營市部分學(xué)生和職工的實(shí)習(xí)訓(xùn)練和技術(shù)培訓(xùn)，每年接受外校及地方實(shí)習(xí)及培訓(xùn)的人數(shù)達(dá)1 000多人。同時，中心的虛擬仿真教學(xué)資源，面向成人教育開放，每年有近萬人通過遠(yuǎn)程教育受益，以良好的資源共享和教學(xué)輻射效果推動了我國石油化工與裝備教育的發(fā)展，在國內(nèi)外的高等院校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、石油化工企業(yè)中產(chǎn)生很大的影響，起到了很好的示范和輻射作用。

4 結(jié) 語

中心立足于國家高等工程教育要求和石油化工行業(yè)特色，建成了完善的網(wǎng)絡(luò)和教學(xué)信息化平臺和一支素質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理、充滿創(chuàng)新活力的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)及科研隊(duì)伍，采用“虛擬實(shí)驗(yàn)”“仿真優(yōu)化”“實(shí)踐創(chuàng)新”3種教學(xué)模式，通過“理論強(qiáng)化”“現(xiàn)場認(rèn)知”“模擬仿真”“工程實(shí)訓(xùn)”4個訓(xùn)練梯度，遵循理論與實(shí)踐、虛擬與現(xiàn)實(shí)、模擬與仿真、教學(xué)與科研、校內(nèi)與校外的“五結(jié)合”原則，虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生工程能力與創(chuàng)新能力的提高；教學(xué)科研深度結(jié)合，自主研發(fā)大量系統(tǒng)化的仿真訓(xùn)練教學(xué)裝備及軟件，并實(shí)現(xiàn)廣泛共享，擴(kuò)大輻射范圍。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 祖 強(qiáng)，魏永軍. 國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀探析[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2015, 32(11)：156-158.

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

[3] 張 凱，陳東方. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的設(shè)計(jì)與研究[J]. 學(xué)科探索，2016(21)：33-34, 103.

[4] 許秀云，張玉梁. 依托現(xiàn)代信息技術(shù)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[J]. 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心共享平臺建設(shè)與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014, 33(8)：144-147.

[6] 李 強(qiáng)，許偉偉，王建軍，等. 過程裝備與控制工程專業(yè)立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2015, 32(11)：187-190.

[7] 劉亞豐，余龍江. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)理念及發(fā)展模式探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2016, 33(4)：108-110, 114.

[8] 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.

[9] 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.

[10] 羅運(yùn)鵬，王 淵，賈永興，等. 淺談虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)與管理[J]. 教育教學(xué)論壇. 2016(7)：220-222.

[11] 張敬南，張镠鐘. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013, 30(12)：101-104.

[12] 張居華，陳國輝，鐘 宏，等. 礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[J]. 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室資源共享模式[J]. 實(shí)驗(yàn)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(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)思路[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015, 34(8)：169-172, 185.