李麗波　張桂玲　李佳　由君　牛古丹

【摘 要】專業(yè)教育工程認(rèn)證旨在提高高校培養(yǎng)工程型和應(yīng)用型人才的能力，在眾多專業(yè)中，化工、材料類專業(yè)的工程教學(xué)任務(wù)尤其重要。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為理論課程與實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)橋梁紐帶，將課堂上的理論知識(shí)在運(yùn)用到實(shí)踐中前給學(xué)生充分補(bǔ)給，做到將二者無(wú)縫銜接在一起。本文闡述了無(wú)機(jī)化學(xué)課程中電化學(xué)部分的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的、特點(diǎn)、過(guò)程、考核和收效。本實(shí)驗(yàn)以大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)+為手段，通過(guò)教師啟發(fā)和引導(dǎo)，以學(xué)生為中心，使其自主完全實(shí)驗(yàn)，保障了教學(xué)過(guò)程的安全與可逆，大大提升了課程品質(zhì)與實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)證;互聯(lián)網(wǎng)+;無(wú)機(jī)化學(xué);虛擬仿真

中圖分類號(hào)： TB301-4;G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）34-0083-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.035

0 前言

隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)各工科院校的硬件條件得到了明顯的好轉(zhuǎn)，但是由于傳統(tǒng)教育觀念和教學(xué)模式的影響，學(xué)生的創(chuàng)新能力沒(méi)有得到應(yīng)有的提高。為了達(dá)到專業(yè)教育工程認(rèn)證的人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，人才培養(yǎng)模式必須及時(shí)調(diào)整。人才培養(yǎng)目標(biāo)是以學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)，培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)，較強(qiáng)實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才和管理人才[1]。一個(gè)好的工程師，基本素質(zhì)不是死記硬背的記憶力，而是分析和解決問(wèn)題的能力，是解決工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的能力[2]。因此，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式需要實(shí)踐的支撐，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立與仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)為產(chǎn)學(xué)研用的無(wú)縫銜接奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。本文以電化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)為例，研究了無(wú)機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的探索與應(yīng)用。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的

離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中電化學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐的重要組成部分。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)把物理化學(xué)、電化學(xué)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等最新成果結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)離子膜電解裝置電解虛擬現(xiàn)場(chǎng)化、冷態(tài)開車、停車操作、設(shè)置事故模擬訓(xùn)練等教學(xué)任務(wù)。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練使學(xué)生：（1）熟悉和掌握離子膜電解槽的構(gòu)造、外形、材質(zhì)、功能、工作原理、輔助設(shè)施（含安全設(shè)施）及其主要參數(shù)的設(shè)定，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)書本理論的直觀認(rèn)知和消化;（2）直觀認(rèn)識(shí)設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)、電解過(guò)程狀態(tài)感知和驗(yàn)證工藝過(guò)程的合理性;（3）通過(guò)電解的實(shí)時(shí)測(cè)量與自適應(yīng)調(diào)整，掌握組分分析、測(cè)定分析液位與壓力趨勢(shì)、溫度趨勢(shì)和流量趨勢(shì);（4）了解在使用過(guò)程中有可能出現(xiàn)的設(shè)備缺陷、故障或事故模式，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)方式和關(guān)鍵部位的改進(jìn)或改善;（5）通過(guò)法拉第定律計(jì)算分析，計(jì)算電流效率與電壓和電流的關(guān)系，燒堿，氯氣和氫氣的收率。

2 電化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

電化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。電解裝置是應(yīng)用工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的電化學(xué)系統(tǒng)同時(shí)也是過(guò)程控制中最有代表性的多變量復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)。離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是工業(yè)電化學(xué)電解的縮影，學(xué)生通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以理解控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義與實(shí)現(xiàn)方法。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是將網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)深度融合，營(yíng)造出高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)以虛擬仿真教學(xué)為感知方式，以大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)+為手段，通過(guò)教師啟發(fā)和引導(dǎo)，以學(xué)生為中心，自主完全實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)時(shí)交互、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)運(yùn)化、沉浸感和趣味性強(qiáng)，可以使學(xué)生通過(guò)自主思考，自己選擇實(shí)驗(yàn)途徑、在理解理論知識(shí)的水平和前提下，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決困難和問(wèn)題，展現(xiàn)自己的智慧和能力，心情愉悅地實(shí)驗(yàn)和研究，體驗(yàn)自主實(shí)踐的成果，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的積極性和主動(dòng)性。完成操作仿真模塊、統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)把電化學(xué)技術(shù)、化工技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等最新成果結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)電解虛擬現(xiàn)場(chǎng)化、冷態(tài)開車、停車操作、設(shè)置事故模擬訓(xùn)練等教學(xué)任務(wù)。

學(xué)生在這種虛實(shí)結(jié)合的培訓(xùn)過(guò)程中，還可根據(jù)測(cè)定要求，變更測(cè)定條件或自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，這不僅加深了對(duì)儀器設(shè)備及相關(guān)原理的理解，還也可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)互動(dòng)性，達(dá)到提高實(shí)踐能力和綜合創(chuàng)新能力的目的，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

電化學(xué)離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)形成了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)時(shí)交互、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)運(yùn)化、沉浸感和趣味性強(qiáng)的化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用二維、三維動(dòng)態(tài)過(guò)程高度模擬工廠實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所有操作站都實(shí)時(shí)模擬各種控制儀表的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)的實(shí)施克服了電解槽常規(guī)操作危險(xiǎn)性、功能單一、人機(jī)聯(lián)系差的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生動(dòng)手操作受限的不足，滿足了學(xué)生對(duì)電解操作工藝原理、操作環(huán)境、控制系統(tǒng)、故障處理的理解。并突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，實(shí)現(xiàn)了化工實(shí)驗(yàn)的綠色化、手段現(xiàn)代化和結(jié)論科學(xué)化，讓學(xué)生在安全、環(huán)保、節(jié)能的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相近的體驗(yàn)，使教學(xué)效果事半功倍。

實(shí)驗(yàn)具體操作過(guò)程如圖2所示。離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用離子膜電解槽，原料液為氯化鈉和水，電解產(chǎn)品為高純氫氧化鈉、氫氣和氯氣。在電解的每一環(huán)節(jié)，裝置的進(jìn)料、出料、電解槽等部位對(duì)溫度、流量、壓力、壓差、液位等參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)建多個(gè)控制回路，完成裝置的基礎(chǔ)控制任務(wù)。采用常規(guī)DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置的平穩(wěn)操作與電解產(chǎn)品的純度控制，包括：進(jìn)料流量的自動(dòng)控制;液位的均勻控制;電解槽的區(qū)間控制;槽液位的自動(dòng)控制;氣體的流量控制;電解靈敏溫度的串級(jí)控制。在電解槽裝置的進(jìn)料、出料、回流等部位最大限度地選用具有優(yōu)良性能的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表，對(duì)溫度、流量、壓力、壓差、液位等參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，同時(shí)，選用性能優(yōu)良的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)建多個(gè)控制回路，完成裝置的基礎(chǔ)控制任務(wù)。檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)設(shè)置盡可能全面地覆蓋電解裝置的各個(gè)部位，儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇根據(jù)裝置的操作條件（流量范圍、介質(zhì)的溫度等）、儀表的精度、儀表的運(yùn)行壽命、儀表的維護(hù)因素、儀表的外觀特性等因素確定。

作為真實(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)的補(bǔ)充，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，學(xué)生在完全沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中，深入細(xì)致地研究應(yīng)用化學(xué)中典型電化學(xué)生產(chǎn)的工藝構(gòu)成、典型工藝參數(shù)控制的科學(xué)性與合理性、研究工藝過(guò)程的最優(yōu)化生產(chǎn)策略與之匹配的參數(shù)控制策略，避免了高物耗、高成本和實(shí)驗(yàn)過(guò)程難以重復(fù)進(jìn)行的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)所有操作都實(shí)時(shí)模擬各種控制儀表的參數(shù)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生動(dòng)手操作受限的不足，滿足了學(xué)生對(duì)工藝原理、操作環(huán)境、控制系統(tǒng)、故障處理的學(xué)習(xí)和理解。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系建設(shè)

評(píng)價(jià)體系建設(shè)主要包括：學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)所需基礎(chǔ)理論的構(gòu)建;學(xué)生對(duì)工藝過(guò)程立體、動(dòng)態(tài)工藝過(guò)程的知識(shí)體系構(gòu)建;學(xué)生從熟悉工藝到熟練生產(chǎn)的訓(xùn)練;學(xué)生應(yīng)對(duì)事故的處置能力訓(xùn)練;學(xué)生的對(duì)生產(chǎn)總體的協(xié)調(diào)與掌控能力的訓(xùn)練。根據(jù)這些評(píng)價(jià)知識(shí)體系，仿真平臺(tái)構(gòu)建了試題庫(kù)和論壇區(qū)以及考評(píng)系統(tǒng)，將考核與評(píng)價(jià)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生真正真實(shí)體驗(yàn)達(dá)到實(shí)戰(zhàn)演練的過(guò)程與收獲。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生通過(guò)校園網(wǎng)隨時(shí)隨地上網(wǎng)訪問(wèn)虛擬仿真教學(xué)資源，使其完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、設(shè)備使用規(guī)程、安全操作更加標(biāo)準(zhǔn)、快速，對(duì)設(shè)備、工藝、廠房布局和分析儀器設(shè)備更加熟悉。在虛實(shí)結(jié)合的仿真平臺(tái)上，學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)完成了虛擬仿真實(shí)踐和訓(xùn)練，繼而在實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備上實(shí)現(xiàn)物理操作。學(xué)生直接操控實(shí)驗(yàn)裝置的開車、停車、運(yùn)行和故障排除，克服了在生產(chǎn)實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)“只能看不能動(dòng)”的難題，也解決了單純使用計(jì)算機(jī)而缺少現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)的問(wèn)題，使學(xué)生接受真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)和工程環(huán)境的訓(xùn)練與熏陶。本實(shí)驗(yàn)實(shí)施還為學(xué)生提供了的實(shí)踐體驗(yàn)條件，彌補(bǔ)了在化工等高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)電解操作難以實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)的缺陷。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)秉承以“構(gòu)建真實(shí)工程環(huán)境，培養(yǎng)現(xiàn)代工業(yè)精神”理念，按照“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的建設(shè)原則，建設(shè)了以數(shù)字仿真和物理仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模式，構(gòu)建以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)流程參數(shù)為基礎(chǔ)的仿真控制數(shù)學(xué)模型。結(jié)合現(xiàn)有的離子膜電解等實(shí)體實(shí)驗(yàn)裝置，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)以虛擬仿真教學(xué)為感知方式，以大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)+為手段，通過(guò)教師啟發(fā)和引導(dǎo)，以學(xué)生為中心，使其自主完全實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)中，既可體驗(yàn)真實(shí)環(huán)境的氛圍并動(dòng)手實(shí)際操作，又可以體驗(yàn)虛擬仿真出的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)極具危險(xiǎn)性的反應(yīng)過(guò)程和生產(chǎn)流程，保障了教學(xué)過(guò)程的安全與可逆，大大提升了課程品質(zhì)與實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

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