陳 婷，羅迎春，吳怡逸，康自華

(貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

化學(xué)與化工學(xué)科是以實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為主體的學(xué)科之一,虛擬仿真技術(shù)給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了深入的改革和實(shí)踐,對滿足化工工程型人才的培養(yǎng)具有重要意義。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》和《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》的精神[1-2],確立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是各專業(yè)學(xué)科包括化學(xué)、化工等與信息技術(shù)應(yīng)用深入融合到生產(chǎn)實(shí)踐中的產(chǎn)物。虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可解決化學(xué)化工專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)的難題,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力,優(yōu)化實(shí) 驗(yàn)教學(xué)資源,模擬化工廠中實(shí)際單元操作,體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的“工廠”過程,營造安全的實(shí)驗(yàn)氛圍,這也有助于提高教師的教學(xué)水平和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1 化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

新工科背景下化學(xué)化工課程的特點(diǎn)是:內(nèi)容抽象，工程實(shí)用性強(qiáng)，化工操作系統(tǒng)龐大，化工設(shè)備復(fù)雜，反應(yīng)釜、干燥器、換熱器、精餾塔、除塵器、萃取塔、泵、管道等均為直接影響整個生產(chǎn)過程的核心設(shè)備,但實(shí)際化工生產(chǎn)過程中,由于化工設(shè)備為金屬材質(zhì)構(gòu)成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu),換熱,物理運(yùn)行及流動情況通常是無法觀察及檢測到的。且設(shè)備管線等也無法進(jìn)行真實(shí)的拆解分析在進(jìn)行性能評價和設(shè)計優(yōu)化時如果利用所搭建的實(shí)訓(xùn)模型進(jìn)行，則成本耗費(fèi)則非常巨大。另外，通過使用虛擬仿真進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對化工過程或設(shè)備進(jìn)行仿真計算,可將化工設(shè)備的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流體在設(shè)備內(nèi)部流動情況和反應(yīng)進(jìn)行的程度圖形化、直觀化、數(shù)字化,使學(xué)生直觀的通過定量描述來掌握各種化工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計要領(lǐng),為培養(yǎng)創(chuàng)新型的化工人才奠定基礎(chǔ)。因此,探索新工科背景下化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與教學(xué)方法,有利于提升專業(yè)技能,推動解決工程實(shí)際問題。

將虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用在工程背景下的化學(xué)化工專業(yè)體系,有利于科研成果轉(zhuǎn)化。根據(jù)"虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合,優(yōu)勢互補(bǔ),能實(shí)不虛、相輔相成"的原則,利用模擬工業(yè)現(xiàn)場的仿真設(shè)備進(jìn)行模擬仿真還原工業(yè)現(xiàn)場,學(xué)生可以深刻理解化工過程的操作原理,掌握化工設(shè)備的基本使用技能,提高對復(fù)雜化工過程動態(tài)操作的分析和決策能力。通過在仿真系統(tǒng)下的實(shí)際運(yùn)用和模擬訓(xùn)練,可以使化學(xué)化工專業(yè)的學(xué)生養(yǎng)成必備的職業(yè)素質(zhì)。因此,探索化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

2 我校及國內(nèi)其他單位虛擬仿真開展情況

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已被確定為國家級、省級和學(xué)校級單位的重點(diǎn)教學(xué)項目。自2013年教育部開始建設(shè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以來，已有300個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心入選。根據(jù)教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年示范虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目建設(shè)的通知，計劃截至到2020年確定約1000個示范虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目[5]。這些工作將工程實(shí)訓(xùn)教育和信息技術(shù)深度融合,利用計算機(jī)模擬仿真工廠實(shí)際操作,從而提高化工實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)水平和質(zhì)量,可達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。

貴州民族大學(xué)的化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心,注重工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合,其設(shè)有水煤漿加壓氣化工藝流程仿真,使學(xué)生了解煤氣化制甲醇的工藝流程,并掌握水煤氣加壓化工藝流程特點(diǎn)與控制系統(tǒng)的特性,從而提高學(xué)生的動手及操作能力。通過模擬化工生產(chǎn)過程中的開車、停車和停電事故處理的操作過程，學(xué)生可以對化工生產(chǎn)過程有深刻的理解，獲得生產(chǎn)的基本感性認(rèn)識，讓理論與實(shí)際能更好結(jié)合。另外,實(shí)驗(yàn)中心還設(shè)有水平管道油水兩相流流動的仿真計算系統(tǒng),由于油水兩相流動廣泛存在于石油工業(yè)中,針對油水兩相的研究則具有非常重要的實(shí)際意義。通過對水平管道內(nèi)油水混輸流動進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,可以對地面集輸管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供極具參考價值的理論依據(jù),一方面可以節(jié)省大規(guī)模的投資,另外一方面也可以對管道的腐蝕與防護(hù)起到重要的參考作用。因此,合理利用模擬軟件對水平管道中油水兩相流的流動進(jìn)行模擬變得尤為重要,通過仿真計算,使學(xué)生掌握水平管道中油水兩相流壓降、流型及油水兩相分布特點(diǎn)。

哈爾濱工程大學(xué)的化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,通過構(gòu)建“大工程觀思維”貫穿式教學(xué)方法,以設(shè)計研究型實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)、以工程項目為依托、以綜合創(chuàng)新競賽為載體,推進(jìn)工程實(shí)踐。目前中心設(shè)有化工原理、化工過程控制、化工單元設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),課程設(shè)置即采用從基礎(chǔ)認(rèn)知到綜合設(shè)計、工程實(shí)踐,以貼近實(shí)際工程項目工作流程各環(huán)節(jié)為主旨,利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢,從根本上保證了工程思維的貫穿性。對提升化工類專業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量起到積極作用[6]。

西南大學(xué)[7]建立的“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心”擁有化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)教學(xué)體系，構(gòu)建了由基礎(chǔ)化學(xué)、化學(xué)工程、大型精密儀器、虛擬實(shí)訓(xùn)和化學(xué)教育五大模塊組成的化學(xué)與化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和高精度三維建模，自主開發(fā)了乙基香蘭素生產(chǎn)和妥布霉素片制備的三維虛擬實(shí)踐訓(xùn)練模擬工廠。該項目具有360°沉浸漫游、任意方向交互操作和錯誤報警功能。與企業(yè)合作開發(fā)的特色項目，實(shí)現(xiàn)了科技成果轉(zhuǎn)化,使學(xué)生能夠充分掌握了工藝的流程和化工廠的運(yùn)行模式。

青島科技大學(xué)[8]基于工程背景下虛擬仿真教學(xué)的探究,自主研發(fā)出了動態(tài)模擬分析系統(tǒng)(DSAS)。該系統(tǒng)采用"跟蹤逼近法"開發(fā)機(jī)理模型,開發(fā)了20多套煉油化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真軟件系統(tǒng)，涵蓋了聚甲醛、己內(nèi)酰胺、聚丙烯、聚乙烯、加氫、空分、芳烴、催化裂化等多種化工過程。構(gòu)建了高仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供了可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項目，取得了動態(tài)模擬快速、精確的效果,獲得解決實(shí)際工程問題的能力。

易濤等[9]運(yùn)用高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、研制出的仿真系統(tǒng)能較好地模擬石化企業(yè)的生產(chǎn)狀況、故障處理,化工異常工況虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及在災(zāi)難性安全事故發(fā)生后聯(lián)合消防的化工安全綜合仿真平臺。解決了由時間、空間、設(shè)備等條件限制而導(dǎo)致的化工安全與環(huán)保實(shí)驗(yàn)“做不好、做不了、做不上”的難題,其成果在石化企業(yè)得到了實(shí)際應(yīng)用,取得較好的仿真效果,對學(xué)生提高安全和環(huán)保意識具有重要的補(bǔ)充作用。

中國石油大學(xué)[10]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的仿真設(shè)備和多媒體技術(shù),集成了多種交互式硬件和數(shù)據(jù)庫,擁有石油化工,煤化工,化工設(shè)備設(shè)計與優(yōu)化,化工原理,化工單元操作和化工,石油化工過程等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)模塊,可以對石油化工過程的各個流程和設(shè)備進(jìn)行仿真,真正的使學(xué)生能夠掌握石化工業(yè)和設(shè)備貫穿于化工單元過程和操作過程的工業(yè)過程,使學(xué)生深入石化企業(yè),實(shí)踐必要的業(yè)務(wù)知識,培養(yǎng)提出和解決生產(chǎn)過程中實(shí)際問題的能力。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的局限性

盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用可以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。但仿真實(shí)驗(yàn)畢竟是虛擬的，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是理想化的呈現(xiàn)，即使學(xué)生錯誤的操作也不會像實(shí)際生產(chǎn)中造成安全危險，使學(xué)生無法真實(shí)感受化工生產(chǎn)過程，限制了學(xué)生發(fā)揮主觀能動性。因此，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能完全被仿真系統(tǒng)所取代。我們必須堅持“虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)現(xiàn)實(shí)相結(jié)合”的原則，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)進(jìn)行互補(bǔ)，豐富教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的展望

在國家加快新工科建設(shè)的背景下,化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革尚面臨以下幾個方面的問題 (1)加強(qiáng)學(xué)生安全和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生從虛擬的“生產(chǎn)事故”和生產(chǎn)實(shí)踐中體驗(yàn)企業(yè)的實(shí)際經(jīng)營環(huán)境和生產(chǎn)發(fā)展過程，并提高人機(jī)之間的交互能力,呈現(xiàn)更逼真的化學(xué)過程的視覺、嗅覺等感官體驗(yàn);(2)加強(qiáng)校企共建,探索校企合作的共贏模式,實(shí)現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究、工程實(shí)踐和社會應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合；(3)從廣度和深度加強(qiáng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),加強(qiáng)科學(xué)研究用以輔助虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù),如研發(fā)微觀層面上及大型精密儀器的仿真模擬實(shí)驗(yàn)等,拓寬輻射范圍,構(gòu)建互補(bǔ)資源優(yōu)勢、通用性的化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺。