歐陽少波，王 萍，熊道陵，張彩霞，羅序燕，鄒來禧，陳火平，楊 凱

（1.江西理工大學 材料冶金化學學部，江西 贛州 341000；2.贛州市陽明小學，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷加快，城市發(fā)展水平得到極大的提高，也帶來了大量的城市有機廢棄物，為響應(yīng)國家的環(huán)保政策及適應(yīng)《中國制造2025》指導方針，對于廢棄物有效處理是目前所面臨的一項亟待解決的問題[1-6]。江西理工大學某學者提出一種城市有機廢棄物資源化利用的新思路，利用3D仿真技術(shù)再現(xiàn)工業(yè)化廢輪胎熱轉(zhuǎn)化制生物燃料生產(chǎn)工藝。由于本項目為工業(yè)化生產(chǎn)裝置，無法在實驗教學中開設(shè)實物教學實驗，而廢輪胎熱轉(zhuǎn)化制備生物燃料工藝涵蓋物理化學、有機化學、化工原理、化學反應(yīng)工程、化工熱力學等多學科中流體流動與輸送、傳熱、化學反應(yīng)、過濾、吸收、精餾等多種化工單元操作，以及溫度、壓強、流量等熱工參數(shù)的測量與控制方法。因此，通過虛擬仿真平臺的建設(shè)，采用“虛實結(jié)合”理念[7-10]，建立《1萬噸/年廢輪胎熱轉(zhuǎn)化制生物燃料工藝3D虛擬仿真實驗》項目對于學生綜合掌握化學工藝、化工生產(chǎn)技術(shù)、基本化工單元操作及設(shè)備，培養(yǎng)安全生產(chǎn)意識具有重要意義[11-13]。

1 仿真實驗實驗原理

1.1 反應(yīng)原理

以典型的城市有機廢棄物—廢輪胎為原料，利用電磁加熱真空熱解技術(shù)，聯(lián)產(chǎn)高品質(zhì)焦油、煤氣及半焦等生物燃料，涉及熱解、脫硫、凈化、干燥、靜電捕集等工藝，對于熱解氣經(jīng)冷卻、精餾、吸收、凈化、離心等工序制備汽油、柴油、重油及硫磺等產(chǎn)品。該工業(yè)化技術(shù)，工藝復雜，操作繁瑣，全程由DCS自動化控制系統(tǒng)完成，完全還原工業(yè)化生產(chǎn)。對提高化學化工相關(guān)專業(yè)的學生的實操經(jīng)驗、工業(yè)化生產(chǎn)工藝的認識具有十分重要的意義。

1.2 生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，包括熱解、精餾、脫硫、氣液分離等一些列過程。

1.3 主要知識點

（1）工藝類：熱解反應(yīng)、脫硫反應(yīng)、半焦性質(zhì)、煤氣性質(zhì)、焦油性質(zhì)等。

（2）設(shè)備類：電磁加熱器、熱解反應(yīng)器、旋風分離器、氣液分離器、急冷精餾塔、靜電捕集器、吸收塔、再生槽、離心泵、離心機、空氣壓縮機、振動器、壓力容器、螺桿進料器、引風機、振動給料機等。

（3）儀表類：調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥原理、前饋調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、液位調(diào)節(jié)等。

（4）公用工程類：廢液、廢氣、廢固處理、蒸汽分類、用途及管路走向和排布等。

圖1 廢輪胎熱轉(zhuǎn)化制生物燃料流程

2 仿真實驗軟件環(huán)境

2.1 廢輪胎熱解工藝3D虛擬仿真實驗軟件

結(jié)合大規(guī)模在線實驗室（Massive Open Online Labs,MoolsNet）推出的一款基于U3D技術(shù)的移動化學虛擬實驗室，采用三維模型構(gòu)建場景及物體，物體多邊形面數(shù)（poly）控制不大于1萬面，文件小于60 MB，支持各種分辨率及型號的手機（安卓、蘋果手機），支持iPad等移動端設(shè)備，并采用材質(zhì)貼圖（烘焙、法線）及高級著色技術(shù)（Shader、HLSL）。

2.2 智能評分系統(tǒng)

根據(jù)學員的操作結(jié)果自動評分，以檢測學員對工藝的掌握和熟悉程度。

2.3 電腦及配套設(shè)施或網(wǎng)絡(luò)移動端設(shè)備

廢輪胎熱解工藝3D虛擬仿真實驗軟件的操作，只需下載相關(guān)軟件包或APP，可用電腦或網(wǎng)絡(luò)移動端設(shè)備（如：手機或平板電腦）進行操作，可實現(xiàn)學生交互性操作。

3 實驗教學方法

3.1 教學使用目的

（1）生產(chǎn)操作仿真與設(shè)備仿真相結(jié)合：通過教師講解或?qū)W生自學設(shè)備認識模塊，了解生產(chǎn)過程中主要設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理。通過生產(chǎn)操作仿真學習，掌握熱解和產(chǎn)物分離原理、設(shè)備標準操作規(guī)程、車間崗位生產(chǎn)基本流程、位點控制、連鎖設(shè)計以及安全生產(chǎn)等注意事項。

（2）設(shè)備仿真與工藝仿真相結(jié)合：傳授學生設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝中典型的工藝模塊組單元設(shè)備運行原理、物料流向和溫度壓力控制等生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的基本知識。

（3）廠區(qū)及車間漫游與生產(chǎn)操作仿真相結(jié)合：培養(yǎng)學生認識車間生產(chǎn)工藝流程和單元操作在車間整體生產(chǎn)過程中的相互配合的基本邏輯與平行關(guān)系，使學生從單元操作到整體車間生產(chǎn)運行有一個清晰的感性認識。

3.2 教學實施過程

（1）“1萬噸/年廢輪胎熱解工藝3D虛擬仿真實驗”將移動床反應(yīng)與精餾吸收分離技術(shù)及干燥凈化技術(shù)相結(jié)合，利用VR技術(shù)完全呈現(xiàn)出實際的工業(yè)生產(chǎn)過程。使學生能夠深刻地認識到所學專業(yè)知識（如：《基礎(chǔ)化學》《化工原理》《化學反應(yīng)工程》《分離工程》《化工熱力學》《環(huán)境工程》等）之間的聯(lián)系及其互相促進關(guān)系。進一步使學生熟練地掌握“熱解反應(yīng)-分離技術(shù)-三廢處理”的原理、工藝設(shè)計及廠區(qū)設(shè)置原則，以及相關(guān)設(shè)備與操作流程。本實驗項目采用混合式教學模式，依托網(wǎng)絡(luò)平臺，教師、學生在線上、線下完成相應(yīng)任務(wù)，具體任務(wù)見表1所列，線上教學和線下教學內(nèi)容如圖2所示。

表1 教師和學生完成任務(wù)情況

圖2 仿真實驗教學內(nèi)容

（2）開展“五位一體”式的生產(chǎn)實習教學模式，通過線上、線下相結(jié)合的學習模式，實施計算機仿真學習、化工積木模型仿真學習、工廠實習、Aspen過程模擬優(yōu)化及手機移動端仿真學習的“五位一體”生產(chǎn)實習教學體系。可有效提高學生知識綜合應(yīng)用能力，以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和獨立操作的綜合創(chuàng)新能力。

3.3 教學實施效果

與真實工業(yè)化生產(chǎn)相同，學生獲取了準確、完整的實驗數(shù)據(jù)。通過虛擬仿真教學，使學生快速、直觀地理解相關(guān)工藝流程及原理，更能調(diào)動學習的積極性和學習熱情。通過本項目的實施，可以達到如下有益效果：

（1）通過仿真教學，學生強化了所學專業(yè)知識。本實驗項目基于3D軟件及安全知識進行學習與訓練，設(shè)置了與知識點相關(guān)的問題，學生以闖關(guān)的形式進行學習，將理論知識與實踐進行很好的融合。

（2）通過仿真教學，提高了學生的團隊意識和合作精神。仿真工廠的教學通過采用班組合作的方式，不僅僅訓練學生的思維能力和動手能力，同時也提高了學生的團隊意識，并建立學生及從業(yè)人員的安全防范意識和工程素養(yǎng)。

（3）通過仿真教學，延伸了教學課時，拓展了教學空間。項目通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程學習，受場地、時間、人員的安排限制，可通過反復學習深刻認識和理解化工生產(chǎn)的基本原理和理論知識，熟悉掌握化工生產(chǎn)過程的操作方法和流程，激發(fā)學生的學習興趣和理論實踐水平。

3.4 實驗方法描述

本項目基于動態(tài)過程仿真軟件運行平臺開發(fā)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以3D形式呈現(xiàn)廢輪胎熱解制生物燃料化工廠環(huán)境和操作過程，最終構(gòu)建了“3D虛擬現(xiàn)場生產(chǎn)車間+中控站+廠區(qū)輔助設(shè)施”的一體化生產(chǎn)廠區(qū)。學生通過網(wǎng)絡(luò)在線學習操作，要求學生先進行工藝虛擬現(xiàn)實認知實習，通過自主漫游及NPC引導熟悉工廠生產(chǎn)的主要工藝流程，為工藝虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)實習打下良好基礎(chǔ)。

（1）學生自由操作仿真軟件，熟悉廢輪胎熱解工藝及相關(guān)知識點，并掌握每個設(shè)備的結(jié)構(gòu)及操作規(guī)程，使學員對工業(yè)設(shè)備有一個更直觀的認識，全面了解設(shè)備的工作運行過程，并利用化工積木自行拼接學習。介紹有機廢棄物處理的基本知識，包括反應(yīng)機理、主要用途、工藝流程等，使學員對工藝生產(chǎn)有整體的認識，為學員之后的工作學習打下基礎(chǔ)。

（2）學生按照流程引導，學習反應(yīng)原理、工藝流程等工藝知識；學習移動床反應(yīng)器、離心泵、壓縮機等設(shè)備知識，如圖3所示；以及學習硫化氫、硫磺、焦油等危化品的使用和急救等安全知識。通過對工廠安全知識、應(yīng)急處理和急救方法的學習，讓學員了解工廠生產(chǎn)中應(yīng)注意哪些問題，遇到危險應(yīng)如何有效自救。

圖3 部分設(shè)備3D模擬圖

（3）認真學習3D廠區(qū)、車間布局和管道排布，加深對工藝流程的印象。根據(jù)操作指示，進行3D界面現(xiàn)場實操。通過調(diào)整及觀察系統(tǒng)各參數(shù)的變化及反饋，實時進行參數(shù)調(diào)節(jié)，掌握化工過程的變化特點，了解公用工程的走向及三廢的處理等。通過漫游在虛擬現(xiàn)實場景中講解工藝全流程及各個分工段的工藝流程，并以鳥瞰的方式了解工廠的整體布局、設(shè)備分布等，清晰地看到廠區(qū)物料走向，如圖4所示。

圖4 廠區(qū)整體布局圖

4 實驗教學項目特色

4.1 實驗方案設(shè)計思路

（1）本實驗根據(jù)“虛實結(jié)合”的理念，以學生為重心，利用手機等移動終端設(shè)備，將工業(yè)化生產(chǎn)工藝從實際生產(chǎn)搬到課堂，激發(fā)學生學習的積極性，使學生可以更充分更靈活地利用課余時間學習，同時可以利用手機或其他移動終端設(shè)備實現(xiàn)隨時隨地的操作。

（2）實驗響應(yīng)國家“節(jié)能減排”的號召，利用U3D技術(shù)的移動化學虛擬實驗室，全方位高度沉浸感的自然環(huán)境、實驗室環(huán)境，實驗室場景設(shè)計與布局參考真實實驗室環(huán)境并1∶1還原。在進入實驗室實體操作前，學生可利用手機或計算機預先實現(xiàn)仿真操作，從而為進入實驗室操作節(jié)省更多的能耗、原材料及操作時間。將無法在實驗室進行的工業(yè)化設(shè)備操作，引入到實驗室學習，使學生通過虛擬仿真實驗即能掌握工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備的操作。

（3）利用網(wǎng)絡(luò)化教學，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)與理論教學合理銜接。將科技創(chuàng)新、實驗教學改革成果和國家級科研成果融入實驗教學內(nèi)容，使實驗教學內(nèi)容更加豐富，涵蓋更廣泛。通過改革教材和講義，產(chǎn)生顯著的教學改革成果。

4.2 教學方法創(chuàng)新

（1）依托學科優(yōu)勢，將科研成果引入實驗教學，構(gòu)建特色鮮明的教學體系。

（2）以學生為中心，推行自主式、合作式、研究式學習，培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)造力。

（3）借助數(shù)字化信息化技術(shù)，構(gòu)建開放式仿真實驗平臺，實現(xiàn)教學手段多元化。

（4）引入競賽機制，改革評價考核方式，激發(fā)學生科研興趣和學習積極性。

4.3 評價體系創(chuàng)新

本文還建立了一套完善的評價體系，主要以接待學生次數(shù)和人數(shù)作為重要的評價依據(jù)，確保以學生為本的基本原則。對實驗技術(shù)人員從承擔實驗輔助人時數(shù)、管理儀器設(shè)備臺件價值數(shù)、儀器設(shè)備完好率、出勤情況、承擔公共服務(wù)等五個方面進行考核。學校教學督導組對任課教師教學情況進行巡查和不定期抽檢，深入實驗室聽課觀摩，了解實驗教學具體情況，并及時向任課教師反饋意見。通過征集教學情況調(diào)查表、網(wǎng)上反饋和教學檢查等多種形式，聽取各方面意見，及時了解實驗教學中存在的問題，有針對性地進行整改并對教師進行考評。

4.4 對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展

與傳統(tǒng)教學方法相比，虛擬仿真實驗在教學理念和教學方法上，更深入更便捷更切合學生的學習和生活。

（1）實驗教學指導思想，以學生為主體，注重應(yīng)用創(chuàng)新。實驗室堅持以學生為本的理念，在實驗項目設(shè)置、實驗室開放管理等方面進行針對性優(yōu)化，鼓勵學生積極融入教師的科研活動，以強化學生的基本實驗操作技能，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提升綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力[14-15]。

（2）實驗室建設(shè)和實驗教學改革。通過仿真教學改革，以“情景式、網(wǎng)絡(luò)交互式”教學方法，實現(xiàn)抽象理論知識直觀化、生動化、形象化。

5 結(jié) 語

《1萬噸/年廢輪胎熱轉(zhuǎn)化制生物燃料工藝3D虛擬仿真實驗》項目平臺的建立，豐富和發(fā)展了教學內(nèi)容和方法，體現(xiàn)了虛實結(jié)合、能實不虛的原則，將工業(yè)化生產(chǎn)通過仿真手段在線還原，在教學理念和教學方法上更深入更便捷更切合學生的學習和生活，有利于化工專業(yè)學生將理論與實踐相結(jié)合，夯實理論基礎(chǔ)，提高綜合素質(zhì)，培養(yǎng)“為人誠實、基礎(chǔ)扎實、工作踏實”的化工專業(yè)技術(shù)人才。