李 席，朱林林，胡燕超，秦英月，李宗群,2，王傳虎,2

（1.安徽省硅基新材料工程實(shí)驗(yàn)室，蚌埠學(xué)院，安徽蚌埠233030；2.蚌埠學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，安徽蚌埠233030）

鍋爐安全是特種設(shè)備安全教學(xué)體系中的重要組成部分，而特種設(shè)備安全又是應(yīng)用型本科院校化工安全類專業(yè)的主干專業(yè)課。一方面，鍋爐廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)和人民生活中，同時(shí)是受熱、承壓且具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)的特種設(shè)備[1]。一旦發(fā)生事故，可致設(shè)備和建筑物損壞，人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。另一方面鍋爐操作是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的單元操作，涉及流體力學(xué)、傳熱、安全技術(shù)和安全管理、事故分析及處理等，系統(tǒng)性、理論性、實(shí)踐性強(qiáng)。受教學(xué)場(chǎng)地、條件保障等因素制約，一些應(yīng)用型本科院校缺乏鍋爐相關(guān)設(shè)備和設(shè)施，化工安全類學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)受到了很大的局限。而實(shí)踐環(huán)節(jié)又是化工安全類學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

因此，結(jié)合“鍋爐安全”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，使用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)貼近實(shí)戰(zhàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力尤為重要。通過(guò)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對(duì)象，讓學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)踐，有效地解決了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備不足的問(wèn)題，拓展了教學(xué)空間，成為提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的新趨勢(shì)[2-3]。

1 應(yīng)用型本科院?！板仩t安全”傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)形式及教學(xué)內(nèi)容局限，教學(xué)效果不佳

“鍋爐安全”內(nèi)容實(shí)踐性較強(qiáng)，識(shí)記性內(nèi)容多，內(nèi)容展示手段較少，可供參考借鑒的資料匱乏。鍋爐異常事件的發(fā)生具有緊急性、不確定性和危險(xiǎn)性，組織學(xué)生至突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)踐的可行性幾乎不存在[4]?，F(xiàn)實(shí)條件致使傳統(tǒng)的教學(xué)形式基本為觀看影片、案例分析及討論，教學(xué)形式多樣性不足，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生興趣低。此外，受制于課時(shí)，為了及時(shí)完成規(guī)定的教學(xué)計(jì)劃，教師教學(xué)節(jié)奏較快，教學(xué)內(nèi)容取舍性較重，部分內(nèi)容難以理解和記憶，學(xué)生課下要花費(fèi)較多時(shí)間消化吸收[5-6]，一些學(xué)生甚至有厭學(xué)情緒。教學(xué)形式及教學(xué)內(nèi)容局限性致使學(xué)生的知識(shí)面和工程化能力等受到較大限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足“新工科”對(duì)人才培養(yǎng)的需求。

1.2 教學(xué)資源短缺，理論與實(shí)踐脫節(jié)

較國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)而言，地方應(yīng)用型本科院校學(xué)校教育環(huán)境、人才培養(yǎng)模式、實(shí)踐條件保障等方面差距較大[7]。配備鍋爐、模擬器及安全附件等教學(xué)設(shè)備和設(shè)施費(fèi)用昂貴，且鍋爐具有爆炸危險(xiǎn)性。一些地方應(yīng)用型本科院校在有限的教學(xué)資源條件下，沒(méi)有配備這些設(shè)施的能力，不具備鍋爐突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)模擬條件。另外，在安全生產(chǎn)的高要求下，相關(guān)現(xiàn)代化、規(guī)模企業(yè)接納學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)意愿不強(qiáng)[8]，學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)少，理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)受限。

2 虛擬仿真在“鍋爐安全”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍，培養(yǎng)綜合能力

“鍋爐安全”實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要基于我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的虛擬仿真技術(shù)完成的，“鍋爐安全”的虛擬仿真模型以65 t/h 電站過(guò)熱蒸汽鍋爐為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，裝置結(jié)構(gòu)和工藝流向清晰易見(jiàn)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容以企業(yè)的需求和學(xué)生的發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)，采用了從認(rèn)知到體驗(yàn)，從易到難，從理論到實(shí)踐的教學(xué)方法，以企業(yè)的需求和學(xué)生的發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建了多層次（鍋爐設(shè)備基本認(rèn)知，鍋爐正常開(kāi)車、運(yùn)行和停車，鍋爐事故類型、分析及處理和設(shè)計(jì)創(chuàng)新性課題）層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，可滿足不同層次、不同類型學(xué)生的學(xué)習(xí)及能力的培養(yǎng)需求。

在鍋爐正常開(kāi)車、運(yùn)行、停車和鍋爐事故類型、分析及處理模塊中，都強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，由學(xué)生自主選擇進(jìn)行學(xué)習(xí)。以鍋爐單元操作的開(kāi)車、正常運(yùn)行、停車為例，學(xué)生要完成一個(gè)完整的鍋爐單元操作開(kāi)車、維持正常運(yùn)行和停車過(guò)程，需要完成如下程序：①開(kāi)車前準(zhǔn)備；②除氧器投運(yùn)；③鍋爐上水；④燃料系統(tǒng)投運(yùn)；⑤鍋爐點(diǎn)火；⑥鍋爐升壓；⑦鍋爐并汽；⑧鍋爐負(fù)荷提升；⑨汽壓及汽溫的調(diào)整；⑩鍋爐燃燒的調(diào)整；?鍋爐負(fù)荷降量；?關(guān)閉燃料系統(tǒng)；?停止汽包上水；?泄液。

其中，每個(gè)程序都需要學(xué)生進(jìn)行多個(gè)步驟的操作。學(xué)生需要首先在軟件指導(dǎo)模式下完成一遍整個(gè)操作程序，還需要自主完成操作且系統(tǒng)評(píng)分需達(dá)到一定分?jǐn)?shù)，才可以進(jìn)入到下一模塊。通過(guò)這種方式，一方面加深學(xué)生對(duì)操作規(guī)程的熟悉程度，另一方面也有助于學(xué)生對(duì)鍋爐從開(kāi)車到停車整個(gè)操作過(guò)程的理解。學(xué)生在進(jìn)行其他類似模塊學(xué)習(xí)時(shí)也需要進(jìn)行這些步驟的操作，一方面可以加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)踐能力，另一方面也讓學(xué)生建立工程操作的概念，強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)踐的認(rèn)知。

結(jié)合學(xué)生興趣，讓學(xué)生主動(dòng)參與設(shè)計(jì)創(chuàng)新性課題，可培養(yǎng)科研意識(shí)，鍛煉創(chuàng)新能力和寫(xiě)作能力等。比如“管道天然氣泄漏的模擬分析”“鍋爐天然氣燃燒影響因素的模擬分析”，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與意識(shí)和主觀能動(dòng)性，不僅有利于學(xué)生更好地理解課程中的相關(guān)內(nèi)容，還可以作為學(xué)生的畢業(yè)論文題目，并以此為基礎(chǔ)，鼓勵(lì)撰寫(xiě)成科技論文，目前已被學(xué)術(shù)期刊錄用、發(fā)表若干篇。

2.2 拓展傳統(tǒng)教學(xué)方式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

以鍋爐單元操作為主線，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，將教室課堂教學(xué)拓展至“教室+實(shí)驗(yàn)室+線上+線下”“工程化DCS控制及仿真模擬”有機(jī)結(jié)合起來(lái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)評(píng)分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的吸引力。

教學(xué)過(guò)程中采用線上交互式操作和線下教學(xué)相結(jié)合的方式。采用文字、圖片和三維動(dòng)畫(huà)結(jié)合的方式展現(xiàn)，也可以加入視頻內(nèi)容，給學(xué)生視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)多重沖擊，使學(xué)生得到更為真實(shí)的感受，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。教師可結(jié)合學(xué)習(xí)通、QQ 等將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)，對(duì)于有針對(duì)性的問(wèn)題，可在教學(xué)或課余時(shí)間進(jìn)行講解與討論，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)踐教學(xué)和課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的良性互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生由單純的被動(dòng)學(xué)習(xí)接受向探索的轉(zhuǎn)變。

2.3 突破時(shí)空限制，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足

在實(shí)際工礦企業(yè)鍋爐操作中，一些異常情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生，如停電、熱蒸汽壓力過(guò)高、鍋爐滿水、鍋爐缺水等都會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)，甚至發(fā)生事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[9]。這些狀況是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要避免發(fā)生的，在實(shí)踐教學(xué)中，不可能直接讓學(xué)生進(jìn)行直接的操作或體驗(yàn)真實(shí)的事故及現(xiàn)場(chǎng)處置。

從化工鍋爐單元操作的實(shí)際出發(fā)，“鍋爐安全”實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)提供了鍋爐滿水、對(duì)流管損壞、二次燃燒、減溫器損壞、停電事故、鍋爐缺水和給水管損壞等豐富的鍋爐事故類型模塊，將學(xué)生在課堂及實(shí)踐教學(xué)中無(wú)法觀察到的現(xiàn)象或者實(shí)施有困難、高危、有毒、有害的單元操作及事故分析與處理采用DCS 控制和虛擬仿真的形式進(jìn)行展現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的不足，豐富了教學(xué)資源。學(xué)生在電腦桌面上就可以模擬實(shí)驗(yàn)操作，不受時(shí)空距離的限制[10-11]，可自主選擇需要被處理的異常情況，按照規(guī)定的緊急處理方案在虛擬仿真裝置上進(jìn)行操作。通過(guò)對(duì)突發(fā)鍋爐異常事件進(jìn)行模擬訓(xùn)練，提高學(xué)生對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.4 教學(xué)成本低，實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化

安全、環(huán)保問(wèn)題和不菲的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，長(zhǎng)期困擾著高校特種設(shè)備乃至化工安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)。開(kāi)設(shè)“鍋爐安全”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不僅滿足了學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)要求，且不接觸實(shí)際的裝置和化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)非常安全，重復(fù)操作性強(qiáng)，一次性成本和維護(hù)成本均比較低，提高了教學(xué)安全性，符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的發(fā)展方向[12]。

3 結(jié)束語(yǔ)

從應(yīng)用型本科院校傳統(tǒng)鍋爐安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本現(xiàn)狀出發(fā)，分析了引入虛擬仿真進(jìn)行課程教學(xué)的必要性，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，深受師生歡迎。學(xué)生實(shí)踐的同時(shí)規(guī)避了可能的危險(xiǎn)，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，進(jìn)而提高了課程的教學(xué)效果，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程及工作奠定基礎(chǔ)。