聶艷 李晶瑩 王怡 陳立宇 徐龍

摘? 要? 新工科建設(shè)和大類培養(yǎng)模式對(duì)高校教育改革提出新的挑戰(zhàn)?；S建模實(shí)踐教學(xué)課程作為西北大學(xué)化工與制藥類選修課，逆于傳統(tǒng)化工實(shí)踐教學(xué)思維，建立完整的教學(xué)體系，并形成“認(rèn)知—實(shí)踐—建?！钡姆旨?jí)結(jié)構(gòu)和“合作—分工”的學(xué)習(xí)模式?；谠撜n程的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)感悟等角度探究該實(shí)踐課程的實(shí)際運(yùn)行情況以及學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和綜合能力培養(yǎng)情況。

關(guān)鍵詞? 新工科；化工廠建模；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）16-0106-04

0? 引言

完善傳統(tǒng)工科，增強(qiáng)國(guó)家實(shí)力，新工科既要承載教育的新結(jié)構(gòu)、新理念和新質(zhì)量，也為社會(huì)提供新人才和新發(fā)展?；ゎ悓I(yè)的新工科建設(shè)應(yīng)該踐行產(chǎn)出導(dǎo)向的教育理念（OBE），建設(shè)新的以學(xué)生為本、以成果為目標(biāo)導(dǎo)向并具有逆向思維的課程體系[1]。新工科教育推動(dòng)工科和其他學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)高層次的具有工程創(chuàng)新性和多學(xué)科交叉融合的綜合性人才[2]。

實(shí)踐教學(xué)是提升學(xué)生綜合素質(zhì)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)化工實(shí)踐教學(xué)以學(xué)生到工廠實(shí)習(xí)為主，先學(xué)習(xí)課本專業(yè)知識(shí)，再用實(shí)踐實(shí)習(xí)來(lái)印證。而在新工科背景下需要更新教學(xué)目的，采用逆向思維由實(shí)踐來(lái)引導(dǎo)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，建立新的實(shí)踐教學(xué)模式與傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)互補(bǔ)，提升化工類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量。以西北大學(xué)化工類專業(yè)本科生教學(xué)為例，化工廠建模是在新工科背景下，以逆向思維和學(xué)科交叉融合模式提出的面向全院學(xué)生選修的一門(mén)實(shí)踐課程。近年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐表明，在大類培養(yǎng)模式下，該課程充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)化工學(xué)習(xí)的興趣，由宏觀到微觀引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)化工專業(yè)知識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生在化工軟件應(yīng)用、建筑模型設(shè)計(jì)和視頻動(dòng)畫(huà)制作等方面的能力。本文對(duì)化工廠建模的實(shí)際教學(xué)情況進(jìn)行總結(jié)分析。

1? 化工廠區(qū)三維建模課程體系

1.1? 廠址選擇

選址是建廠過(guò)程中既復(fù)雜又關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，涉及多種因素，如面積規(guī)劃、資源利用、土地供應(yīng)、交通運(yùn)輸和環(huán)境保護(hù)等。宏觀分析我國(guó)化工企業(yè)布局，東北地區(qū)以重工業(yè)為主，東南沿海特別是珠江三角洲地區(qū)是輕工業(yè)；東北和西北地區(qū)以石油為主，黃土高原附近以煤炭工業(yè)為主；等等。學(xué)生在選址過(guò)程中須遵循以下原則：

1）在位置方面，符合國(guó)家整體工業(yè)布局，選擇成熟的工業(yè)園區(qū)，在生產(chǎn)上有協(xié)作，在原材料、公用工程和廢水廢氣等方面可以互通；

2）在面積方面，應(yīng)在滿足行政辦公區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)等用地要求的同時(shí)，考慮合適的發(fā)展預(yù)留用地；

3）在工程地質(zhì)、水文地質(zhì)方面，選擇地震烈度在9度以下和地下水位低于地基深度的地區(qū)，并且水質(zhì)良好、水量充足；

4）在交通方面，要求盡可能靠近原有交通線（水運(yùn)、鐵路、公路），運(yùn)輸便捷，減少在交通運(yùn)輸建設(shè)方面的工程量；

5）在動(dòng)力供應(yīng)方面，需保證電、汽、燃料有可靠的供應(yīng)源；

6）在氣象方面，考慮地區(qū)全年溫度、濕度及其他惡劣天氣對(duì)工廠項(xiàng)目及建筑基礎(chǔ)的影響；

7）在原料提供和產(chǎn)品輸出方面，所需原料最好由總廠提供，同一城市最好有下游產(chǎn)品的生產(chǎn)商，以減少運(yùn)輸開(kāi)支。

1.2? 化工廠總平面布置

化工廠總平面布置如室內(nèi)設(shè)計(jì)，含三個(gè)區(qū)域：

1）行政生活區(qū)，含辦公樓、停車場(chǎng)、醫(yī)療室、員工休息室、餐廳和員工活動(dòng)中心；

2）輔助生產(chǎn)區(qū)，包括中心控制室、分析檢測(cè)室、配電室、公用工程、消防站、事故水池、廢水處理池、工藝特有設(shè)施和發(fā)展用地；

3）生產(chǎn)區(qū)，包括原料儲(chǔ)罐、生產(chǎn)工段、產(chǎn)品儲(chǔ)罐、倉(cāng)庫(kù)和裝卸臺(tái)。

該部分主要考查學(xué)生對(duì)行政生活區(qū)和輔助生產(chǎn)區(qū)的合理布置，由于學(xué)生未接觸化工工藝，對(duì)生產(chǎn)區(qū)的布置不做重點(diǎn)考核?？偲矫娌贾靡裱?、防火、防爆、安全和環(huán)保等相關(guān)規(guī)范，綜合考慮地理?xiàng)l件和氣象因素，減少非生產(chǎn)設(shè)施，節(jié)省占地、節(jié)約投資，充分利用有效土地面積，應(yīng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展眼光，對(duì)未來(lái)廠區(qū)建設(shè)有潛在規(guī)劃，做到人流、物流配送科學(xué)合理，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)地域與輔助地域功用分區(qū)明顯。緊密結(jié)合工業(yè)園區(qū)的遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展，節(jié)約用地，充分考慮衛(wèi)生防護(hù)條件和環(huán)境保護(hù)要求。依據(jù)廠區(qū)地形特點(diǎn)、化工產(chǎn)品生產(chǎn)工程的特性和各種建筑的功用，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理布置、功用分區(qū)合理、處理流程暢通、有利于工業(yè)生產(chǎn)、便于管理工作。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮的因素有風(fēng)向、生活辦公區(qū)位置、消防位置、儲(chǔ)罐位置、裝卸區(qū)和人車分離等。

圖1是2020年學(xué)生的建模作品。圖1a是學(xué)生設(shè)計(jì)的總平面布置圖，其中行政生活區(qū)位于西南方向，入廠大門(mén)附近即辦公樓門(mén)前留有廠區(qū)文化場(chǎng)所，增強(qiáng)工廠整體文化底蘊(yùn)，避開(kāi)生產(chǎn)區(qū)，保證周圍環(huán)境凈化噪聲污染；在休息室周圍進(jìn)行綠化，營(yíng)建綠色清潔健康的環(huán)境；在廠區(qū)的西南側(cè)布局有籃球場(chǎng)等運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地及職工活動(dòng)中心，大大便利員工工作之余的休閑生活。生產(chǎn)區(qū)處于全場(chǎng)中心和東南角位置，周圍圍繞輔助生產(chǎn)區(qū)和罐區(qū)，這樣有利于便捷高效的預(yù)處理、生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)。大門(mén)距離主干道15米以上，廠區(qū)內(nèi)道路規(guī)劃暢通，并規(guī)劃了應(yīng)急消防車道，保證火災(zāi)危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)，消防車、運(yùn)輸車及其他車輛順暢通行。從圖1b的3D效果圖可以看出，該學(xué)生設(shè)計(jì)的模型位置與總圖保持一致。

1.3? 廠區(qū)建筑建模

常用的建筑三維模型軟件有UG、SolidWorks、ProE、SketchUp和3Ds Max等[3]。開(kāi)課以來(lái)，采用3Ds Max建模，根據(jù)學(xué)生作品反饋，少數(shù)電腦基礎(chǔ)好的學(xué)生使用該軟件游刃有余，而多數(shù)學(xué)生認(rèn)為該軟件操作復(fù)雜，不能夠充分利用軟件進(jìn)行建模。在接下來(lái)的教學(xué)過(guò)程中將引入SketchUp軟件，該軟件相比于3Ds Max操作簡(jiǎn)單、易于上手。

化工廠的性質(zhì)決定了廠區(qū)綠化率非常低，建筑體的立體設(shè)計(jì)在化工廠整體形象及企業(yè)文化上至關(guān)重要，而這一部分在化工廠總圖布置中是無(wú)法體現(xiàn)的。不同于平面設(shè)計(jì)，模型的建立需要考慮實(shí)際高度以及建筑體設(shè)計(jì)的視覺(jué)效果。值得注意的是，建筑模型的俯視投影必須與總圖設(shè)計(jì)所規(guī)劃的位置達(dá)到1∶1吻合。在建模過(guò)程中要強(qiáng)化重點(diǎn)、弱化細(xì)節(jié)，重點(diǎn)包括建筑外形、層高等，細(xì)節(jié)之處如窗戶、門(mén)等。建筑體的設(shè)計(jì)可在實(shí)際工廠建筑的基礎(chǔ)上改進(jìn)，但不能偏向于商業(yè)化建筑。豐富的建筑顏色對(duì)學(xué)生有視覺(jué)沖擊，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作欲，但實(shí)際化工廠使用的建筑顏色比較單一，以灰、白為主，因此，運(yùn)用色彩的語(yǔ)言和手法協(xié)調(diào)整個(gè)化工廠的建筑群并建立空間關(guān)聯(lián)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。另外，廠區(qū)內(nèi)部的道路、消防設(shè)施、事故水池和綠化等的建模設(shè)計(jì)也非常重要。學(xué)生在建模過(guò)程中的思考和創(chuàng)新：建筑物頂樓臺(tái)種植綠植，加大綠化面積，同時(shí)改善廠區(qū)空氣質(zhì)量；路面略高于其他地面，有利于雨水疏通，防止路面積水?？梢钥闯鰧W(xué)生在建模實(shí)踐過(guò)程中是動(dòng)腦思考的，而非機(jī)械性地照?qǐng)D建模。

1.4? 車間設(shè)備建模

多數(shù)化工廠的車間以露天為主，采用鋼架結(jié)構(gòu)，包含化工設(shè)備有塔器、換熱器和泵等。可選擇的軟件有SmartPlant 3D、PDMAX、PDMS、SolidWorks、CADWorx、AutoPLANT Piping、PDS、AutoCAD Plant?3D等，本課程采用PDMS軟件教學(xué)并與設(shè)計(jì)院合作交流[4]。在校學(xué)生對(duì)化工工藝流程和設(shè)備尺寸缺乏了解，為強(qiáng)化學(xué)生對(duì)化工設(shè)備的認(rèn)識(shí)，組織學(xué)生進(jìn)入工廠了解設(shè)備的具體形貌或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)圖片剖析設(shè)備的零部件。要求學(xué)生建立的設(shè)備模型外觀符合實(shí)際、尺寸合適，避免出現(xiàn)塔器瘦高、換熱器細(xì)長(zhǎng)、儲(chǔ)罐過(guò)大或過(guò)小以及多個(gè)車間復(fù)制粘貼的現(xiàn)象。

第一批建模學(xué)生反饋：設(shè)備建模期間認(rèn)識(shí)了塔器的外形、人孔的位置、操作臺(tái)的位置、塔頂封頭裝置和冷凝系統(tǒng)及塔底再沸器裝置等，在大三學(xué)習(xí)化工原理課程精餾、吸收等章節(jié)時(shí)可以更好地理解精餾的原理，在塔設(shè)計(jì)這方面也能更好地理解塔板數(shù)、板間距等，并在能夠在腦海中進(jìn)行空間想象。設(shè)備建?？梢允箤W(xué)生由淺入深、由宏觀到微觀地深入化工核心。

1.5? 渲染及漫游制備

渲染是把數(shù)據(jù)化的場(chǎng)景和模型生成具有3D效果的圖片或視頻[5]。常用的渲染器有Vray、Corona、Lumion、Twinmotion、Enscape、UE4等。教學(xué)過(guò)程中采用Vray渲染器，并鼓勵(lì)使用軟件有困難的學(xué)生使用3Ds Max自帶渲染器。渲染效果與多種因素有關(guān)，想要達(dá)到逼真的效果，必須充分理解和掌握燈光和材質(zhì)這兩大參數(shù)。在光學(xué)方面，像攝影者利用光拍攝一樣，只有充分理解自然界中光的反射、漫反射和吸收等光線規(guī)律，并在熟練掌握軟件中的燈光參數(shù)的基礎(chǔ)上，才能渲染出光感自然的3D效果圖。在材質(zhì)方面，學(xué)生需要具備軟件材質(zhì)基礎(chǔ)，并通過(guò)對(duì)真實(shí)物體的認(rèn)知來(lái)提升對(duì)質(zhì)感的理解。

通過(guò)對(duì)比近三年的作品，發(fā)現(xiàn)材質(zhì)的運(yùn)用是學(xué)生作品質(zhì)量發(fā)生質(zhì)變的關(guān)鍵。由圖2可知，圖2a雖然顏色運(yùn)用得比較豐富，但是缺少圖2b中的真實(shí)感。另外，渲染速度是學(xué)生完成作品的最后關(guān)鍵，場(chǎng)景大小、模型數(shù)量、材質(zhì)大小，光源數(shù)量以及渲染設(shè)置都是影響渲染速率的因素。學(xué)生在作品制作過(guò)程中需要綜合考慮這些因素，不能只求質(zhì)量不求效率。

2? 創(chuàng)新與特色

2.1? 完善的教學(xué)內(nèi)容

在大類培養(yǎng)模式下，為培養(yǎng)新工科人才，本著實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容由淺入深的原則，為一年級(jí)學(xué)生開(kāi)展選修課化工廠建模，從選址、布置、建模和渲染四大方面建立完善的教學(xué)體系。

第1節(jié)引導(dǎo)學(xué)生從宏觀角度了解我國(guó)的化工行業(yè)布局以及化工廠在建設(shè)初期需要考慮的問(wèn)題因素。

第2節(jié)涉及總平面布置，學(xué)生需熟悉《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《石油化工廠區(qū)綠化設(shè)計(jì)規(guī)范》《石油化工企業(yè)廠區(qū)總平面布置設(shè)計(jì)規(guī)范》《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《工業(yè)企業(yè)廠內(nèi)運(yùn)輸安全》等規(guī)范，在學(xué)生真正踏入化工行業(yè)前注入安全意識(shí)。

第3～5節(jié)屬于軟件操作，信息時(shí)代的學(xué)生對(duì)電腦的使用非常熟悉，以軟件為切入口，可以帶動(dòng)學(xué)生的積極性。其中第3節(jié)和第4節(jié)屬于模型建模，考查學(xué)生對(duì)建模軟件的掌握情況，對(duì)于不同類別的建模采用不同的專業(yè)軟件，在掌握建筑外觀建模的同時(shí)也將化工專業(yè)的設(shè)備管道建模軟件教給學(xué)生。第5節(jié)是學(xué)生作品展示環(huán)節(jié)，圖像和視頻更能直觀地展示學(xué)生的審美和空間想象能力。此外，在全面覆蓋教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力拓寬其他相關(guān)軟件應(yīng)用。

2.2? 設(shè)計(jì)與實(shí)際結(jié)合的課程體系

化工廠建模涉及設(shè)計(jì)和建模兩大部分，模型來(lái)源于實(shí)際，學(xué)生在建模之初對(duì)建筑體的了解相對(duì)到位，但對(duì)塔器、換熱器、泵等化工設(shè)備的認(rèn)識(shí)少之又少，除了網(wǎng)絡(luò)上的圖片外很少能接觸這些設(shè)備。為此，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入工廠，觀察實(shí)際的化工設(shè)備這一過(guò)程至關(guān)重要。學(xué)生在實(shí)際參觀過(guò)程中對(duì)化工廠及化工設(shè)備有了外觀的認(rèn)識(shí)，這不僅對(duì)化工廠建模起到奠基作用，也為學(xué)生學(xué)習(xí)化工專業(yè)課做了良好的鋪墊。

2.3? “認(rèn)知—實(shí)踐—建?！钡姆旨?jí)結(jié)構(gòu)，“合作—分工”的學(xué)習(xí)模式

課程內(nèi)容建立“認(rèn)知—實(shí)踐—建?！钡姆旨?jí)結(jié)構(gòu)，循序漸進(jìn)地讓學(xué)生了解化工廠，認(rèn)識(shí)化工設(shè)備，掌握化工專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。認(rèn)知階段主要在第1、2節(jié)，學(xué)生主要通過(guò)課堂學(xué)習(xí)、課后針對(duì)性查閱來(lái)認(rèn)識(shí)化工廠。實(shí)踐教學(xué)是學(xué)生真正踏入并了解化工廠的第一步，在認(rèn)知階段結(jié)束后組織學(xué)生參觀工廠，近距離認(rèn)識(shí)化工設(shè)備。信息時(shí)代的學(xué)生使用電腦軟件不是一件困難的事情，三維物體的建模可以充分激發(fā)學(xué)生的興趣，從近三年的教學(xué)情況可以看出，學(xué)生對(duì)電腦建模的熱情很高。課程共計(jì)18課時(shí)，學(xué)生的合作階段主要表現(xiàn)在對(duì)化工廠的認(rèn)知和建模軟件的學(xué)習(xí)方面，而在建筑設(shè)備建模和渲染階段，學(xué)生可以2～3人自由組隊(duì)、分工完成。

2.4? 用色彩帶動(dòng)學(xué)生創(chuàng)造性

優(yōu)秀的模型需要絢麗的色彩來(lái)點(diǎn)綴，簡(jiǎn)單的色彩具有強(qiáng)大的視覺(jué)沖擊力，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)造潛力?；S建模采用答辯和視頻展示的考核模式，近年來(lái)，學(xué)生的作品更加注重色彩的體現(xiàn)：第一屆的學(xué)生作品在顏色渲染上關(guān)注較少，側(cè)重點(diǎn)主要集中在模型的建模上；第二屆學(xué)生在掌握一種軟件并懂得使用網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，增加了模型外立面的裝飾；第三屆學(xué)生可以針對(duì)不同的模塊高效使用相關(guān)專業(yè)軟件，使用真實(shí)的圖片對(duì)模型進(jìn)行渲染來(lái)增加模型的逼真性。作品質(zhì)量逐年升高。

3? 結(jié)束語(yǔ)

在新工科背景下，具有逆向思維、兼顧多種學(xué)科的專業(yè)選修課化工廠建模對(duì)促進(jìn)學(xué)生對(duì)后續(xù)化工專業(yè)知識(shí)的深入研習(xí)具有重要意義，對(duì)培養(yǎng)高層次新工科人才具有重要作用。本文對(duì)化工廠建模課程實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行總結(jié)分析，挖掘課程的深層意義和價(jià)值。該課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系相對(duì)完善，形成從認(rèn)知到實(shí)踐再到建模的分級(jí)結(jié)構(gòu)以及學(xué)生合作分工的學(xué)習(xí)模式，學(xué)生的自主專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)潛能被激發(fā)。未來(lái)，該實(shí)踐教學(xué)課程將以O(shè)BE為導(dǎo)向持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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*基金項(xiàng)目：西北大學(xué)教學(xué)研究與成果培育項(xiàng)目“四年一貫制工科創(chuàng)新教育實(shí)踐機(jī)制的研究”（JX18144）。

作者：聶艷，西北大學(xué)化工學(xué)院，工程師，研究方向?yàn)槟茉椿?；李晶瑩，通信作者，西北大學(xué)化工學(xué)院，講師，研究方向?yàn)榛ど芷冢煌踱?、陳立宇、徐龍，西北大學(xué)化工學(xué)院（710069）。