王柯+張宏建

摘要：本文針對(duì)《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)質(zhì)量整體下滑的問(wèn)題，提出了在課堂教學(xué)中引入三維軟件技術(shù)以及開(kāi)展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和工廠(chǎng)實(shí)習(xí)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，該模式有利于全面提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高水平工廠(chǎng)設(shè)計(jì)人才。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)；三維軟件；計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）51-0137-02

時(shí)下，發(fā)酵工業(yè)已發(fā)展成為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，發(fā)酵產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品總量已居世界首位，但多數(shù)仍局限在低水平和重復(fù)建設(shè)上，在核心技術(shù)裝備及設(shè)計(jì)建設(shè)等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在差距。這就對(duì)現(xiàn)在高?！栋l(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)內(nèi)容、手段和理念提出了新挑戰(zhàn)。

《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程是生物工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課程，是一門(mén)綜合性與實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用型課程，是整個(gè)生物工程專(zhuān)業(yè)課程規(guī)劃中最具工程化和創(chuàng)造性的課程[1]。要求學(xué)生掌握發(fā)酵工程、微生物學(xué)、生物工程設(shè)備、工程制圖等多門(mén)課程的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，具有使用繪圖軟件的能力。完成工程師的綜合性基本訓(xùn)練，使學(xué)生了解工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的工作程序、內(nèi)容、步驟，掌握發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)的理論、方法和有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，能勝任工廠(chǎng)技術(shù)改造或工藝設(shè)計(jì)的工作[2]。然而《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)效果整體出現(xiàn)下滑。成因有以下幾點(diǎn)。第一，教學(xué)方法手段單調(diào)，缺乏創(chuàng)新。學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，感到枯燥費(fèi)力。目前我國(guó)《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程的課堂教學(xué)大都是傳統(tǒng)的“粉筆黑板模式”，或用簡(jiǎn)單的多媒體課件，學(xué)生在聽(tīng)課過(guò)程中對(duì)課件所表現(xiàn)的靜態(tài)的、復(fù)雜的、枯燥的和平面的工藝流程、設(shè)備及車(chē)間布局等圖形缺乏直觀(guān)、感性的認(rèn)識(shí)[3]，認(rèn)識(shí)深度有限，不容易理解設(shè)備的結(jié)構(gòu)與功能，更難理解其操作，對(duì)工藝和車(chē)間布置一知半解，直接打擊了學(xué)生的積極性。第二，工廠(chǎng)實(shí)踐教學(xué)幾乎沒(méi)有，即使有也是走馬觀(guān)花。導(dǎo)致學(xué)生不能對(duì)廠(chǎng)址選擇依據(jù)、工廠(chǎng)總平面設(shè)計(jì)、工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)與選型、車(chē)間布置設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)與布置、輔助部門(mén)設(shè)計(jì)與布置及廢水控制和處理方法等具體細(xì)節(jié)有詳細(xì)認(rèn)知，不能詳細(xì)了解整個(gè)工廠(chǎng)的物料平衡、能量平衡、水平衡等信息。

我們依托本科教育教學(xué)改革研究課題對(duì)《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》的教學(xué)方式進(jìn)行了探索和實(shí)踐，將三維軟件技術(shù)作為《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課堂教學(xué)的手段之一，同時(shí)以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和工廠(chǎng)實(shí)習(xí)相結(jié)合的方式開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。

一、三維軟件AutoCAD Plant 3D在《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程中的應(yīng)用

AutoCAD Plant 3D是由美國(guó)的歐特克公司開(kāi)發(fā)的一款新興工廠(chǎng)三維系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。它包含工藝流程設(shè)計(jì)（P&ID）、設(shè)備設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)、電纜敷設(shè)、管線(xiàn)應(yīng)力分析、管網(wǎng)流體分析等部分。自身帶有歐美標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)標(biāo)開(kāi)發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、法蘭、閥門(mén)等三維元件庫(kù)。它能夠“建造”一個(gè)虛擬的、三維的發(fā)酵工廠(chǎng)，不僅能完美地呈現(xiàn)工廠(chǎng)的總體布局、管道布置等情況，又能夠微觀(guān)地表現(xiàn)設(shè)備詳細(xì)結(jié)構(gòu)，能夠在建廠(chǎng)前預(yù)先了解工廠(chǎng)的情況，及時(shí)糾正設(shè)計(jì)中存在的不合理情況。所以該軟件大大提高了工廠(chǎng)設(shè)計(jì)效率，并且能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，加強(qiáng)設(shè)計(jì)工作的前瞻性等。將AutoCAD Plant 3D應(yīng)用于《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課堂教學(xué)中，可以將發(fā)酵工藝中的設(shè)備，如發(fā)酵罐、離心機(jī)、換熱器、泵等，由傳統(tǒng)課件中的靜態(tài)、平面表現(xiàn)模式，轉(zhuǎn)化為三維立體模式呈現(xiàn)給學(xué)生，可以讓學(xué)生從各個(gè)角度、由內(nèi)而外全面觀(guān)察設(shè)備，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理有直觀(guān)了解。同時(shí)，利用軟件將原本工程圖紙教學(xué)中靜態(tài)的、二維的工廠(chǎng)工藝設(shè)計(jì)成動(dòng)態(tài)模型，讓學(xué)生有更加感性的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

目前，《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程涉及的工廠(chǎng)設(shè)計(jì)絕大多數(shù)是通過(guò)二維AutoCAD完成。這種方法不能精準(zhǔn)、直觀(guān)地反映工廠(chǎng)的總平面設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、車(chē)間和管道布置等情況，而且設(shè)計(jì)工作效率不高，容易出錯(cuò)，所以越來(lái)越不能適應(yīng)現(xiàn)代工廠(chǎng)的設(shè)計(jì)要求（直觀(guān)、高效、精準(zhǔn)和簡(jiǎn)捷），而三維工廠(chǎng)設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)顯然克服了這些問(wèn)題。在眾多的三維工廠(chǎng)設(shè)計(jì)軟件（PDS、PDMS、Autoplant 3D、AutoCAD Plant 3D等）中，AutoCAD Plant 3D在中小型工廠(chǎng)設(shè)計(jì)中發(fā)展最為迅猛，所以得到越來(lái)越多的設(shè)計(jì)院和工廠(chǎng)的青睞。由于三維工廠(chǎng)設(shè)計(jì)軟件在中國(guó)的發(fā)展相對(duì)于國(guó)內(nèi)是比較滯后的，能夠熟練使用的設(shè)計(jì)人才相對(duì)比較稀少。對(duì)于這樣的人才，設(shè)計(jì)院和企業(yè)的需求量較大，并且愿意支付更高的薪酬，提供更好的職業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)。一旦學(xué)生掌握了這種能力，能夠獲得更多更好的就業(yè)機(jī)會(huì)，就會(huì)更加積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。此外，由于AutoCAD Plant 3D的計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境不高，一般的PC機(jī)即可運(yùn)行，并且具有等級(jí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和現(xiàn)代化的界面，使得建模和管道、設(shè)備、結(jié)構(gòu)支架的編輯可以直接在工作空間中以三維形式進(jìn)行，其他管件也比較簡(jiǎn)單易用。所以，學(xué)生一般具備使用該軟件的條件，并且大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)使用的難度，進(jìn)一步增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。三維軟件AutoCAD Plant 3D在《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程中的應(yīng)用顯著提高了教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，強(qiáng)化了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

二、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與工廠(chǎng)實(shí)習(xí)相結(jié)合開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)

對(duì)于學(xué)習(xí)《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》的學(xué)生來(lái)說(shuō)，獲得工廠(chǎng)設(shè)計(jì)能力的前提是不僅要具有計(jì)算、繪圖、表達(dá)等基本功，了解工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的工作程序、內(nèi)容、步驟，掌握工藝設(shè)計(jì)的理論、方法和有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，還要對(duì)相關(guān)工廠(chǎng)總平面布局、工藝流程、工藝計(jì)算、設(shè)備選型、車(chē)間布置、管道布置、公用工程等有直觀(guān)深入的了解。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，鞏固和加深課堂理論教學(xué)中所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，加深對(duì)設(shè)計(jì)概念的理解。同時(shí)需要發(fā)掘工廠(chǎng)設(shè)計(jì)中的精髓與設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，提高理論聯(lián)系實(shí)際及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的首要任務(wù)是選擇合適的企業(yè)。企業(yè)要求具有典型性、時(shí)代性和指導(dǎo)性[4]，具體表現(xiàn)在：（1）企業(yè)具備行業(yè)代表性，比如以酒精生產(chǎn)為代表的酵母厭氧發(fā)酵企業(yè)，以檸檬酸生產(chǎn)為代表的霉菌好氧發(fā)酵企業(yè)，以谷氨酸生產(chǎn)為代表的細(xì)菌好氧發(fā)酵企業(yè)等；（2）生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，比如采用連續(xù)發(fā)酵的酒精企業(yè)，采用溫敏型菌株的谷氨酸企業(yè)，采用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的啤酒生產(chǎn)企業(yè)等；（3）具有時(shí)代特征，且表現(xiàn)的事實(shí)材料具有一定的普遍意義。這是由于學(xué)生對(duì)工廠(chǎng)環(huán)境陌生，需要時(shí)間適應(yīng)，影響了實(shí)習(xí)的效率。所以可制造一套與實(shí)際生產(chǎn)相似的仿真系統(tǒng)，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就可以模擬操作。

在進(jìn)入企業(yè)前，教師要充分了解發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的過(guò)程，熟悉工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)，詳細(xì)掌握生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況；做好學(xué)生實(shí)習(xí)的動(dòng)員工作，大體講解工廠(chǎng)的實(shí)際情況，講清實(shí)習(xí)的目標(biāo)，分配實(shí)習(xí)任務(wù)，對(duì)實(shí)習(xí)方法加以指導(dǎo)，并提出實(shí)習(xí)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。實(shí)習(xí)中，將整個(gè)實(shí)習(xí)分為工廠(chǎng)廠(chǎng)址選擇和工廠(chǎng)總平面設(shè)計(jì)、工廠(chǎng)工藝設(shè)計(jì)和工廠(chǎng)公用工程設(shè)計(jì)兩大主題開(kāi)展。對(duì)于第一個(gè)主題，要求學(xué)生向企業(yè)相關(guān)人員了解工廠(chǎng)所在位置的自然條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件和總平面布置圖等信息，依據(jù)課堂中所學(xué)的廠(chǎng)址選擇、總平面設(shè)計(jì)原則，對(duì)該工廠(chǎng)的廠(chǎng)址選擇、總平面設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出評(píng)價(jià)報(bào)告。對(duì)于工廠(chǎng)工藝設(shè)計(jì)和公用工程設(shè)計(jì)這個(gè)主題，要求學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)車(chē)間，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察并在操作人員的指導(dǎo)下親自操作。在這個(gè)過(guò)程中，詳細(xì)了解生產(chǎn)工藝流程，了解專(zhuān)業(yè)設(shè)備、通用設(shè)備和非標(biāo)設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、操作方法，了解車(chē)間布置、管道的選擇與布置以及給排水、供熱、供冷、儀表、自動(dòng)控制等公用工程。通過(guò)物料平衡和能量平衡計(jì)算，并參照工藝設(shè)計(jì)理論、方法和有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，評(píng)價(jià)工藝設(shè)計(jì)和公用工程設(shè)計(jì)，思考其設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出對(duì)于設(shè)計(jì)不足處的改造方案。在實(shí)習(xí)過(guò)程中，教師定期組織討論活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生就實(shí)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論，并解答學(xué)生的疑問(wèn)，做到盡量讓每個(gè)學(xué)生都能發(fā)表自己的意見(jiàn)和看法。實(shí)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生要按照發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范，依據(jù)實(shí)習(xí)工廠(chǎng)的實(shí)際情況，完成對(duì)應(yīng)工廠(chǎng)的整體設(shè)計(jì)任務(wù)。該任務(wù)的完成將有利于學(xué)生鍛煉自身的實(shí)際設(shè)計(jì)能力，進(jìn)一步掌握課程內(nèi)容，也有利于教師了解教學(xué)效果，對(duì)教學(xué)方式方法進(jìn)行優(yōu)化。

三、結(jié)束語(yǔ)

《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》是生物工程專(zhuān)業(yè)本科課程體系中的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課程，對(duì)實(shí)現(xiàn)本專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)具有重要的作用。它又是一門(mén)綜合性與實(shí)踐性很強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度較大的應(yīng)用型課程。筆者針對(duì)近年來(lái)《發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)質(zhì)量整體下滑的問(wèn)題，剖析了原因，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新教學(xué)方式，通過(guò)在課堂教學(xué)中引入三維軟件技術(shù)以及開(kāi)展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和工廠(chǎng)實(shí)習(xí)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論設(shè)計(jì)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，提高了學(xué)習(xí)效率，強(qiáng)化了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁健，槐強(qiáng)強(qiáng).基于自動(dòng)化和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)探索[J].教育教學(xué)論壇，2016，（17）.

[2]吳思方.發(fā)酵工廠(chǎng)工藝設(shè)計(jì)概論[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2006.

[3]戴清源，朱秀靈，陳濤.三維虛擬仿真技術(shù)在發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[J].科教文匯，2011，（3）.

Exploration of the Teaching Model with Practice for the Fermentation Factory Design Course

WANG Ke，ZHANG Hong-jian

（School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China）

Abstract：To resolve the problem of the declining teaching quality of the fermentation factory design course，the 3D plant design software was introduced to the classroom teaching and the computer simulating and factory training were combined to carry out the practice teaching. This teaching model was beneficial for promoting the teaching quality and cultivating high-level factory design talents.

Key words：fermentation factory design， 3D plant design software， computer simulating， practice teaching