周丹紅,王紅艷,卓 馨,郭 攀,張萍花

宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽宿州， 234000

長(zhǎng)期以來，化學(xué)化工學(xué)科被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)性科學(xué)。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到，化學(xué)化學(xué)工程中的復(fù)雜問題可以通過虛擬化和模擬來研究和解決。但是，從人才培養(yǎng)的嚴(yán)謹(jǐn)性來講，化學(xué)和化學(xué)工程的實(shí)踐性仍然很重要。因此，開發(fā)虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)性虛擬仿真項(xiàng)目，對(duì)人才培養(yǎng)具有特別重要的意義。為適應(yīng)21世紀(jì)人才培養(yǎng)的要求，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，改革實(shí)踐教學(xué)方式方法，中華人民共和國(guó)教育部高等教育司于2013年下文在全國(guó)構(gòu)構(gòu)建一系列具有示范和引領(lǐng)作用的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬中心，不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新[1-2]，到2020 年遴選出1 000 項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，這些教學(xué)資源的建設(shè)對(duì)各類專業(yè)人才的培養(yǎng)起到了極大的促進(jìn)作用[3]，宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院立足于專業(yè)與學(xué)科優(yōu)勢(shì)，積極探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，建立化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義

石油化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)，國(guó)有大型石油化工企業(yè)的生產(chǎn)裝置具有很高的自動(dòng)化和信息化水平，需要大量有相關(guān)知識(shí)和操作技能的工程技術(shù)人員?；I(yè)在人才目標(biāo)上要符合企業(yè)的要求，因此在教學(xué)過程中要求學(xué)生要掌握多種技能。針對(duì)化工專業(yè)具有實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生必須經(jīng)過專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)等環(huán)節(jié)的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，在仿真技術(shù)沒有普及之前，學(xué)校只有和化工企業(yè)聯(lián)系，建立實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，讓學(xué)生到工廠實(shí)習(xí)。但是由于工廠裝置的大型化、復(fù)雜化，工廠為保證安全和效益，讓學(xué)生只能遠(yuǎn)距離觀看，不允許學(xué)生動(dòng)手操作，因此到工廠實(shí)習(xí)效果普遍不好；另外，學(xué)校也難于承受不斷上漲的實(shí)習(xí)費(fèi)用，學(xué)生實(shí)習(xí)難的情況在化工院校普遍存在。在仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)出現(xiàn)以后，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，培訓(xùn)單元軟件系統(tǒng)的運(yùn)行，沒有化工原料的實(shí)際輸入和輸出，能源消耗低，沒有污染，也沒有爆炸等危險(xiǎn)事故?；どa(chǎn)中的所有“過程工藝現(xiàn)象”都由硬件和軟件來模擬，模擬的參數(shù)被送到仿真DCS，部分參數(shù)被送到現(xiàn)場(chǎng)儀表上顯示。學(xué)生通過交互操作，如同進(jìn)入工廠，感受到的是一個(gè)完全“真實(shí)”的化工生產(chǎn)裝置在運(yùn)行中[4]，學(xué)生可以調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行多次練習(xí)，獲得優(yōu)化工藝條件，通過化工單元、化工原理、化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)、化工設(shè)備等多種操作軟件的練習(xí)，以達(dá)到更快掌握操作技能的目的。虛擬仿真教學(xué)很容易與其他先進(jìn)的教學(xué)方法相結(jié)合，有助于提高課程教學(xué)效果，而且成本低、效率高，使學(xué)生可以不受場(chǎng)地與設(shè)備的限制，掌握更多的技能，因此，將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入到高校本科實(shí)踐教學(xué)中，已經(jīng)成為實(shí)踐教學(xué)改革的新趨勢(shì)，解決學(xué)生“實(shí)習(xí)難、動(dòng)手難”的問題[5-6]。

2 化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的現(xiàn)狀

化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)依托國(guó)家級(jí)特色專業(yè)、省級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、省級(jí)示范實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心(化工實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心)、省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(推薦國(guó)家級(jí))，將特色鮮明的優(yōu)勢(shì)學(xué)科與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來?；W(xué)院與東方仿真軟件技術(shù)有限公司和歐貝爾仿真軟件技術(shù)有限公司簽署有互助合作協(xié)議，公司針對(duì)化工教學(xué)特點(diǎn)，開發(fā)了適合化工專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。宿州學(xué)院有完善的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，學(xué)校信息與網(wǎng)絡(luò)中心建設(shè)高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中心配備開發(fā)用計(jì)算機(jī)和專門的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供開發(fā)、維護(hù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份服務(wù)。實(shí)驗(yàn)室配備高性能服務(wù)器1臺(tái)，仿真實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)45臺(tái)，同時(shí)滿足1個(gè)自然班的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。利用中心的終端設(shè)備或個(gè)人電腦，學(xué)生在任何時(shí)間均可進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)校網(wǎng)絡(luò)具有可靠的防火墻體系，可以實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)防病毒、信息過濾和入侵檢測(cè)功能，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行、日常管理和維護(hù)?；趯W(xué)校網(wǎng)絡(luò)提供的身份認(rèn)證功能，提供用戶認(rèn)證和權(quán)限等級(jí)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的日常維護(hù)、登錄管理和信息安全。

3 化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

化工虛擬仿真根據(jù)教學(xué)可分為工科基礎(chǔ)化學(xué)和化工仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、化工過程3D仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、仿真職業(yè)技能競(jìng)賽平臺(tái)，及教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、技能培訓(xùn)為一體，把學(xué)院實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)提升到了一個(gè)新的高度，滿足不同專業(yè)、不同層次的教學(xué)需求，平臺(tái)具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如下：

3.1 工科基礎(chǔ)化學(xué)和化工仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本模塊是針對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)大型分析儀器和化工單元操作設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微觀過程或作用機(jī)理難以直接測(cè)定等問題，開設(shè)光譜、色譜系列儀器、氣質(zhì)、液質(zhì)聯(lián)用儀器及其他大型儀器仿真實(shí)驗(yàn)、化工原理仿真實(shí)驗(yàn)、化工單元、化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)、化工合成典型反應(yīng)單元等仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過儀器內(nèi)部 3D 結(jié)構(gòu)和原理展示、虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景互動(dòng)操作等手段，讓學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，形象、直觀地掌握化學(xué)的基本原理和方法。

3.2 化工過程3D仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在已有仿真軟件基礎(chǔ)上(合成氨裝置轉(zhuǎn)化工段仿真軟件；合成氨工藝凈化階段仿真軟件；合成氨合成工段仿真軟件；催化裂化反應(yīng)再生工段仿真軟件；板式精餾塔設(shè)計(jì)軟件；青霉素發(fā)酵工藝仿真軟件),在石油化工(常減壓3D-原油為原料)、煤化工(甲醇合成與精制3D-煤為原料)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面的研究，擴(kuò)充過程原料，形成包含原油、煤、生物質(zhì)為原料的較為完整的原料架構(gòu)。擴(kuò)充 3D仿真教學(xué)軟件，其中化工單元操作9套，化工原理軟件11套，化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)4套，現(xiàn)代化工廠軟件1套?；ず铣傻湫头磻?yīng)單元(2D)10套。

3.3 仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括常減壓蒸餾仿真、合成氨生產(chǎn)仿真、催化裂化仿真和甲醇生產(chǎn)仿真二甲醚生產(chǎn)仿真等。由于全流程工藝仿真資源的數(shù)據(jù)基本上都來自工廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，因而為畢業(yè)環(huán)節(jié)提供了極為豐富的教學(xué)資源。教師結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)與論文項(xiàng)目方面的工作；由常減壓3D仿真軟件轉(zhuǎn)化為1個(gè)小設(shè)計(jì)項(xiàng)目，1個(gè)教師工程培訓(xùn)項(xiàng)目，3個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。由教師指導(dǎo)，學(xué)生參與開發(fā)甲醇合成與精制3D仿真軟件。指導(dǎo)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)、化學(xué)工程與工藝專業(yè)、過程裝備與控制工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。

3.4 仿真職業(yè)技能競(jìng)賽平臺(tái)

3D仿真軟件建成后，化工3D虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)中心可以成為學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生化工原理、化工設(shè)計(jì)、全國(guó)大學(xué)生市政環(huán)境類創(chuàng)新實(shí)踐能力“北控水務(wù)杯”競(jìng)賽的準(zhǔn)備場(chǎng)所，參賽選手們利用中心提供的模擬軟件進(jìn)行物料衡算、能量衡算、流程優(yōu)化，并以教師開發(fā)的軟件數(shù)據(jù)對(duì)模擬計(jì)算過程進(jìn)行驗(yàn)證；以3D仿真軟件提供的工廠實(shí)景為參考，用管道設(shè)計(jì)軟件對(duì)車間設(shè)備、管道進(jìn)行3D建模，對(duì)總廠布置進(jìn)行3D建模。在一些模擬大型化工廠的3D仿真場(chǎng)景中，如城市污水處理虛擬仿真工廠、煤制合成氨(轉(zhuǎn)化工段、凈化工段、合成工段)、苯胺裝置3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、甲醇工藝3D生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真軟件等，學(xué)生可以扮演外操作工、內(nèi)操作工、班長(zhǎng)、安全員等角色，仿真場(chǎng)景中的設(shè)備，管道、閥門、物料走向以實(shí)際工廠的布置為參考，學(xué)生相當(dāng)于在真實(shí)的工廠中漫步，可以開關(guān)閥門和啟停設(shè)備，還可以通過“地圖導(dǎo)航”了解整個(gè)工廠的布局設(shè)計(jì)，完成認(rèn)知實(shí)習(xí)。加深對(duì)工藝流程和工藝原理的認(rèn)識(shí)，為化工設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，學(xué)生在全國(guó)舉行的化工設(shè)計(jì)、化工原理大賽中多次獲獎(jiǎng)。

4 化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能：例如，儀器模擬實(shí)驗(yàn)將更加注重三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面和實(shí)驗(yàn)過程的評(píng)價(jià)與監(jiān)控；所有項(xiàng)目都可以在網(wǎng)上進(jìn)行教學(xué)和管理，學(xué)生可以在家進(jìn)行仿真練習(xí)，在突發(fā)重大公共衛(wèi)生事件背景下開展在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)，評(píng)價(jià)、考核功能是通過一個(gè)基于服務(wù)器的后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的；包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、數(shù)據(jù)處理、圖表、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、思考題和可擴(kuò)展的測(cè)試庫；交流平臺(tái)功能允許學(xué)生通過公告板與教師進(jìn)行在線互動(dòng)，學(xué)生也可以相互討論；擴(kuò)展功能，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以嵌入新儀器的仿真軟件，可以對(duì)試題庫等進(jìn)行擴(kuò)充。學(xué)生在進(jìn)行仿真軟件的操作練習(xí)，選擇不同的培訓(xùn)項(xiàng)目，如冷態(tài)開車、正常開車、正常停車、事故處理等，學(xué)生根據(jù)自己的情況自主選擇練習(xí)，例如設(shè)計(jì)開停車方案、優(yōu)化操作方案，真實(shí)的工廠考慮到安全、生產(chǎn)計(jì)劃和運(yùn)營(yíng)成本絕不允許這樣做。在一個(gè)完整的練習(xí)中，學(xué)生在開始操作仿真項(xiàng)目之前必須要熟悉工藝流程，讀懂帶指示儀表和控制點(diǎn)的工藝流程圖，了解主要物料流向；熟悉主要操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作原理；熟悉控制系統(tǒng)和按開車規(guī)程進(jìn)行操作。另外，按評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行操作之前還應(yīng)熟知每個(gè)環(huán)節(jié)達(dá)到正常設(shè)計(jì)工況的主要控制指標(biāo)要求，如溫度T、壓力P、液位L、流量F等具體數(shù)值，學(xué)生在操作時(shí)要考慮到正常生產(chǎn)時(shí)大型化工生產(chǎn)裝置中這些參數(shù)呈現(xiàn)較大的慣性和滯后性，當(dāng)被調(diào)變量與設(shè)定值相差較大時(shí)，操作者大幅度調(diào)節(jié)閥門就會(huì)出現(xiàn)的操作失誤，也就是工況的大起大落，很難將系統(tǒng)維持在穩(wěn)定的狀態(tài)下，而質(zhì)量控制評(píng)分步驟是根據(jù)操作者的操作值與設(shè)定值的接近程度來給分?jǐn)?shù)，兩者越接近分?jǐn)?shù)越高，學(xué)生通過操作如控制流量的大小，閥門開度等過程來進(jìn)行優(yōu)化研究從而可以提高質(zhì)量控制步驟分?jǐn)?shù)，也為今后在實(shí)際工廠生產(chǎn)操作打下基礎(chǔ)。自虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建立以來，線上學(xué)習(xí)人數(shù)達(dá)到12 000余人，教學(xué)資源將逐步全部支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的遠(yuǎn)程訪問，即全部實(shí)現(xiàn)校外共享，面向國(guó)內(nèi)高校及職業(yè)學(xué)校開放線上仿真及線下生產(chǎn)線培訓(xùn)。學(xué)生或校外需要培訓(xùn)的人員在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)注冊(cè)賬號(hào)就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)空間進(jìn)行操作練習(xí)，平臺(tái)記錄了參與者使用賬號(hào)、培訓(xùn)項(xiàng)目、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)和考試記錄等信息，如圖1和圖2所示。同時(shí)，教師可下載實(shí)習(xí)報(bào)告，綜合分析學(xué)生的實(shí)習(xí)效果。

圖1 仿真實(shí)習(xí)軟件線上登錄界面

圖2 仿真實(shí)習(xí)軟件學(xué)習(xí)使用記錄情況

5 平臺(tái)的教學(xué)效果

化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心配合《化工工藝專業(yè)實(shí)驗(yàn)》《化工原理實(shí)驗(yàn)》《化工仿真實(shí)訓(xùn)》《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》《化學(xué)反應(yīng)工程》《化工設(shè)計(jì)》等工程化學(xué)專業(yè)課程，面向3個(gè)二級(jí)學(xué)院，6個(gè)本科專業(yè)，500 多名學(xué)生，總計(jì)開設(shè)20個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，年實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)達(dá) 5 000人時(shí)數(shù)。受益專業(yè)面廣，學(xué)生人數(shù)多，極大地提高了人才培養(yǎng)水平。通過仿真平臺(tái)軟件，把“化工原理設(shè)計(jì)”“化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”“專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)”課程組合，已編寫《化工仿真實(shí)訓(xùn)》指導(dǎo)書，在實(shí)施過程中和東方仿真軟件公司合作，建設(shè)校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“智慧課堂”，在此項(xiàng)目的基礎(chǔ)上獲批2018年化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，并推薦參評(píng)2019年度和2021年度國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，獲批2019年安徽省大規(guī)模在線開放課程(MOOC)示范項(xiàng)目，獲批2019年安徽省化工類專合委教學(xué)研究項(xiàng)目，和歐貝爾仿真軟件公司合作，建設(shè)云課堂，學(xué)生可進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、仿真實(shí)訓(xùn)練習(xí)。通過國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)和安徽省網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)中心(e會(huì)學(xué))平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源共享。

6 結(jié) 語

通過搭建化工過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，豐富了實(shí)踐教學(xué)資源，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，特別是在全流程仿真學(xué)習(xí)過程中，讓學(xué)生通過觀察、聯(lián)想、辨別，了解化工、化學(xué)過程的控制特點(diǎn)及其關(guān)系。同時(shí)，可將仿真教學(xué)與真實(shí)的工廠實(shí)習(xí)、模擬裝置的實(shí)際操作結(jié)合在一起，提高實(shí)踐教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的工作能力，加強(qiáng)學(xué)生的工程教育、專業(yè)設(shè)計(jì)、科技創(chuàng)新能力。該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)學(xué)校之間的信息和資源共享，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育信息和資源的快速流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，鼓勵(lì)優(yōu)質(zhì)教育資源共享，提高實(shí)驗(yàn)室的開放度和使用率。它促進(jìn)了教師“教”和學(xué)生“學(xué)”方式的根本改變，有助于提高教學(xué)效果。