关于化工仿真与实际操作结合的实训模式研究

胡孝贵　谢素雯　罗六保　陈水木

摘要：根据化工专业的特点，结合仿真技术的优势，阐述了在实践教学中提出的“实操+仿真+实操”、“仿真+实操+仿真”和“参观+仿真+实操”等仿真与实操有机结合的三种模式和成功搭建化工实训平台的途径。

关键词：化工；实际操作；实训模式；仿真

高职教育是我国高等教育体系的重要组成部分，其目的是要培养面向生产、建设、管理、服务第一线需要的实践能力强和职业素质高的高技能人才。为此，在高职教育中实践教学显得尤其重要。如何结合实际情况建设实训基地、搭建实训平台，是摆在专业建设面前至关重要的问题。

化工专业实训基地建设面临的问题

因专业的特殊性，化工专业校内生产性实训基地的建设面临着重重困难，原因主要有：化工生产条件比较苛刻，如需高温、高压等；所涉及的物料常是有毒、有害、易燃、易爆的；化工生产装置比较复杂，体型较庞大，占场地，且对场地的条件要求较多，建设费用较高；化工生产中环保问题较为突出，必须有解决“三废”的技术、方法、措施和资金等；化工生产操作中危险性较高，有些化学反应存在着不确定因素，有些生产工艺条件异常苛刻。所以，如何建设校内生产性实训基地这一问题，困扰着众多化工类院校。

即便建成了一定规模的化工专业实训基地，一般也存在着下列问题：同样型号的设备不会有多台，“粥少僧多”，难以满足大量学生实践教学的需要，以致学生实训有效时间不足；化学反应介质一般在封闭的不透明的管道中或在塔器中运行，学生无法观察介质的变化，造成学生对化工生产过程的原理只能一知半解；教学时，在复杂仪器设备面前教师的示范操作很难让每个学生看清，每个学生的操作又很难让教师顾及，教学效果不理想且存在着安全隐患。

另外，学生到校外化工厂实习，也存在着一定问题。比如，工厂对生产中非常重要的环节——开车、停车操作非常慎重，不会随意让学生介入进行相应训练；工厂是以完成生产任务、获得效益和保证安全为目的，不会因学生实习而调整生产工艺条件或改变原料产品种类，一般只允许学生看而不允许学生动手。这样，实习效果会大打折扣。

因此，化工专业学生要进行“实操”会碰到一些困难。那么，学生的职业技能如何得以训练呢？考虑到化工生产过程越来越连续化、自动化，计算机控制越来越普及，为此“仿真”训练将是一种非常好的方式。

仿真训练的特点

化工仿真技术是指以计算机为工具，用实时运行的动态数学模型代替实际设备、实际工厂，用键盘、鼠标模仿实际操作，集计算机技术、多媒体技术、自动控制技术、图形图像技术、数据库技术、化工专业技术于一体的一门技术，可再现一个化工生产过程，可模拟生产中流量、温度、压力、液位、组成等数据的生成或变化，可人为地模拟生产事故或故障，可使学生得到非常逼真的操作环境，可安全地纠正学生的错误，提高学生的安全意识，可针对实际情况引导学生思考、分析及解决问题等。仿真技术的发展为高职实践教学提供了广阔的空间。

仿真训练的主要优点有：（1）利用学生爱玩电脑的特点，在电脑上进行模拟训练，在电脑上实现人机对话，所以，仿真训练具有得天独厚的优势。而且，人机界面友好、绝对一视同仁，具有较强的亲和力和交互功能，能吸引学生注意力和发挥学生主动性，从而有利于提高学生实习效果。（2）仿真软件移植性强、扩展性好，易进行升级和完善。仿真软件中内容可及时更新，能做到与专业技术实际发展同步。（3）仿真软件中具有工况冻结、参数设定、时标设定、成绩评定、趋势记录、报警记录、储存加载等技术，这样，便于教师采取灵活的教学方法和不同的测评方式训练和考核学生。这是在实操中难于做到的。（4）仿真软件中可设定各种故障、极限运行状态等，以锻炼学生处理复杂问题的能力和识别事故、排除事故、解决事故的能力。这也是在实操中难于做到的。（5）利用软件技术可反复进行开车、停车训练，可观察和解读生产过程中发生的一些变化，能强化知识的理解和弥补课堂教学的不足，能形象生动展现实验原理、工艺流程、设备结构等。若发现自己对某一操作步骤难于掌握时，可利用软件的“快门记录”和“重演记录”功能，反复对这一步骤进行练习，直到掌握为止；而每次操作不必将全过程重做一遍，节省了时间、提高了效率。这更是在实操中难以做到的。（6）在计算机上进行化工生产虚拟操作安全性强，不会造成人身危害、设备破坏、环境污染等，不用担心学生操作失误所造成的影响；仿真软件又能真实模仿生产操作，而且还可模拟生产事故进行反面教育。实训项目不受操作难度、危险程度、风险系数、投资费用、成本消耗等影响。（7）可节省开支，如节省设备运行费、物料能量消耗费、学生下厂经费等；运行成本低廉，实训时间易于控制，设备易于维修，内容易于扩充等。

所以，仿真训练对学生的学习很有效，对提高学生实践技能和职业素养很有用，就像飞行员的训练并非总是在空中实练一样，仿真训练已成为一种国际公认的高效的现代化教学手段。在已开展的多届“全国石油和化工院校学生化工总控工技能大赛”中，其中有一项重要的比赛项目就是“化工仿真操作”。仿真训练已成为化工专业实践教学的极其重要方式。

但是，“仿真”毕竟是仿真，其所起的作用有限，本身也存在着一些局限性：缺乏现场感，无法产生真实的临境感受；模型精度不高，仿真技术有待进一步提高；训练时，学生机械地点击或敲击，有“玩游戏”之嫌。仿真操

作不能完全代替实操。

搭建仿真与实操有机结合的化工实训平台

从以上分析可知，“实操”很重要但实施有困难，“仿真”有很多优势但存在局限。为此，“实操”与“仿真”有机结合，这才是方向。下面介绍在化工专业中如何搭建仿真与实操有机结合（三段式）的实训平台。我们的做法是，将化工专业实践教学内容（涉及仿真训练的内容）划分成三个模块，按照每个模块的情况采用不同的“三段式”实践教学模式，有的先实操、然后仿真、再实操，有的先仿真、然后实操、再仿真，有的先参观、然后仿真、再实操。在仿真中理解，在实操中巩固，在反复训练中升华。通过仿真训练与真实操练有机结合，既充分发挥了“仿真”的优势，又克服了化工专业实训基地建设的困难；通过仿真训练与真实操练有机结合，既为学院节省了办学成本，又明显提升了学生职业能力训练的有效性。

化工原理实验模块：采用“实操+仿真+实操”三段式这一模块具体内容主要有：流体阻力系数测定、离心泵特性曲线测定、流量计的认识和校核、传热实验（水—蒸汽）、精馏实验（乙醇—水）、吸收实验（氨—水）、干燥实验、过滤实验等八个方面。这一模块实验设备较简单，搬运和安装也较方便，技术成熟、装置成套，为此，我们建有“化工原理实训室”，其设备先进、装置齐全。化工原理实验也是化工专业最为重要的实践教学内容，其中包含的实践技能是化工专业学生必须掌握的最基本技能，这一模块也是其他两个模块的基础。为此，这一模块的训练非常强调“实操”，而且有条件让学生进行“实操”，所以采用“实操+仿真+实操”三段式训练模式。第一阶段的“实操”是指《化工原理》课程开设时掺入理论课教学中所做的实验，是为理解每一个化工单元操作的基本概念、原理等而开展的。第二阶段是“仿真”，使用专门的化工单元操作仿真软件，在电脑上进行训练。仿真训练不受条件、成本、安全等限制，可反复训练，可重复训练，能更快地实现由初学者向熟练者过渡，并且易于实现等级筛选、过关考核，对合格者才可进行后面的操作。要动手先过仿真关，使后面的实操更安全、更有效、更快捷。第三阶段就是为期两周的“化工单元操作”实训，是真刀真枪的训练，全面地、系统地掌握化工单元操作技能，为学生树立“系统工程”观念，培养学生实践动手能力、数据处理能力和事故突发应急能力等。

化工设备单元训练模块：采用“仿真+实操+仿真”三段式这一模块具体内容主要有：离心泵单元、压缩机单元、液体控制系统、管式加热炉单元、换热器单元、间歇反应釜单元、固定床反应器单元、流化床反应器单元等八个方面，总共实训时间为4周。这一模块以熟悉常见的化工生产设备为主，要求学生掌握这些设备的结构、原理、性能以及使用等；而这些设备种类多、用途广，在化工生产装置中与其他设备构成有机整体，以实现生产目的。我们采取的办法是“工艺在仿真上练、设备在实物上看”，以仿真训练为主，以仿真开始、以仿真结束，中间通过观看具体实物加以感悟。比如，在实训室摆放的各种各样离心泵、压缩机、流量计、换热器和反应器等，以供第二阶段“实操”时观看，起到“眼见为实”的效果。在仿真训练之后，看看其中涉及的一些实物，熟悉“实物”后再回到仿真软件上“应用”。这样，这一块就不要过多投入资金，且实训场地也易于建设。在仿真上练“工艺”，在实物上识“设备”，懂“工艺”知“设备”以达到教学目标。通过仿真训练，可强化学生的研究性学习与探索性学习。学生在仿真过程中可深刻体验所学设备的结构、性能、作用等，以达到对所学设备的驾驭和掌握，达到对常见化工设备胸有成竹的熟悉程度和举一反三的作用，以提升学生以后学习和就业的自信度。这种自我信念和技能，能够形成强大的冲击波，促进与推动学生在专业技能方面的提高。

大型化工流程训练模块：采用“参观+仿真+实操”三段式这一模块属于专业综合性实习，难度大、要求高，时间为8周。针对这一部分，除少数学校在校内建有大型化工生产训练装置外，多数学校只能充分发挥校外实习基地的作用和校内仿真的功能。首先从下厂参观开始，从感性认识起步，之后再仿真和实操。通过认知锻炼，减少知识与技能向学生传递的阻力，启动学生的心智，打开学生学习之门。通过下厂认识实习，可以了解各种设备的结构特点、空间几何形状，了解工艺过程组成、控制系统组成，了解管道走向、阀门位置，了解化工生产一些专业术语如盘车、连锁等，使学生建立一个完整、真实的化工生产过程概念。又因之后要仿真，下厂实习时学生会有压力、会更认真，虽是“走马观花”，但要“观”细“观”清，做到“有的放矢”。这就是第一阶段“参观”所应达到的目的。第二阶段仿真的内容主要有：30万吨合成氨工艺仿真、6万吨乙醛氧化制醋酸工艺仿真、均苯四甲酸二酐工艺仿真和青霉素发酵工艺仿真等，所以，前期参观的校外工厂主要是省内知名的化肥厂、精细化工厂和制药厂等。第三阶段的“实操”执行有一定难度，因为这一部分的实训条件多数学校均较缺乏。解决的办法：一是与前期参观过的校外工厂协商，要求允许学生再次前往以能实打实地“实操”，因为他们通过“参观”和“仿真”两关，已具备“实操”的能力和水平。二是在顶岗实习时进行“实操”。若是能在校内建有相应的实训装置，则最为理想。比如，南京化工职业技术学院自筹资金一千多万元建设了自己的化工综合实训平台，能够进行真实产品的生产，生产过程中包含氧化、水解、吸收、结晶、干燥等多个典型化工单元操作，安全性较高，可供学生现场实训。又如，常州工程职业技术学院建有年产1000吨聚酯切片的生产(冷模)实训中心，能同时满足几十名学生现场训练。在校内建设大型化工生产装置，既能满足学生实训，又能生产真正的产品，这正得到越来越多的学校和有关企业的关注。

通过探索和实践，我们在化工专业的实践教学中有效地、有机地将“实操”与“仿真”结合，针对具体情况构建了三种“三段式”训练模式，为化工专业搭建了非常好的实训平台。我们既重视“仿真”，又强调“实操”，并处理好“仿真”与“实操”之间的关系，实施效果明显。

参考文献：

[1]徐建中,朱方鸣.构建三大平台培养高技能化工人才[J].中国职业技术教育,2007,(23).

[2]陈群.化工仿真操作实训[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]祝士明.多媒体技术在职业教育教学中的运用[J].中国职业技术教育,2008,(10).

作者简介：

胡孝贵（1970—），男，江西兴国人，江西应用技术职业学院应用化学系副主任，副教授，研究方向为化学应用技术、高职教育。