虚拟仿真在化工专业实践教学中的应用

邱奎，熊伟

一、化工专业实践教学概述

国内普通本科院校为数众多，在当今严酷的就业压力下存在激烈的办学竞争。国家教育部积极引导普通高校应针对行业和区域经济发展办学，实现特色化、差异化的错位发展，这样不仅可解决高校办学困境，也对地方经济和行业技术发展起到重要支撑作用[1]。重庆科技学院始终把行业、地方对人才的需求作为我们办学优先考虑的方向。本文以我校化工专业为例，结合虚拟仿真教学阐述应用型本科专业实践教学上的一些探索、思考。

（一）实践教学目的与特征

在各高校化工专业实践教学体系建设上，都围绕培养一种建立在通用化学、化工基本实践操作技能基础上，能够初步熟悉企业实际生产和作业方法的能力。化工专业实践教学强调通过实验操作明确化学反应原理，化学材料及产品制造，工艺流程原理、操作和控制方法。由于化工实践环节涉及基础实验，专业实验、化工设计、企业实习、科技创新等不同类型，故对设备、仪器、材料、环境等提出各种不同的要求。而这些实践能力的培养是衡量毕业生综合素质的一个重要方面，也是用人单位选拔人才非常看重的决定性因素之一。

（二）教学现状与问题

1.教材和教学内容相对滞后

当前环保、安全生产的要求提高，推动化工新工艺、新设备、材料发展，企业工艺设备的改进没有及时在课堂教学中介绍，使得理论教学滞后于实践认知。

2.办学条件薄弱，实验设备数量和质量无法满足教学需要

很多高校在生源增加情况下，实践教学设施没有及时跟上，设备台套数少、设备老化、更新率低成为阻碍部分高校提高实践教学质量的障碍。实验场地不够，无法容纳学生实验也是突出问题[2]。

3.企业实习效果不甚理想

化工企业考虑到生产的危险性和安全管理难度大，越来越不愿意在生产实习中让学生亲自动手操作，这使实习质量大打折扣[3]。

4.经费不足，实验开设的类型、数量受限

近年来化学实验仪器、药品价格不断上涨，而实验专周、毕业设计等长周期、大批量使用仪器、药品的实践活动，会导致高校实验教学成本颇高。为维持正常实践教学，学校不得不调整一些实验类型，减少部分实验科目。

5.社会对毕业生实践能力认可度不高

鉴于上述各种原因，学生在校实践能力培养不足，使企业感到学生进入岗位后适应期较长，动手和组织管理能力无法满足生产需要。

二、我校化工虚拟仿真教学的具体做法

作为应用型本科院校，我们认为培养的毕业生应该是服务于行业和地方经济的高级技术应用型人才，他们除了有扎实的理论知识，还应具备将专业知识应用于一定行业的能力，以解决现实生产中存在的技术问题。这其中实践技能是体现高级应用型人才内涵的一个重要方面。为了在人才培养中强化实践技能锻炼，我校化学工程学科非常重视将虚拟仿真技术引入实践教育中，实现教学中虚实结合，能实不虚，系统性和全面性的工程实践教育目的。具体实施过程如下。

（一）调整教学计划，充实实践教学内容

经过研究、调整，化工专业学生实践能力培养形成了如下设计思路：基础实验操作训练→专业基础实验训练→综合实践训练→企业实习、毕业设计。实践训练的层次由基础到专业，由简单到复杂，由单一实验到综合实训，实验类型划分为验证型实验，创新性实验和综合性实验3种，这样兼顾了基础知识和专业知识的传授，同时由典型的化工单元操作这一基本训练逐渐过渡到综合性化工生产操作训练和现场实习，实践环节的设计遵循了循序渐进原则，让理论和实际紧密结合，教学和生产相辅相成，知识结构强调了系统性和现实性。

近年来学校人才培养计划不断强调要增加实践教学学时，突出应用型本科实践技能培养。因此我们做了如下探索：例如化工原理课程是我校精品课程，其内容也是支撑化工行业主要工艺操作的核心。近两年化工原理实验室陆续增加了多台套流体流动、精馏、萃取、吸收、干燥单元操作设备，满足了多批次学生实践操作要求。天然气加工是我校特色专业课程，过去缺乏配套的专业实验课程。而今利用国家财政资金新建了石油、天然气化工专业实验室，新开设了多项专业实验，也为科学研究搭建了实验平台。

（二）以虚拟仿真教学促进实践教学效果提升

化工生产流程往往复杂，各种设备繁多、操作控制难度大，学生到企业实习由于无法动手操作工艺设备，缺乏真实生产感受，理论与实际之间容易脱节。为了弥补上述缺点，我校近4年内先后购买了一批炼油、化工仿真软件，建立了仿真中心，通过开设实训专周，让学生在电脑上操作控制一些典型化工流程如炼油常减压蒸馏、催化裂化流程。通过仿真训练，使学生熟悉化工集散控制系统（DCS），了解装置的开停车操作步骤，常见事故的处理方法[4]。这些训练由于很接近生产实际，能够起到真实还原生产场景的作用，让学生提前了解生产状况，为今后工作奠定了基础。

（三）打造仿真生产线，完善实践能力培养

仿真软件的使用是一种虚拟仿真教学模式，尽管它能再现很多工艺流程与操作控制，但是毕竟无法操作实物流程与设备。单元仿真设备尽管属于实物操作设施可满足部分实训需要，但是局限于各个单元而不能连为一体形成化工系统。化工企业实际生产不仅仅是在控制室里完成生产任务，还需要现场配合操控各种设备。为此，我校花费500余万元，以丙烯酸甲酯工艺为蓝图打造了一条实物仿真生产线，完整反映了有机合成工业各种典型单元操作过程。该仿真装置由生产区、工业控制与监控系统、仿真系统及实训管理系统等组成，可实现DCS自动控制，现场设备操作，各种工况模拟，故障诊断，三维漫游、虚拟巡检等。通过实践训练，真正让学生达到认识化工生产，亲临生产氛围，感受实际操作，解决生产问题，融入团队集体等效果。这种综合性虚拟仿真培训设施可很大程度上替代企业实习效果，而且可实现开放式教学，多学科专业共享实践平台，开设的实验课程可根据专业差异灵活选择。这种实践教学尽管有实物操作和各种工况参数显示，但系统中是用水和空气作为介质替代真实生产中的物料，大大节约实验成本，环境废物排放为零。

（四）构建化工模拟计算中心，解决化工生产、技术问题

虚拟仿真技术不仅用于教学中，也能为化工生产技术服务。我校结合石油天然气化工研究特色，组建了化工模拟计算中心。利用高性能计算机系统和量子化学软件、流程模拟软件等，首先，解决了教学中关于计算机技术在化工领域的应用；其次，作为技术支撑，每年为化工专业学生参加全国化工设计竞赛提供技术支持，如绘制工艺流程，工艺参数敏感性分析，操作条件优化设计等；再则，利用虚拟的模拟仿真技术，进行科学研究，如油田助剂的分子结构设计与优化，化工流程的模拟和工况分析，操作条件优化计算。

三、成绩与问题

通过近几年持续在实践教学方面的探索、改进，尤其是虚拟仿真教学的研究，获得如下一些效果：

通过实践教学学时和内容的调整，我们逐年增加了实践教学学分在人才培养总学分中的比例，由2004级的实践教学学分50.4增加到2012级的56.5学分，实践教学学分占总学分比例由26.76%提高到30.21%。虚拟仿真教学资源从4年前仅有的少量炼油、化工单元仿真软件发展到目前拥有化工单元操作实验室、化学计算模拟中心、石油天然气化工专业实验室、仿真生产线等一大批实物和虚拟结合的专业实验室，实践教学资产新增1 200万元，实验室设备、软件增加76台（套），新开设实验项目130余项。实验类型包括基本实验操作，设备单元操作，软件仿真实验，化学计算与流程模拟，实物仿真流程操作，科技创新实验等。

实践平台不仅服务于校内石油工程、化学工程与工艺、机械制造、电气与自动化、安全工程等多个专业，也可提供给市内其他高校和化工企业作为实践培训的基地。虚拟仿真教学由于替代部分现场实习，大大节约了培训时间和经费投入。

虚拟仿真实践教学实现了网上开放性实验，学生既可在实验室实做实验，也可通过网上预约在线操作实验，使教学活动的实施更佳灵活多样，这使虚拟仿真教学的空间和时间优势尽显无遗。

虚拟仿真教学支撑了学生素质教育，即促进学生参加全国大学生化工设计竞赛和科技创新计划，近四年取得全国三等奖4项，重庆市一、二等奖多项。部分学生利用虚拟仿真技术参与教师科学研究项目，撰写一批高水平论文。

以虚拟仿真技术为主导的实践操作技能的培养提高了应用型化工本科人才培养的质量，因此，我校化工专业毕业生受到用人单位欢迎，就业率长期保持在92%以上。

当然，在虚拟仿真教学研究中我们也注意到一些问题：首先我们不能完全依赖虚拟的内容进行教学，还是要与实物操作有机结合才能更好促进实践能力培养；其次，虚拟仿真要实现资源共享才能最大程度发挥好它的价值。因此我们要进一步加强与信息、计算机、网络等部门合作，以扩大虚拟仿真内容对校园内和社会的服务范围提高开放程度。

[1]冯建超，李文冰.德国应用科技大学与中国行业特色院校之比较[J].高教发展与评估，2013（2）.

[2]郑延成，尹先清，吴洪特.化工专业毕业实践教学问题与对策探讨[J].科技信息，2011（5）.

[3]郄世鸿，于鹏.高校生产实习中的问题与对策分析[J].科技信息，2010（5）.

[4]齐虎春.虚拟现实技术在化工仿真系统中的应用研究[J].内蒙古石油化工，2010（8）.