虚拟仿真在“锅炉安全”实验教学中的应用

李 席，朱林林，胡燕超，秦英月，李宗群,2，王传虎,2

（1.安徽省硅基新材料工程实验室，蚌埠学院，安徽蚌埠233030；2.蚌埠学院虚拟仿真实验中心，安徽蚌埠233030）

锅炉安全是特种设备安全教学体系中的重要组成部分，而特种设备安全又是应用型本科院校化工安全类专业的主干专业课。一方面，锅炉广泛应用于国民经济各个生产部门和人民生活中，同时是受热、承压且具有爆炸风险的特种设备[1]。一旦发生事故，可致设备和建筑物损坏，人员伤亡及财产损失。另一方面锅炉操作是一项综合性较强的单元操作，涉及流体力学、传热、安全技术和安全管理、事故分析及处理等，系统性、理论性、实践性强。受教学场地、条件保障等因素制约，一些应用型本科院校缺乏锅炉相关设备和设施，化工安全类学生的实践环节受到了很大的局限。而实践环节又是化工安全类学生专业培养过程中必不可少的重要环节。

因此，结合“锅炉安全”实验教学的特点，使用虚拟仿真教学系统贴近实战教学培养学生的综合能力尤为重要。通过构建高度仿真的虚拟实验环境和对象，让学生通过网络在虚拟环境中模拟实践，有效地解决了实验场地及设备不足的问题，拓展了教学空间，成为提高实践教学质量的新趋势[2-3]。

1 应用型本科院校“锅炉安全”传统实验教学的基本现状

1.1 教学形式及教学内容局限，教学效果不佳

“锅炉安全”内容实践性较强，识记性内容多，内容展示手段较少，可供参考借鉴的资料匮乏。锅炉异常事件的发生具有紧急性、不确定性和危险性，组织学生至突发事件现场进行实习实践的可行性几乎不存在[4]。现实条件致使传统的教学形式基本为观看影片、案例分析及讨论，教学形式多样性不足，难以调动学生的学习积极性，学生兴趣低。此外，受制于课时，为了及时完成规定的教学计划，教师教学节奏较快，教学内容取舍性较重，部分内容难以理解和记忆，学生课下要花费较多时间消化吸收[5-6]，一些学生甚至有厌学情绪。教学形式及教学内容局限性致使学生的知识面和工程化能力等受到较大限制，远远无法满足“新工科”对人才培养的需求。

1.2 教学资源短缺，理论与实践脱节

较国内外知名大学而言，地方应用型本科院校学校教育环境、人才培养模式、实践条件保障等方面差距较大[7]。配备锅炉、模拟器及安全附件等教学设备和设施费用昂贵，且锅炉具有爆炸危险性。一些地方应用型本科院校在有限的教学资源条件下，没有配备这些设施的能力，不具备锅炉突发事件现场模拟条件。另外，在安全生产的高要求下，相关现代化、规模企业接纳学生现场实习意愿不强[8]，学生实践机会少，理论与实践脱节，学生动手实践能力的培养受限。

2 虚拟仿真在“锅炉安全”实验教学中的应用

2.1 扩大实验教学范围，培养综合能力

“锅炉安全”实验教学主要基于我校虚拟仿真实验中心的虚拟仿真技术完成的，“锅炉安全”的虚拟仿真模型以65 t/h 电站过热蒸汽锅炉为基础设计，装置结构和工艺流向清晰易见。

虚拟仿真实验的教学内容以企业的需求和学生的发展为出发点，采用了从认知到体验，从易到难，从理论到实践的教学方法，以企业的需求和学生的发展为出发点，构建了多层次（锅炉设备基本认知，锅炉正常开车、运行和停车，锅炉事故类型、分析及处理和设计创新性课题）层层递进的实验教学体系，可满足不同层次、不同类型学生的学习及能力的培养需求。

在锅炉正常开车、运行、停车和锅炉事故类型、分析及处理模块中，都强调了学生的自主学习意识，由学生自主选择进行学习。以锅炉单元操作的开车、正常运行、停车为例，学生要完成一个完整的锅炉单元操作开车、维持正常运行和停车过程，需要完成如下程序：①开车前准备；②除氧器投运；③锅炉上水；④燃料系统投运；⑤锅炉点火；⑥锅炉升压；⑦锅炉并汽；⑧锅炉负荷提升；⑨汽压及汽温的调整；⑩锅炉燃烧的调整；⑪锅炉负荷降量；⑫关闭燃料系统；⑬停止汽包上水；⑭泄液。

其中，每个程序都需要学生进行多个步骤的操作。学生需要首先在软件指导模式下完成一遍整个操作程序，还需要自主完成操作且系统评分需达到一定分数，才可以进入到下一模块。通过这种方式，一方面加深学生对操作规程的熟悉程度，另一方面也有助于学生对锅炉从开车到停车整个操作过程的理解。学生在进行其他类似模块学习时也需要进行这些步骤的操作，一方面可以加强学生基础实践能力，另一方面也让学生建立工程操作的概念，强化理论联系实践的认知。

结合学生兴趣，让学生主动参与设计创新性课题，可培养科研意识，锻炼创新能力和写作能力等。比如“管道天然气泄漏的模拟分析”“锅炉天然气燃烧影响因素的模拟分析”，调动了学生参与意识和主观能动性，不仅有利于学生更好地理解课程中的相关内容，还可以作为学生的毕业论文题目，并以此为基础，鼓励撰写成科技论文，目前已被学术期刊录用、发表若干篇。

2.2 拓展传统教学方式，提高实验教学效果

以锅炉单元操作为主线，结合计算机信息技术，将教室课堂教学拓展至“教室+实验室+线上+线下”“工程化DCS控制及仿真模拟”有机结合起来的虚拟仿真实验平台。通过评分激发学生的学习积极性和主动性，提高实验教学项目对学生的吸引力。

教学过程中采用线上交互式操作和线下教学相结合的方式。采用文字、图片和三维动画结合的方式展现，也可以加入视频内容，给学生视觉、听觉多重冲击，使学生得到更为真实的感受，从而调动学生学习主观能动性。教师可结合学习通、QQ 等将虚拟仿真实验系统使用过程中出现的问题进行在线统计，对于有针对性的问题，可在教学或课余时间进行讲解与讨论，实现虚拟实践教学和课堂、实验教学之间的良性互动，促进学生由单纯的被动学习接受向探索的转变。

2.3 突破时空限制，弥补实验教学条件不足

在实际工矿企业锅炉操作中，一些异常情况经常会发生，如停电、热蒸汽压力过高、锅炉满水、锅炉缺水等都会严重影响企业正常生产，甚至发生事故，造成人员伤亡和财产损失[9]。这些状况是实际生产过程中要避免发生的，在实践教学中，不可能直接让学生进行直接的操作或体验真实的事故及现场处置。

从化工锅炉单元操作的实际出发，“锅炉安全”实验虚拟仿真平台提供了锅炉满水、对流管损坏、二次燃烧、减温器损坏、停电事故、锅炉缺水和给水管损坏等丰富的锅炉事故类型模块，将学生在课堂及实践教学中无法观察到的现象或者实施有困难、高危、有毒、有害的单元操作及事故分析与处理采用DCS 控制和虚拟仿真的形式进行展现，弥补了传统实验教学条件的不足，丰富了教学资源。学生在电脑桌面上就可以模拟实验操作，不受时空距离的限制[10-11]，可自主选择需要被处理的异常情况，按照规定的紧急处理方案在虚拟仿真装置上进行操作。通过对突发锅炉异常事件进行模拟训练，提高学生对突发事件的应急处置能力，提高学生的主观能动性，提升学生就业竞争力。

2.4 教学成本低，实验教学绿色化

安全、环保问题和不菲的实验教学成本，长期困扰着高校特种设备乃至化工安全实验教学。开设“锅炉安全”虚拟仿真实验，不仅满足了学生实践技能的培养要求，且不接触实际的装置和化学试剂，实验非常安全，重复操作性强，一次性成本和维护成本均比较低，提高了教学安全性，符合实验教学绿色化的发展方向[12]。

3 结束语

从应用型本科院校传统锅炉安全实验教学基本现状出发，分析了引入虚拟仿真进行课程教学的必要性，并在实验教学中应用虚拟仿真教学系统，深受师生欢迎。学生实践的同时规避了可能的危险，调动了学习积极性，激发了学习兴趣，锻炼了学生实验设计能力和创新能力，进而提高了课程的教学效果，为学习后续课程及工作奠定基础。