化工厂建模课程教学内容设计与实践*

聂艳 李晶莹 王怡 陈立宇 徐龙

摘  要  新工科建设和大类培养模式对高校教育改革提出新的挑战。化工厂建模实践教学课程作为西北大学化工与制药类选修课，逆于传统化工实践教学思维，建立完整的教学体系，并形成“认知—实践—建模”的分级结构和“合作—分工”的学习模式。基于该课程的教学实践经验，从课程体系、教学内容和教学感悟等角度探究该实践课程的实际运行情况以及学生的自我学习和综合能力培养情况。

关键词  新工科；化工厂建模；实践教学

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）16-0106-04

0  引言

完善传统工科，增强国家实力，新工科既要承载教育的新结构、新理念和新质量，也为社会提供新人才和新发展。化工类专业的新工科建设应该践行产出导向的教育理念（OBE），建设新的以学生为本、以成果为目标导向并具有逆向思维的课程体系[1]。新工科教育推动工科和其他学科交叉融合，培养高层次的具有工程创新性和多学科交叉融合的综合性人才[2]。

实践教学是提升学生综合素质的重要教学环节，传统化工实践教学以学生到工厂实习为主，先学习课本专业知识，再用实践实习来印证。而在新工科背景下需要更新教学目的，采用逆向思维由实践来引导专业知识的学习，建立新的实践教学模式与传统实践教学互补，提升化工类专业教学质量。以西北大学化工类专业本科生教学为例，化工厂建模是在新工科背景下，以逆向思维和学科交叉融合模式提出的面向全院学生选修的一门实践课程。近年来的教学实践表明，在大类培养模式下，该课程充分调动了学生对化工学习的兴趣，由宏观到微观引领学生学习化工专业知识，同时提高学生在化工软件应用、建筑模型设计和视频动画制作等方面的能力。本文对化工厂建模的实际教学情况进行总结分析。

1  化工厂区三维建模课程体系

1.1  厂址选择

选址是建厂过程中既复杂又关键的环节，涉及多种因素，如面积规划、资源利用、土地供应、交通运输和环境保护等。宏观分析我国化工企业布局，东北地区以重工业为主，东南沿海特别是珠江三角洲地区是轻工业；东北和西北地区以石油为主，黄土高原附近以煤炭工业为主；等等。学生在选址过程中须遵循以下原则：

1）在位置方面，符合国家整体工业布局，选择成熟的工业园区，在生产上有协作，在原材料、公用工程和废水废气等方面可以互通；

2）在面积方面，应在满足行政办公区、生产区、辅助生产区等用地要求的同时，考虑合适的发展预留用地；

3）在工程地质、水文地质方面，选择地震烈度在9度以下和地下水位低于地基深度的地区，并且水质良好、水量充足；

4）在交通方面，要求尽可能靠近原有交通线（水运、铁路、公路），运输便捷，减少在交通运输建设方面的工程量；

5）在动力供应方面，需保证电、汽、燃料有可靠的供应源；

6）在气象方面，考虑地区全年温度、湿度及其他恶劣天气对工厂项目及建筑基础的影响；

7）在原料提供和产品输出方面，所需原料最好由总厂提供，同一城市最好有下游产品的生产商，以减少运输开支。

1.2  化工厂总平面布置

化工厂总平面布置如室内设计，含三个区域：

1）行政生活区，含办公楼、停车场、医疗室、员工休息室、餐厅和员工活动中心；

2）辅助生产区，包括中心控制室、分析检测室、配电室、公用工程、消防站、事故水池、废水处理池、工艺特有设施和发展用地；

3）生产区，包括原料储罐、生产工段、产品储罐、仓库和装卸台。

该部分主要考查学生对行政生活区和辅助生产区的合理布置，由于学生未接触化工工艺，对生产区的布置不做重点考核。总平面布置要遵循消防、防火、防爆、安全和环保等相关规范，综合考虑地理条件和气象因素，减少非生产设施，节省占地、节约投资，充分利用有效土地面积，应具有长远发展眼光，对未来厂区建设有潜在规划，做到人流、物流配送科学合理，生产经营地域与辅助地域功用分区明显。紧密结合工业园区的远期经济发展，节约用地，充分考虑卫生防护条件和环境保护要求。依据厂区地形特点、化工产品生产工程的特性和各种建筑的功用，实现科学合理布置、功用分区合理、处理流程畅通、有利于工业生产、便于管理工作。设计过程中需要充分考虑的因素有风向、生活办公区位置、消防位置、储罐位置、装卸区和人车分离等。

图1是2020年学生的建模作品。图1a是学生设计的总平面布置图，其中行政生活区位于西南方向，入厂大门附近即办公楼门前留有厂区文化场所，增强工厂整体文化底蕴，避开生产区，保证周围环境净化噪声污染；在休息室周围进行绿化，营建绿色清洁健康的环境；在厂区的西南侧布局有篮球场等运动场地及职工活动中心，大大便利员工工作之余的休闲生活。生产区处于全场中心和东南角位置，周围围绕辅助生产区和罐区，这样有利于便捷高效的预处理、生产和储运。大门距离主干道15米以上，厂区内道路规划畅通，并规划了应急消防车道，保证火灾危险来临时，消防车、运输车及其他车辆顺畅通行。从图1b的3D效果图可以看出，该学生设计的模型位置与总图保持一致。

1.3  厂区建筑建模

常用的建筑三维模型软件有UG、SolidWorks、ProE、SketchUp和3Ds Max等[3]。开课以来，采用3Ds Max建模，根据学生作品反馈，少数电脑基础好的学生使用该软件游刃有余，而多数学生认为该软件操作复杂，不能够充分利用软件进行建模。在接下来的教学过程中将引入SketchUp软件，该软件相比于3Ds Max操作简单、易于上手。

化工厂的性质决定了厂区绿化率非常低，建筑体的立体设计在化工厂整体形象及企业文化上至关重要，而这一部分在化工厂总图布置中是无法体现的。不同于平面设计，模型的建立需要考虑实际高度以及建筑体设计的视觉效果。值得注意的是，建筑模型的俯视投影必须与总图设计所规划的位置达到1∶1吻合。在建模过程中要强化重点、弱化细节，重点包括建筑外形、层高等，细节之处如窗户、门等。建筑体的设计可在实际工厂建筑的基础上改进，但不能偏向于商业化建筑。丰富的建筑颜色对学生有视觉冲击，更能激发学生的创作欲，但实际化工厂使用的建筑颜色比较单一，以灰、白为主，因此，运用色彩的语言和手法协调整个化工厂的建筑群并建立空间关联对整个设计至关重要。另外，厂区内部的道路、消防设施、事故水池和绿化等的建模设计也非常重要。学生在建模过程中的思考和创新：建筑物顶楼台种植绿植，加大绿化面积，同时改善厂区空气质量；路面略高于其他地面，有利于雨水疏通，防止路面积水。可以看出学生在建模实践过程中是动脑思考的，而非机械性地照图建模。

1.4  车间设备建模

多数化工厂的车间以露天为主，采用钢架结构，包含化工设备有塔器、换热器和泵等。可选择的软件有SmartPlant 3D、PDMAX、PDMS、SolidWorks、CADWorx、AutoPLANT Piping、PDS、AutoCAD Plant 3D等，本课程采用PDMS软件教学并与设计院合作交流[4]。在校学生对化工工艺流程和设备尺寸缺乏了解，为强化学生对化工设备的认识，组织学生进入工厂了解设备的具体形貌或通过网络图片剖析设备的零部件。要求学生建立的设备模型外观符合实际、尺寸合适，避免出现塔器瘦高、换热器细长、储罐过大或过小以及多个车间复制粘贴的现象。

第一批建模学生反馈：设备建模期间认识了塔器的外形、人孔的位置、操作台的位置、塔顶封头装置和冷凝系统及塔底再沸器装置等，在大三学习化工原理课程精馏、吸收等章节时可以更好地理解精馏的原理，在塔设计这方面也能更好地理解塔板数、板间距等，并在能够在脑海中进行空间想象。设备建模可以使学生由浅入深、由宏观到微观地深入化工核心。

1.5  渲染及漫游制备

渲染是把数据化的场景和模型生成具有3D效果的图片或视频[5]。常用的渲染器有Vray、Corona、Lumion、Twinmotion、Enscape、UE4等。教学过程中采用Vray渲染器，并鼓励使用软件有困难的学生使用3Ds Max自带渲染器。渲染效果与多种因素有关，想要达到逼真的效果，必须充分理解和掌握灯光和材质这两大参数。在光学方面，像摄影者利用光拍摄一样，只有充分理解自然界中光的反射、漫反射和吸收等光线规律，并在熟练掌握软件中的灯光参数的基础上，才能渲染出光感自然的3D效果图。在材质方面，学生需要具备软件材质基础，并通过对真实物体的认知来提升对质感的理解。

通过对比近三年的作品，发现材质的运用是学生作品质量发生质变的关键。由图2可知，图2a虽然颜色运用得比较丰富，但是缺少图2b中的真实感。另外，渲染速度是学生完成作品的最后关键，场景大小、模型数量、材质大小，光源数量以及渲染设置都是影响渲染速率的因素。学生在作品制作过程中需要综合考虑这些因素，不能只求质量不求效率。

2  创新与特色

2.1  完善的教学内容

在大类培养模式下，为培养新工科人才，本着实践教学内容由浅入深的原则，为一年级学生开展选修课化工厂建模，从选址、布置、建模和渲染四大方面建立完善的教学体系。

第1节引导学生从宏观角度了解我国的化工行业布局以及化工厂在建设初期需要考虑的问题因素。

第2节涉及总平面布置，学生需熟悉《建筑设计防火规范》《石油化工厂区绿化设计规范》《石油化工企业厂区总平面布置设计规范》《石油化工企业设计防火规范》和《工业企业厂内运输安全》等规范，在学生真正踏入化工行业前注入安全意识。

第3～5节属于软件操作，信息时代的学生对电脑的使用非常熟悉，以软件为切入口，可以带动学生的积极性。其中第3节和第4节属于模型建模，考查学生对建模软件的掌握情况，对于不同类别的建模采用不同的专业软件，在掌握建筑外观建模的同时也将化工专业的设备管道建模软件教给学生。第5节是学生作品展示环节，图像和视频更能直观地展示学生的审美和空间想象能力。此外，在全面覆盖教学内容的基础上，学生可以根据自己的能力拓宽其他相关软件应用。

2.2  设计与实际结合的课程体系

化工厂建模涉及设计和建模两大部分，模型来源于实际，学生在建模之初对建筑体的了解相对到位，但对塔器、换热器、泵等化工设备的认识少之又少，除了网络上的图片外很少能接触这些设备。为此，带领学生进入工厂，观察实际的化工设备这一过程至关重要。学生在实际参观过程中对化工厂及化工设备有了外观的认识，这不仅对化工厂建模起到奠基作用，也为学生学习化工专业课做了良好的铺垫。

2.3  “认知—实践—建模”的分级结构，“合作—分工”的学习模式

课程内容建立“认知—实践—建模”的分级结构，循序渐进地让学生了解化工厂，认识化工设备，掌握化工专业基础知识。认知阶段主要在第1、2节，学生主要通过课堂学习、课后针对性查阅来认识化工厂。实践教学是学生真正踏入并了解化工厂的第一步，在认知阶段结束后组织学生参观工厂，近距离认识化工设备。信息时代的学生使用电脑软件不是一件困难的事情，三维物体的建模可以充分激发学生的兴趣，从近三年的教学情况可以看出，学生对电脑建模的热情很高。课程共计18课时，学生的合作阶段主要表现在对化工厂的认知和建模软件的学习方面，而在建筑设备建模和渲染阶段，学生可以2～3人自由组队、分工完成。

2.4  用色彩带动学生创造性

优秀的模型需要绚丽的色彩来点缀，简单的色彩具有强大的视觉冲击力，能够激发学生的学习兴趣与创造潜力。化工厂建模采用答辩和视频展示的考核模式，近年来，学生的作品更加注重色彩的体现：第一届的学生作品在颜色渲染上关注较少，侧重点主要集中在模型的建模上；第二届学生在掌握一种软件并懂得使用网络模型的基础上，增加了模型外立面的装饰；第三届学生可以针对不同的模块高效使用相关专业软件，使用真实的图片对模型进行渲染来增加模型的逼真性。作品质量逐年升高。

3  结束语

在新工科背景下，具有逆向思维、兼顾多种学科的专业选修课化工厂建模对促进学生对后续化工专业知识的深入研习具有重要意义，对培养高层次新工科人才具有重要作用。本文对化工厂建模课程实践教学进行总结分析，挖掘课程的深层意义和价值。该课程教学内容和课程体系相对完善，形成从认知到实践再到建模的分级结构以及学生合作分工的学习模式，学生的自主专业知识学习潜能被激发。未来，该实践教学课程将以OBE为导向持续改进。

参考文献

[1] 夏淑倩，王曼玲，程金萍，等.践行OBE理念，开展化工类专业新工科建设[J].化工高等教育，2018，35（1）：9-12，61.

[2] 陈立宇，赵彬然，聂艳，等.新工科人才培养导向的化工类延伸式实践教学模式的构建与运行[J].化工高等教育，2021，38（1）：88-93.

[3] 孙晶.浅谈化工厂区建筑立面设计[J].纯碱工业，2018（1）：43-45.

[4] 孟冬生.浅谈PDMS三维配管在化工工程设计中的应用[J].中国化工贸易，2019，11（6）：156.

[5] 吴丹.基于3Ds Max的三维角色建模方法应用分析[J].电脑编程技巧与维护，2018（1）：157-158，161.

*基金项目：西北大学教学研究与成果培育项目“四年一贯制工科创新教育实践机制的研究”（JX18144）。

作者：聂艳，西北大学化工学院，工程师，研究方向为能源化工；李晶莹，通信作者，西北大学化工学院，讲师，研究方向为化工生命周期；王怡、陈立宇、徐龙，西北大学化工学院（710069）。