虚仿实验反哺“制浆原理与工程”课程教学研究

杨 玲，张永奇，李文俊，曹 瑜，何 洁

（四川轻化工大学 生物工程学院，四川 自贡 643000）

虚拟仿真实验辅助教学是基于实验教学思想、体系、模式、内容、方法、手段等方面的系统化设计，利用实物或计算机创设的虚拟环境或工具，使学生在虚拟环境中模拟真实事例进行操作、设计、运行等实践，弥补校园内无法实现的整个流程连续性，以及由于关键设备缺失，无法自行设置工艺参数，难以在线监控和评价生产线的教学现状，有效推进仿真反哺教学机制。

基于四川省特色专业和轻化工程四川省一流本科专业及省一流课程建设，为达到培养目标和毕业要求，培养适应并满足行业发展的人才，在专业核心课程“制浆原理与工程”理论学习（48学时）基础上，增设16学时的竹浆氧脱木素过程虚拟仿真实验，含六项纸浆性能指标检测视频，课程优化变更为线上线下混合式教学。课程采用“以虚补实、虚实结合、深度交互、理实一体”的理念，通过理论学习、问题导入、实验操作、工艺设计、工程实施五个教学环节，实施体验式、自主式、浸入式、交互式等教学方式，引导学生运用氧脱木素的基本知识，理论联系实际，自主设置工艺参数，甄别参数过高或过低会给成浆质量、产量、成本及环保等方面带来的影响，从而有助于学生基于轻化工程相关背景知识进行合理分析，科学评价工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律及文化的影响，并理解应承担并履行的重任，为专业“三创型”（创新、创造、创业）人才培养奠定基础。

一、仿真实验的必要性

（一）传统教学难以做到教学研用的互动

轻化工程制浆造纸专业重点培养目标：认知能力高，实践动手能力强，能够应对和解决实际生产过程中出现的复杂工程问题是制浆造纸工艺技术员必须具备的技能。这就要求学生具有扎实的理论知识储备和较强的工程实践能力。

“制浆原理与工程”对应的实验课程是“制浆造纸分析与检测”，该课程主要针对轻化工程专业学生进行造纸原料蒸煮、漂白、抄纸及纸张检测等方面的系统训练，运用基本理论、方法进行生产模拟实验，培养学生实验设计、实验操作、数据处理等工程实践能力。

但无论是传统理论教学还是实体实验教学，教师多借助书本、生产实地拍摄的照片及黑板和PPT等工具讲授知识，对于实体实验，多采用分组进行实验设计、实验操作、数据处理及对实验结果分析讨论，教师巡回指导，组间讨论，教师点评。经过多年的教学发现此教学方法僵化，禁锢了学生的思维，就竹浆氧脱木素实验而言，传统教学难以全方位、多角度、多层次地展现真实完整的竹浆氧脱木素生产工艺过程及相应设备，无法做到全过程的可视化监控、参数或流程设置、结果反馈评价，导致学生因自身的理解和空间想象及思考能力差异而难以提高对相关知识的认知能力，难以充分发挥学生的主观能动性和提高实践动手能力，不利于后续的学习和科研，这种传统的教学模式需要变革。

（二）竹浆氧脱木素实验无法在实验室条件下正常开展

氧脱木素已成为一种工业化的漂白技术，它既是TCF漂白不可缺的重要组分，又是ECF漂白的重要组分，成为纸浆漂白技术的一个发展方向。

我国是竹子的故乡，竹林面积占全球的21%，素有“竹子王国”之誉，有“世界竹子在亚洲，亚洲竹子在中国”之说。为此课程立足国情，因地制宜，以竹材为原料，展现中国竹资源丰富的天然优势，激发学生“以竹代木”“以竹代塑”的环保意识与责任担当，以及减少对进口木浆的依赖性，弘扬爱国情怀。同时为增加其应用广度和深度，采用氧脱木素调控木素、色素及低聚物含量，从而调节成纸柔韧性、吸收性、白度及物理强度等指标，达到本色竹纤维生活用纸、本色书画纸等纸种的质量要求；也可用于漂白竹浆（如胶版印刷纸、打字纸等）的漂白流程中，以及延伸用于竹材溶解浆、纸浆模塑产品生产中。

竹浆氧脱木素实验在实验室条件下难以正常开展。其主要原因是：（1）漂白需要高压设备；（2）氧在常温常压下为无色、无味的气体，略能溶解于水，其性质不很活泼，其漂白时存在气体、固体浆料和水三相混合不均匀，影响漂白结果，需要高效的中浓高剪切混合器和中浓浆泵及高压反应塔等设备来实现漂白均匀性；（3）必须有严格的计算机控制和良好的仪表监测；（4）脱木素的选择性较差，参数相互关联度高，投资大；（5）若到实际生产的氧脱木素生产线上运行，纸机开机具有运行昂贵、物耗水耗电耗量大、操作要求高、部分设备操作危险度大且成本高等问题；（6）受实体实验教学课时的限制。

（三）专业课程与实验课程分阶段进行，不利于知识与能力的多重突破

“制浆原理与工程”是轻化工程制浆造纸专业一门必修的骨干专业课，在整个核心课程体系中占有非常重要的地位。而相关的“制浆造纸分析与检测”实验课程往往排在理论课程学习结束之后，甚至这两门课程分别安排在两个学期，“制浆造纸分析与检测”又限于实体实验，虽然有承接关系，但存在“时空距离”，“感性”与“理性”的认知脱节，导致学生在实验环节往往只能记得“碎片化”的理论知识，难以进行正确的实验流程、实验参数设计，同时对实验中出现的异常情况难以做出正确及时的识别判断、分析解决，难以完成知识“认知—运用—掌握—内化”的全过程，难以提升对知识的融会贯通能力、综合分析问题及解决复杂工程问题的能力，难以培养学生创新性思想和探究式思维能力。

二、“实时”应用虚仿实验

竹浆氧脱木素虚拟仿真实验有机综合了化工、机械，以及分布式控制系统DCS、纸浆性能指标测定等知识内容，综合应用多媒体、三维建模等网络化、数字化技术手段，建立了算法设计、数字仿真和实施控制仿真三大主要模块。通过3D MAX等三维动画制作软件，搭建实验场景，实现算法、图元和工艺的组态，过程装备和实验仪器通过高渲染度的三维模块展示，尽可能地还原真实的实验场景，保证虚拟仿真实验的沉浸度和真实感。虚拟仿真实验方法、目的及教学思路如图1所示。

图1 虚拟仿真实验方法、目的及教学思路

在虚拟的实践领域中，学生可以自主设计工艺参数，理解掌握工艺参数的变化对成浆质量、产量和生产过程的重要性；学习相关设备结构特点、工作原理、运行参数及注意事项等内容，尤其将不可见的设备内部构造直观呈现在学生面前，提升了学生对复杂且难以理解的知识点的学习效果；查看分布式控制系统（DCS），认识氧脱木素过程中各种连锁条件，清楚相关连锁对象，实现成浆质量在线监控和评价，并根据实验室纸浆性能指标（卡伯值、得率、黏度、白度及稳定性等）检测结果，判别设置的工艺参数的合理性、先进性，优化工艺参数。因此，在“制浆原理与工程”理论学习基础上增设虚仿实验，构建综合性较强的知识认知和能力培养的新构架，如图2所示。

图2 虚拟仿真实验内容与能力培养的对立关系

竹浆氧脱木素的主要工艺参数有浆料浓度、用碱量、反应温度、反应时间及氧压等。下文介绍“实时”场景中虚仿实验的实施。

（一）设置真空洗涤浓缩机的进浆浓度

纸浆浓度将影响到碱液浓度，即影响反应速率，同时影响到蒸汽的消耗和反应器的大小等。基于中浓氧脱木素投资较少，中浓高剪切混合器和中浓浆泵技术的成功，浆料的处理比高浓容易得多，浆料浓度较低，设备腐蚀少，也没有在氧气中燃烧的危险，即中浓系统的安全性比高浓系统好，生产上一般多趋向于中浓氧脱木素。

设置真空洗涤浓缩机的进浆浓度，选择保护剂（硫酸镁、碳酸镁、氧化镁、镁盐络合物）种类并设置保护剂用量。竹浆氧脱木素浓度一般是10%～12%中浓。真空洗涤浓缩机，进浆浓度0.8%～1.5%，出浆浓度10%～15%。当学生在设置真空洗涤浓缩机进浆浓度时，若浓度不在合理范围，系统会弹出一个提示框。由此引导学生发现问题，思考问题产生的原因，以及应对方法措施，同时虚拟仿真技术可直接将真空洗涤浓缩机的三维立体图展现出来，再与平面图相结合，利于学生学习、理解掌握其结构组成、工作原理、运行参数等内容。

（二）设置用碱量

用碱量是根据原浆木素含量和要除去木素的程度而定。用碱量对氧脱木素初始阶段和后续阶段的脱木素和碳水化合物降解有密切的关系。用碱量一般为2%～5%。通常每降低一个卡伯值，需用碱量1.3kg/t～1.8kg/t风干浆。当学生在设置用碱量时，若不在合理范围，系统会弹出一个提示框。并查看学习、理解掌握湍流离心式中浓浆泵的结构特点、工作原理、运行参数、注意事项等内容，同时图文并茂让学生知晓加碱的位置是在中浓浆泵的立管，利于泵的剪切应力作用，使浆料趋于流体化，利于药品作用于每根纤维，提高氧脱木素作用和效率，从而加深对理论知识的理解和掌握，体会“设备服务工艺，工艺制约设备”的相互依存的关系。

（三）设置中压蒸汽温度

氧脱木素要求温度高于80℃，提高温度可加快漂白反应速度，加速脱木素过程，降低纸浆卡伯值，增加白度。因为温度升高，可加速漂液向纤维内部渗透，同时加快反应产物的扩散溶出。氧脱木素是放热反应，反应热为12MJ/t～14MJ/t。生产上采用的温度一般在90℃～105℃，过高的温度会导致碳水化合物的严重降解，且能耗也增加。

氧脱木素浆料的加热是在氧蒸汽混合器中通入中压蒸汽来升温，当学生在设置温度时，若不在合理范围，系统会弹出一个提示框，提示框内容是：“氧脱木素温度的高低与脱木素和碳水化合物降解关系密切，生产上采用的温度一般在90℃～105℃。氧脱木素需在一定压力下进行，需要蒸汽压力高些才能加入混合器里，需用中压蒸汽加热。若温度过低，压力小，不易将蒸汽加入有压力的混合器中，对脱木素不利；若温度过高，碳水化合物的碱性氧化降解反应和剥皮反应加剧，甚至浆料会烧糊，降低纸浆得率和强度，因此需将温度设置在合理的数值范围。另外需注意，通入中压蒸汽升温，需先加氧气再加蒸汽，防止蒸汽迅速冷凝导致管道、设备震动。”并查看学习、理解掌握氧蒸汽混合器的结构特点、工作原理、运行参数、注意事项等内容，非常直观、形象地看到氧和蒸汽混合后是分四处以不同的角度加入流程中，提高脱木素的均匀性和选择性，实现“知行统一”的作用。

（四）设置反应时间和氧反应塔顶压力

在一定的碱浓度下，卡伯值的降低可以分为初始快速下降和后续缓慢下降两个阶段。若氧脱木素时间过短，对脱木素不利，硬度降低率低，浆料残留木素多，其可漂性下降，增加后续漂剂消耗，增加成本，增加废水污染负荷；若氧脱木素时间过长，会使碳水化合物的碱性氧化降解反应和剥皮反应增加，碳水化合物降解严重，纸浆得率和强度随之降低，因此需将时间设置在合理的数值范围（宜在60～90分钟）。

氧压是影响氧脱木素的主要因素之一，氧压过低，对脱木素不利，硬度降低率低，浆料残留木素多，其可漂性下降，增加后续漂剂消耗，增加成本，增加废水污染负荷；氧压过高，脱木素率增加，同时会使碳水化合物的碱性氧化降解反应和剥皮反应增加，碳水化合物降解严重，纸浆得率和强度随之降低，因此需将压力设置在合理的数值范围（宜在0.3MPa～0.5MPa）。

查看学习、理解掌握升流式氧反应塔的结构特点、运行参数、注意事项等内容，非常直观、清楚地领会浆料从塔底进入，在塔内浆料静压作用下，可防止气体逸出，利于浆料与气体漂剂的接触与反应。浆料从下向上流，故塔内始终充满浆料，在运行中送入与流出的浆料相等，其容量和液面稳定，反应时间稳定，洗涤设备的负荷不变，无满溢危险。

安装于塔底的纸浆分散器有转盘式和旋转臂式等形式，其作用为：纸浆进入塔底后，由于塔底转盘的回转或旋转臂的不断旋转就把纸浆输送到塔底四周，保证纸浆在塔的横截面上具有一致的升流速度。通过信息技术的辅助，学生大大提高了对知识的理解和学习效果。

（五）进入中控室，查看分布式控制系统（DCS）

查看DCS自控系统，对设置的数据进行观察和调控，认识氧脱木素过程中各种连锁条件、清楚相关连锁对象，观察数据点，有异常情况及时报告；了解生产线全程自控的先进性、成浆质量和产量的在线调控和评价。在生产流程不变的前提下，通过工艺参数的设置和调控，更加清楚参数间的相互作用，相互制约的联动关系，实现纸浆氧脱木素较完整知识理解与综合能力培养双重作用。

（六）观看纸浆性能指标测定的教学视频

在虚拟仿真软件中教师提供了纸浆性能指标测定的教学视频，利于学生在线下性能指标测定实验前完成对教学视频的观看和学习，减少或避免因初学实验经验不足或意外带来的风险，有效降低学生在实操时的出错几率，提高性能指标测定结果的准确性，同时也为学生拓展更高深度和广度的实验提供培训、增添信心。另外需让学生明白，在实际生产中是根据测定结果，反推设置的工艺参数的合理性、先进性，并优化工艺参数，深刻体会并证明理论与实践的逻辑关系。

（七）虚拟仿真讨论反馈区

学生通过在线教育平台（虚拟仿真讨论反馈区）与其他高校和业界同行及社会公众就制浆造纸相关领域较复杂工程问题进行有效交流、沟通，提高了问题解决速度，同时拓展思路，拓宽视野，增长知识，提升一定的组织生产和管理能力。

结语

“制浆原理与工程”课程实现了课堂教学与网络教学的融合，低廉的实验成本可允许学生多次操作，将传统教学中实现不了氧脱木素整个流程连续性，中浓浆泵、混合器等关键设备缺失，做不了在线自行设置工艺参数等不足以“虚”的方式展现，并与线下理论讲授和纸浆性能指标测定实验的“实”相结合，构建多层次、多维度、多模块的教学模式，达到理论和实践的双重效果。实施以教为中心到以学为中心和从知识体系为中心到能力达成为目标的转变，有效推进仿真反哺教学机制，促进“学—练—思—总”的充分融合，培养学生精益求精的大国工匠精神及科技报国的使命担当，同时对原有的课程教学进行及时补充和改进，使每位学生达到教育要求，为毕业生成长为高层次应用型新工科人才奠定基础。