虚拟仿真在化工生产实习教学中的应用

杨文，冯艳艳，吕奕菊，王桂霞

（桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林 541004）

自2013年以来，教育部开展国家级虚拟仿真教学中心建设。同时，各高校在仿真建设方面积极探索与实践，虚拟仿真教学已成为提升高等教育发展水平和提高人才培养质量不可或缺的手段，特别是在高危、高污染和高成本的化工类课程教学方面发挥着重要的作用[1-3]。一直以来，我校化学工程与工艺专业结合“育人为本、质量立校、人才强校”的办学理念与办学特色，正确处理“人才培养与社会需求关系”“知识传授与能力和素质培养的关系”及“教与学的关系”，树立以学生为中心，教为主导、学为主体的教学理念，注重综合素质教育，培养德才兼备、适应21世纪社会发展需要的应用型人才。

基于此，我校2015年建立化学工程与工艺专业虚拟仿真教学中心，通过应用虚拟仿真教学的形式，推动本专业实践教学改革，充分调动学生的学习兴趣，为学生提供多方位的学习机会，促进学生实践动手能力以及解决复杂工程问题能力的提高[4-6]。尤其是，借助化工专业虚拟仿真教学平台，通过全国大学生化工实验大赛和化工设计竞赛，我校化工专业学生的实践能力和创新能力大幅提升，且具有较强的工程实践能力和良好的工程意识。因此，本文首先指明化工生产实习课程中传统教学存在的不足，通过虚实结合构建半实体装置+虚拟仿真的思路，分析仿真教学在生产实习课程中的作用以及教学特色。

一、化工生产实习课程传统教学的不足

化工生产实习是化工专业教学计划中的一项重要的实践教学环节，是在完成化工专业的主要理论课程教学之后进行的。其目的是使学生了解和熟悉化工企业生产过程、生产工艺控制、生产操作和主要生产设备等方面的内容，加深对化工专业的基本理论和生产技术知识的理解，获得解决生产中出现问题的初步训练，培养学生的基本工程实践能力和独立和团队工作的能力。

传统的教学方式存在很多不足，难以满足化工专业人才培养的需求。在传统化工生产实习中，学生进入化工厂，主要了解化工产品的生产工艺，对生产装置只能看、不能动，特别是对化工产品生产装置的开车、停车方法和操作无法学习和掌握。同时，对化工厂事故应急处理的步骤和方法只停留在入厂时的安全教育环节，对具体实施过程没有深刻领悟和掌握[7-9]。由于实习环节中学生总体参与度不高，在实习后期学生的学习积极性不足，最终仅通过撰写实习报告的方式来评价学生生产实习过程中对知识的掌握程度，评价结果很难客观反映课程目标的达成情况[8-13]；在对用人单位的调研和座谈中发现，他们对本专业毕业生所具有的专业知识、生产操作能力等具有较好的认同，能够较好地胜任化工相关的工作。他们认为，由于化工生产过程中的特殊环境，高校应适当增加化工安全方面的教育，以及进一步加强学生的独立工作和团队协作能力、交流沟通能力。

基于上述问题，我校建立化学工程与工艺专业虚拟仿真实验教学中心（包括中央控制室和半实体微型工厂），让学生在学校就能对典型化工产品生产装置进行开车停车操作练习，培养学生的实践操作能力，解决在企业实习只能看、不能动的问题。同时，定制化工安全相关设备器材，增加化工产品着火、有毒气体泄漏等化工安全预警演习，培训心肺复苏和空气呼吸器的使用，以增强学生的化工安全意识。

二、化工生产实习（仿真工厂）课程的教学思路

对生产实习课程设立四个课程目标，包括：理解典型化工产品的生产工艺流程；掌握和运用仿真软件模拟工艺装置开停车，掌握开停车方法和原理；理解化工安全生产的重要性，掌握着火和气体泄漏等事故的应急处理方法；能够在生产中形成责任意识，对生产装置进行仿真联合操作、协同合作，增强和提升团队合作意识。

为了完成上述课程目标，借助仿真教学对生产实习过程开展以下教学环节：根据反应过程的特点，理解和掌握预处理、反应和分离工艺；对典型化工产品的生产工艺进行开停车学习，掌握工艺装置开停车的原理和方法；对生产装置进行仿真联合操作、协同合作，增强和提升团队合作意识；事故应急处理演习，了解着火和气体泄漏等事故的应急处理方法。通过化工生产（仿真）实习，让学生深度参与整个教学过程，提升学生实践动手能力和团队协作能力，进而增强学生解决复杂工程问题的能力。

根据以上教学环节，实习课程的组织与实施方式由以下部分构成：实习动员：对学生进行实习动员，并对实习工厂的工艺过程、单元操作及安全教育等内容进行简单介绍。岗位分组轮岗实习：集中学习具体的生产工艺流程，厘清现场装置的摆放位置、管线的走向等。分组练习软件版开车、内操、外操联合操作及安全演练。实习笔记：学生将每天在实习工段学习到的知识、收集的资料和图表、所听报告内容、实习心得等记入实习笔记。实习报告：实习结束时学生提交书面实习报告。实习报告的内容主要有：实习目的与内容；实习工厂的基本情况；实习车间产品的生产方法、工艺过程、主要工艺指标、主要设备及流程说明；绘出重点工段的工艺流程图；生产实习的体会和收获等。基于此，实习课程的总评成绩由四部分构成，包括：实习报告、仿真操作、内外联合操作和心肺复苏等安全相关操作，按一定比例四项成绩加和，然后折算为五级计分制分数。

三、环己酮生产工艺半实体虚拟仿真教学系统在化工生产实习中的应用

（一）教学目的

借助虚拟仿真+半实体装置教学，使学生熟悉化工企业生产过程、生产工艺控制、生产操作和主要生产设备等方面的内容，加深对化工专业的基本理论和生产技术知识的理解，培养学生的独立和团队工作的能力，提高学生分析问题和解决问题的综合能力，掌握典型连续化工艺开停车的原理，克服在化工厂现场学习时，学生只能看、不能动的缺点。

（二）实施过程

依托半实体微型工厂和中央控制室，根据真实化工厂的相关理论和实践操作规程在虚拟仿真工厂中进行相应操作和运行，使得学生能够获得生动直观的感性认识，增进对抽象原理的理解；通过对讲机进行内外联合操作，进行化工生产工艺的开停车、应急事故处理练习。

（三）教学内容

环己酮生产工艺半实体虚拟仿真教学系统，包括半实物流程装置单元、DCS模拟控制部分和仿真软件系统三部分在内的仿真系统，为化学工程与工艺专业的学生提供了一个高仿真度、高交互式和全程参与式的虚拟操作平台，可开展苯加氢制备环己烷和环己烷氧化制备环己酮生产工艺的生产过程、工艺、停开车原理和方法、应急事故处理等方面的学习和培训，使学生对化工产品的生产形成全面的认识，提升学生解决复杂工程问题的能力。

首先，通过对环己酮生产工艺流程进行讲解，让学生从节能减排的角度认识环己酮生产工艺流程，并结合半实体环己酮生产仿真车间，加深对工艺装置流程的理解。环己酮生产工艺包括苯加氢制备环己烷工段和环己烷氧化制备环己酮工段。苯加氢工段采用气相法，以金属铂作催化剂，主反应器为固定床反应器，利用循环热油移除反应器中产生的反应热。环己酮制备工段采用无催化氧化法，将苯加氢工段制得的环己烷产品直接与含氧气体（空气）接触发生氧化反应，生成中间产物环己基过氧化氢，该中间产物在醋酸钴催化剂的作用下，选择性分解成环己酮。

其次，在熟悉工艺流程的基础上，通过DCS集成仿真系统，对环己酮生产工艺装置开车、停车学习，掌握典型化工产品生产工艺装置开停车原理方法，使学生深刻理解整个装置在稳态和非稳态状态下的调控过程，进一步加深对工艺装置的理解，进而提升学生的实践动手能力和解决复杂工程问题的能力。

再次，对环己酮生产装置进行内外仿真联合操作、协同合作，增强和提升团队合作意识。在掌握环己酮生产装置开车原理方法的基础上，对半实体环己酮制备进行联合仿真操作，学生分工段监控，指挥和调控，实现中控室和生产车间联动，有效提升学生协同合作，增强和提升团队合作意识。

最后，对装置区气体泄漏和着火事故开展应急事故处理演习。演习过程中，学生分别扮演班长、安全员、内操员、外操员和消防员等角色。其间并学习空气呼吸机、灭火器和心肺复苏的使用和急救方法，使学生掌握化工事故的应急预案处理方法，增强学生的化工安全知识。

（四）教学效果

学生普遍反映虚拟教学方法生动形象，对环己酮生产的基本流程理解深刻，大大提高了他们的学习兴趣和积极性。学生通过这种教学方法可以进行多次反复地学习，对环己酮生产流程中的诸多细节得以充分地掌握，避免了在化工厂现场学习时只能看、不能动的缺点。同时，在实践过程中，通过内外联合操作增强学员的团队协作意识和化工安全意识。

四、化工生产实习（仿真工厂）课程的教学特色

（一）实验方案设计思路

环己酮生产工艺仿真教学项目以环己酮的生产制备工艺为对象，借助半实体工厂和根据实体装置建立的DCS中控系统，构建化工虚拟仿真教学系统。学生在数字高真实仿真、情景化真实操作中学习环己酮连续化生产工艺、装置参数调节和控制方法、应急事故处理方法，解决学生实习过程中高危、“动手难”的问题，进一步增强学生解决复杂工程问题的能力。

（二）教学方法创新

构建高度仿真化工厂区，场景逼真、交互性强。学生在仿真工厂中可实现多人联合操作，分别分配不同人物角色，进行冷态开停车、监控和操作，增强学生实操能力、团队协作能力和化工安全意识，提升学生化工综合素质。

（三）评价体系创新

软件具有智能评分系统，可清晰查看各步骤操作得分与失分点，培养学生正确操作意识，同时对学生掌握程度进行客观有效评价

（四）对传统教学的延伸与拓展

真实的工厂化情景，先进的媒体设备，理论与实践相结合，线上与线下学习相结合，虚实结合，提供了丰富多样的现代化教学手段，使学生在校内就能进行“工厂化”的上岗操作，解决了化工厂实习过程只能看、不能动的缺点，提升学生解决复杂工程问题的能力以及“厚实践、强创新、显个性”的综合素质，为我校化工类人才的培养注入动力。