高校化工仿真實踐體系構建

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摘要：地方高校在新工科建設過程中，化工虛擬仿真是化學工程與工藝專業及相近專業的實踐類課程，地方院校應從工藝全覆蓋的虛擬仿真實踐體系、“線上線下”共同搭建的全覆蓋虛擬仿真實踐體系、“虛實結合”的化工虛擬仿真實驗體系等方面構建化工仿真體系，從而提高化學工程與工藝專業及相近專業學生的培養質量，服務地方經濟建設。

關鍵詞：地方高校；新工科建設；化工仿真體系

新工科建設是2017年2月以來教育部積極推進的高等教育改革方向，旨在主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，并先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等階段性成果。隨后，教育部了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》等重要文件，旨在探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。其中，“北京指南”明確提出：加快現有工科專業的改造升級，體現工程教育的新要求，探索工程教育信息化教學改革，推進信息技術與工程教育深度融合，創新“互聯網+”環境下工程教育教學方法，提升工程教育效率，提升教學效果。地方高校要對區域經濟發展和產業轉型升級發揮支撐作用，努力培養不同類型的卓越工程人才，全面提升工程教育質量。化學工程與工藝專業（以下簡稱化工專業）是在原來石油化工、精細化工、高分子化工等專業的基礎上由教育部整合形成的專業，具有技術密集、人才密集、資本密集的特征，工科特色顯著，實踐能力要求高。實驗教學是學生將理論知識轉化為動手實踐能力及創新能力的關鍵環節，在人才培養中起著舉足輕重的作用，但化學化工實驗的高危性及不可控性，使許多實驗無法在真實的環境中開展。其原因包括：大型實驗設備運行過程中能耗大、物料消耗多、設備維護成本高；實驗產生的廢液、氣、渣等難以處理，造成潛在的環境污染問題；設備操作風險高；等等。在生產實習教學環節，因為生產和安全壓力，企業給予學生到生產一線實踐的時間和空間越來越小，生產實習難以達到預期效果。因此，化工虛擬仿真應運而生，虛擬仿真實驗教學是“高等教育信息化建設”的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學能夠解決傳統實驗教學中存在的上述突出問題，得到了本專業的廣泛認可。各地高校也在化工虛擬仿真教學方面做了較多的探索，取得了積極的成果。但現在很多高校的化工虛擬仿真都停留在個別化工產品生產工藝的仿真，對仿真體系的構建仍然較少。因此，本研究從洛陽師范學院化工系虛擬仿真體系的構建出發，探討在新工科建設背景下，地方院校如何構建化工虛擬仿真實踐體系。

一、工藝全覆蓋的虛擬仿真實踐體系

化工虛擬仿真體系的構建首先要明確實踐目的。化工專業的實踐主要分為以下模塊：課程實驗體系、課程設計、認識實習、生產實習和畢業論文（設計）。因此，虛擬仿真教學也應建立相對應的實踐模塊，按照該思路構建的虛擬仿真教學體系不僅要包括上述實踐內容，還需增加安全教育（火災演練）和污水處理的內容，這樣即形成了化工整廠工藝全覆蓋的虛擬仿真體系（如下圖）。在上述仿真體系中，基礎化工實驗包括化工流動過程綜合實驗（包括粗糙管、光滑管、局部阻力測定實驗、離心泵特性曲線測定、管路特性曲線測定和流量性能測定實驗）、精餾塔實驗（包括全回流和部分回流實驗）、二氧化碳吸收與解吸實驗（包括解吸塔塔干填料層（△P／Z）～u關系曲線測定、解吸塔濕填料層（△P／Z）～u關系曲線測定和二氧化碳吸收傳質系數測定）、萃取塔（槳葉）實驗（包括萃取塔操作線的確定和萃取塔傳質單元數的測定）和洞道干燥實驗。化工實訓仿真包括流體輸送綜合實訓仿真、傳熱過程綜合實訓仿真、精餾實訓仿真、吸收與解吸實訓仿真、間歇反應實訓仿真。安全事故演練仿真主要包括發生器下料口著火、壓縮車間管道著火、充裝車間著火等安全事故的演練。此外，乙醛氧化制乙酸工藝仿真、合成氨3D虛擬現實仿真、甲醇3D認知生產仿真以及典型污水處理廠3D虛擬現實仿真也在其中。上述虛擬仿真體系主要包含五大模塊：課程實驗模塊（基礎化工實驗仿真）、仿真實訓模塊（流體輸送綜合實訓、傳熱過程綜合實訓、精餾實訓、吸收與解吸實訓、間歇反應實訓）、工藝實訓模塊（乙醛氧化制乙酸工藝、合成氨和甲醇生產）、污水處理模塊和安全演練模塊。五大模塊循序漸進、相互補充，為學生全方位掌握化工知識提供了保障。上述功能仿真軟件，實現了從課程實驗到認識實習、生產實習再到綜合訓練的化工企業流程全方位模擬。上述仿真體系的建立，能讓學生從小到大、從局部到整體，循序漸進地掌握各類化工企業的全流程，真正起到虛擬仿真的作用。

二、“線上線下”共建，搭建

全覆蓋的虛擬仿真實踐體系化工虛擬仿真主要借由專業軟件實現其功能，然而，線下的虛擬仿真教學對化工仿真實驗室的要求較高，且用虛擬仿真來提高學生實踐能力的關鍵在于練習，因此，打造“線上”虛擬仿真體系十分必要。“線上”虛擬仿真平臺要求把上述五大虛擬仿真平臺整合到虛擬仿真中心網站上，把教學大綱、實驗項目、課程教案、多媒體課件、虛擬實驗項目等實踐項目及要求都放到“線上”平臺，并及時更新中心教學、科研及日常信息，形成開放式、網絡化的實踐教學平臺。另外，學校要建設基于校園網架構的虛擬仿真實踐教學信息化專業系統，實現網上輔助教學和網絡化、智能化管理；支持虛擬仿真實踐課堂的信息化教學、視頻會議、現場直播、多班討論、遠程聽課、教學觀摩、網絡瀏覽、數據庫平臺架構等日常教學和管理活動，實現實驗預約、網上預習實驗、網上答疑、成績評定等網上輔助教學。這樣，教師在“線下”的課堂教學中給學生講授基礎知識后，學生也有充分的時間在“線上”練習所學內容，通過自主學習能夠迅速提高實踐能力。

三、“虛實結合”的化工虛擬仿真實驗體系

虛擬化工仿真實踐教學體系中，所有虛擬仿真軟件均有可靠的數學模型，因此，學生可在此平臺上自主開展實踐項目，包括自主設計實驗、自主修改實驗參數、自主進行實驗配置，達到所要求的認知與實踐教學效果，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。同時，學生還可以對大型復雜化工機械裝備進行全流程的虛擬設計及虛擬實驗，從而對化工基礎及專業知識有清楚的理解和深入的掌握，促進知識的轉化與拓展。但對化工學科來說，虛擬仿真教學不能也不可以代替真實實驗和實習，將虛擬仿真作為真實實驗的先修課程，虛擬仿真實驗實訓考核合格后方可進行真實實驗和實習。這樣，在真實實驗中能夠收到事半功倍的效果，主要表現在：一是避免學生損壞實驗設備。在虛擬仿真教學中，主要設備的結構、工作原理、操作條件等主要參數均已經過考核，因此，在真實試驗中，學生能夠避免將設備損壞的一些行為，提高實驗設備的使用效率。二是縮短實驗時間。傳統的實驗教學通常需要3-4學時，其中用1學時左右為學生講解設備結構、工作原理、數據記錄等問題。在進行虛擬仿真教學后，學生已經學習并掌握了大部分內容，因此，可以將主要精力集中在數據記錄等實驗關鍵信息的掌握上，大大縮短實驗時間。三是提高實驗效率。在虛擬仿真教學的基礎上進行真實實驗，學生能夠將主要精力集中在真實實驗和虛擬實驗的差別上，大大提高實驗效率，提升實驗效果。

綜上，發展和完善化工虛擬仿真教學，推進仿真技術在新工科培養體系中的改革，對地方高校化工專業的教學發展、培養化學工程領域高級應用型人才等方面都具有重要的意義。化工虛擬仿真具有很多優點，可為真實實驗和實習實訓打下良好基礎，提高實驗效率、提升實踐效果，是當今化工實踐教學的重要組成部分。地方院校在打造服務地方經濟特色的同時，應將化工過程的虛擬仿真體系按照化工流程全方位建設完整，提高學生的培養質量，服務地方經濟建設。

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作者:劉金強 劉獻明 單位:洛陽師范學院