高校化工仿真实践体系构建

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摘要：地方高校在新工科建设过程中，化工虚拟仿真是化学工程与工艺专业及相近专业的实践类课程，地方院校应从工艺全覆盖的虚拟仿真实践体系、“线上线下”共同搭建的全覆盖虚拟仿真实践体系、“虚实结合”的化工虚拟仿真实验体系等方面构建化工仿真体系，从而提高化学工程与工艺专业及相近专业学生的培养质量，服务地方经济建设。

关键词：地方高校；新工科建设；化工仿真体系

新工科建设是2017年2月以来教育部积极推进的高等教育改革方向，旨在主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，并先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等阶段性成果。随后，教育部了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等重要文件，旨在探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。其中，“北京指南”明确提出：加快现有工科专业的改造升级，体现工程教育的新要求，探索工程教育信息化教学改革，推进信息技术与工程教育深度融合，创新“互联网+”环境下工程教育教学方法，提升工程教育效率，提升教学效果。地方高校要对区域经济发展和产业转型升级发挥支撑作用，努力培养不同类型的卓越工程人才，全面提升工程教育质量。化学工程与工艺专业（以下简称化工专业）是在原来石油化工、精细化工、高分子化工等专业的基础上由教育部整合形成的专业，具有技术密集、人才密集、资本密集的特征，工科特色显著，实践能力要求高。实验教学是学生将理论知识转化为动手实践能力及创新能力的关键环节，在人才培养中起着举足轻重的作用，但化学化工实验的高危性及不可控性，使许多实验无法在真实的环境中开展。其原因包括：大型实验设备运行过程中能耗大、物料消耗多、设备维护成本高；实验产生的废液、气、渣等难以处理，造成潜在的环境污染问题；设备操作风险高；等等。在生产实习教学环节，因为生产和安全压力，企业给予学生到生产一线实践的时间和空间越来越小，生产实习难以达到预期效果。因此，化工虚拟仿真应运而生，虚拟仿真实验教学是“高等教育信息化建设”的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学能够解决传统实验教学中存在的上述突出问题，得到了本专业的广泛认可。各地高校也在化工虚拟仿真教学方面做了较多的探索，取得了积极的成果。但现在很多高校的化工虚拟仿真都停留在个别化工产品生产工艺的仿真，对仿真体系的构建仍然较少。因此，本研究从洛阳师范学院化工系虚拟仿真体系的构建出发，探讨在新工科建设背景下，地方院校如何构建化工虚拟仿真实践体系。

一、工艺全覆盖的虚拟仿真实践体系

化工虚拟仿真体系的构建首先要明确实践目的。化工专业的实践主要分为以下模块：课程实验体系、课程设计、认识实习、生产实习和毕业论文（设计）。因此，虚拟仿真教学也应建立相对应的实践模块，按照该思路构建的虚拟仿真教学体系不仅要包括上述实践内容，还需增加安全教育（火灾演练）和污水处理的内容，这样即形成了化工整厂工艺全覆盖的虚拟仿真体系（如下图）。在上述仿真体系中，基础化工实验包括化工流动过程综合实验（包括粗糙管、光滑管、局部阻力测定实验、离心泵特性曲线测定、管路特性曲线测定和流量性能测定实验）、精馏塔实验（包括全回流和部分回流实验）、二氧化碳吸收与解吸实验（包括解吸塔塔干填料层（△P／Z）～u关系曲线测定、解吸塔湿填料层（△P／Z）～u关系曲线测定和二氧化碳吸收传质系数测定）、萃取塔（桨叶）实验（包括萃取塔操作线的确定和萃取塔传质单元数的测定）和洞道干燥实验。化工实训仿真包括流体输送综合实训仿真、传热过程综合实训仿真、精馏实训仿真、吸收与解吸实训仿真、间歇反应实训仿真。安全事故演练仿真主要包括发生器下料口着火、压缩车间管道着火、充装车间着火等安全事故的演练。此外，乙醛氧化制乙酸工艺仿真、合成氨3D虚拟现实仿真、甲醇3D认知生产仿真以及典型污水处理厂3D虚拟现实仿真也在其中。上述虚拟仿真体系主要包含五大模块：课程实验模块（基础化工实验仿真）、仿真实训模块（流体输送综合实训、传热过程综合实训、精馏实训、吸收与解吸实训、间歇反应实训）、工艺实训模块（乙醛氧化制乙酸工艺、合成氨和甲醇生产）、污水处理模块和安全演练模块。五大模块循序渐进、相互补充，为学生全方位掌握化工知识提供了保障。上述功能仿真软件，实现了从课程实验到认识实习、生产实习再到综合训练的化工企业流程全方位模拟。上述仿真体系的建立，能让学生从小到大、从局部到整体，循序渐进地掌握各类化工企业的全流程，真正起到虚拟仿真的作用。

二、“线上线下”共建，搭建

全覆盖的虚拟仿真实践体系化工虚拟仿真主要借由专业软件实现其功能，然而，线下的虚拟仿真教学对化工仿真实验室的要求较高，且用虚拟仿真来提高学生实践能力的关键在于练习，因此，打造“线上”虚拟仿真体系十分必要。“线上”虚拟仿真平台要求把上述五大虚拟仿真平台整合到虚拟仿真中心网站上，把教学大纲、实验项目、课程教案、多媒体课件、虚拟实验项目等实践项目及要求都放到“线上”平台，并及时更新中心教学、科研及日常信息，形成开放式、网络化的实践教学平台。另外，学校要建设基于校园网架构的虚拟仿真实践教学信息化专业系统，实现网上辅助教学和网络化、智能化管理；支持虚拟仿真实践课堂的信息化教学、视频会议、现场直播、多班讨论、远程听课、教学观摩、网络浏览、数据库平台架构等日常教学和管理活动，实现实验预约、网上预习实验、网上答疑、成绩评定等网上辅助教学。这样，教师在“线下”的课堂教学中给学生讲授基础知识后，学生也有充分的时间在“线上”练习所学内容，通过自主学习能够迅速提高实践能力。

三、“虚实结合”的化工虚拟仿真实验体系

虚拟化工仿真实践教学体系中，所有虚拟仿真软件均有可靠的数学模型，因此，学生可在此平台上自主开展实践项目，包括自主设计实验、自主修改实验参数、自主进行实验配置，达到所要求的认知与实践教学效果，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。同时，学生还可以对大型复杂化工机械装备进行全流程的虚拟设计及虚拟实验，从而对化工基础及专业知识有清楚的理解和深入的掌握，促进知识的转化与拓展。但对化工学科来说，虚拟仿真教学不能也不可以代替真实实验和实习，将虚拟仿真作为真实实验的先修课程，虚拟仿真实验实训考核合格后方可进行真实实验和实习。这样，在真实实验中能够收到事半功倍的效果，主要表现在：一是避免学生损坏实验设备。在虚拟仿真教学中，主要设备的结构、工作原理、操作条件等主要参数均已经过考核，因此，在真实试验中，学生能够避免将设备损坏的一些行为，提高实验设备的使用效率。二是缩短实验时间。传统的实验教学通常需要3-4学时，其中用1学时左右为学生讲解设备结构、工作原理、数据记录等问题。在进行虚拟仿真教学后，学生已经学习并掌握了大部分内容，因此，可以将主要精力集中在数据记录等实验关键信息的掌握上，大大缩短实验时间。三是提高实验效率。在虚拟仿真教学的基础上进行真实实验，学生能够将主要精力集中在真实实验和虚拟实验的差别上，大大提高实验效率，提升实验效果。

综上，发展和完善化工虚拟仿真教学，推进仿真技术在新工科培养体系中的改革，对地方高校化工专业的教学发展、培养化学工程领域高级应用型人才等方面都具有重要的意义。化工虚拟仿真具有很多优点，可为真实实验和实习实训打下良好基础，提高实验效率、提升实践效果，是当今化工实践教学的重要组成部分。地方院校在打造服务地方经济特色的同时，应将化工过程的虚拟仿真体系按照化工流程全方位建设完整，提高学生的培养质量，服务地方经济建设。

参考文献：

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[4]陈志，李军，王敏，等.化工仿真生产实习教学体系的构建与实践[J].山东化工，2017，（46）.

作者:刘金强 刘献明 单位:洛阳师范学院