虚拟仿真实验室在化工专业实践教学中的应用

邱会东，王金波，邱奎，熊伟

虚拟仿真实验室在化工专业实践教学中的应用

邱会东，王金波，邱奎，熊伟

以重庆科技学院化学化工实验教学中心为例，介绍了该中心依托行业背景，对基础化学虚拟仿真实验平台、化工单元操作虚拟仿真平台、石油炼制虚拟仿真平台及天然气化工虚拟仿真平台在化工专业实践教学中的应用惰况。

石油天然气化工；实践教学；虚拟仿真

2013年，教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中指出：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。要求各高校分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。

一、应用虚拟仿真实验技术的必要性

石油天然气化工虚拟仿真实验教学是依托虚拟石油化工企业现实场景、多媒体技术、人机交互信息、数据库和网络通信等技术，构建高度三维仿真的虚拟实验环境和实验对象的新型教学方式。学生在虚拟环境中开展实验、实训和实习，实现专业教学大纲所要求的实践教学效果。随着虚拟仿真实验技术的发展以及高校对创新人才培养的要求，将虚拟实验技术引入到高校本科实践教学中，已经成为实践教学改革的新趋势［1］。将虚拟实验技术引入到石油天然气化工专业实践教学中非常必要。

（一）现代化工行业生产管理的需要

由于现代化学化工行业以复杂的设备和高度密集的联合体为基础，呈现出生产规模日益增大、投资消耗日益增长、自动化程度日益提高的趋势，生产过程连续不可逆，存在高温高压、易燃易爆、有毒有害等高危险性。因此，为展现化工生产的智能化以及预警安全生产与管理风险，利用虚拟仿真三维成像技术可以给学生提供更真实、更先进的模拟企业场景进行各种操作实验训练，为师生提供一个具有过程可重复性、原料无风险性、实验成本低等特点的实验平台。

（二）走出学生实训实习困境的需要

目前高校虽然建立了许多校内外实践教学基地，在一定程度上加大了工程实践能力培养的力度。但是，一方面鉴于化工企业安全管理的需要，以及规模化企业的化工工艺过程流程复杂、自动化程度高、设备机械仪器先进、对人员的现场操作要求高，绝大多数岗位必须持证上岗；另一方面，校内实训设备也不能购买多台套化工生产设备供教学使用，加之实验过程环境污染和安全问题也很突出。因此，学生在校内或到企业实习通常无法亲自动手操作和长时间亲临装置现场观摩，致使岗位实习或带岗实习的参与度低、实习效果差和“实习动手难”的问题尤为突出，学生的工程实践能力无法得到锻炼，这为探索虚拟仿真等新的实践教学模式提出了新的要求。

（三）培养大学生工程实践能力的需要

近年来，化工行业发展迅速，对一线工程技术人才的需求量显著增加。工程师的工程技术能力和实践应用能力是体现企业技术实力的重要方面，也是企业先进生产力的重要体现。因此，我国教育部积极推行“卓越工程师培养计划”试点工作，旨在“以实际工程为背景，以工程技术为主线，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，培养创新型工程师，为我国走新型工业化道路和建设创新型国家提供坚实的人才支撑和智力保证。虚拟仿真实验教学正是促进未来卓越工程师实践能力培养的重要技术保障。

（四）虚拟三维仿真实验技术平台的优势

随着工程教育体系的不断发展，以及“化工大工程观”现代化学工程师教育理念和虚拟三维仿真实验技术的引入，构建“产品设计—结构重现—单元操作—工艺设计—虚拟工厂”体现“化工大工程观”理念的实践教学平台，可对学生进行全面、系统的工程实践训练，着力培养学生的工程实践能力、专业设计能力和科技创新能力，使培养的学生具备现代化学工程师实践能力所需的全部素质和能力。同时，实现教学资源的零消耗、实验过程的零污染、实验容量的无限化，丰富实践教学的内容与模式，消除实践教学的危险性，增加学生动手操作的机会，增强对化工生产连续性、高强度、自动化、紧迫性的真实体验，为提高应用型本科人才培养质量提供了可靠保障。

二、我校中心仿真实验室系统平台概况

我校的中心仿真实验室系统平台是重庆市的市级示范教学中心，以化学基础实验和单元操作为基础，石油天然气化工为特色，全流程化工仿真为亮点。其中，仿真实验室系统平台具体情况如下。

（一）基础化学虚拟三维仿真实验平台

该平台主要包括无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等四大基础化学虚拟实验室、化工原理虚拟实验室和仪器分析虚拟实验室，学生可以通过开放实验教学网络预习预约管理平台，在校园网或互联网上通过身份认证与授权后，可以自由灵活地进行自主学习和实验操作，方便学生在实作实验之前对一些实验的基本原理、基本操作的注意事项、实验方法与技术等进行预习。

（二）化工单元操作实验实训仿真平台

该平台在向学生展示真实化工设备单元基础上，结合仿真软件以三维动画形式描述设备的内部构造和工作原理，可使学生准确把握设备的内外结构及工作原理，为工艺操作控制奠定基础。包含有典型化工设备有机泵、压缩机、换热器、塔设备、反应器等；典型化工单元操作有流体输送单元、流化床干燥单元、精馏单元、吸收单元、萃取单元、化工装置换热网络、离心泵及三级液位系统、热交换器换热过程、连续反应（CSTR）系统和气体压缩等。该平台可以实现以天津大学研制的单元操作设备、浙江中控技术股份有限公司生产的单元操作实训设备与北京东方仿真软件结合起来使用，达到“虚实结合”的实验实训效果。

（三）催化剂分子设计与石油炼制仿真平台

该平台对各种催化剂及石油助剂进行分子设计，让学生初步掌握产品分子设计计算方法，研究其结构与功能之间的关系。在此基础上，利用流程模拟软件结合化工计算，设计出化学产品合成工艺路线，使学生从化工生产的源头上就熟悉、掌握产品设计合成的现代化方法，并训练典型炼油工艺的流程操作控制方法。典型工艺模块主要有常减压蒸馏工艺、催化裂化工艺仿真软件训练学生炼油工艺的DCS控制，熟悉装置正常运行中的工艺参数监控、调整，冷态开车、热态开车、正常停车、临时停车和典型故障的判断与处理。

（四）天然气化工仿真平台

天然气化工仿真平台是根据我校石油工程的办学特色，并结合川渝地区天然气化工支柱产业而设置的一个虚拟仿真实践教学平台。该平台主要包含天然气加工装置工艺设计、天然气脱硫工艺模拟和工艺参数分析、天然气合成氨工艺仿真操作，以及与北京化工大学联合开发的丙烯酸甲酯半实物仿真工厂（投资540万元建设了一套与工厂同比例缩小的实物化工生产流程装置，整套仿真装置设有反应器1台、精馏塔7座、换热器20台、储罐6个、泵14台，共47台设备），做到了工艺真实、信号真实、控制真实、操作真实、情景真实、运营真实、维保真实、虚拟物料，以及通过流程仿真软件结合半实物仿真装置，实现学生在虚拟化工企业综合性操作控制训练，达到全面锻炼综合实践操作能力目的。

三、仿真实验室的特色

通过虚拟仿真实验教学平台建设，丰富了实践教学资源，推动了信息化条件下的现代化教学，强化了对学生三种能力（工程实践能力、专业设计能力和科技创新能力）的培养，提高了应用型人才培养质量和教师的教学科研水平，增强了服务社会和校企协同创新能力。仿真实验室体现了三个方面的特色：一是化工技术与计算机信息技术相结合，实物仿真与虚拟仿真相结合，创新实验教学模式，提升教学水平；二是实训、实习运行制度采用“真实的工厂化管理”模式，解决了化工现场动手难问题，增强了学生的自主学习意识，快速进入岗位角色；三是“可实现校园网络化运行”，促进了优质教育资源的共享，提高了实验室的开放度和利用率。

四、结语

随着计算机多媒体技术和网络通信技术的迅速发展，信息时代的学习、生活方式都发生了重大变化，人们对虚拟仿真技术的认识也逐渐加深。虚拟仿真实验教学通过校园网连接到互联网上，借助Mobile、Web等信息技术手段呈现出的高仿真、超时空、多层次、全开放、交互式和合作式等特点，改变了传统实验教学模式，教学环节实施突破了实验室界限，可以在更大的空间中组织运行，随时随地随需开展网络教学［2］。虚拟仿真实验室的建设提高了中心的教学效果，加强了中心的示范辐射作用，但还远远不能满足对虚拟仿真实验教学的需求，要借助教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的契机，进一步加强虚拟仿真实验室的建设与管理，为石油天然气化工专业提供可靠、安全和经济的实验、实训及实习项目，为提高应用型本科人才培养质量提供可靠保障。

［1］蒲丹，周舟，任安杰.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探［J］.实验技术与管理，2014（3）.

［2］汪航，孙琪.教学型虚拟实验室的应用研究［J］.现代远距离教育，2010（4）.

（编辑：文汝）

G642.0

A

1673-1999（2015）09-0068-02

邱会东（1975-），男，硕士，重庆科技学院（重庆401331）化学化工学院副教授，研究方向为分析化学理论与实践。

2015-05-04

重庆市教育委员会高等教育教学改革研究项目“实验室开放模式与管理模式的探索与实践”（142012）；重庆科技学院本科教育教学改革项目“化学化工虚拟仿真实验教学平台建设的研究与实践”（201512）。