培养学生实践能力的化工工艺开放实验改革与探索

腾晓旭，时建伟，吕利平，徐建华，周邦智

(长江师范学院化学化工学院，重庆　408100)



培养学生实践能力的化工工艺开放实验改革与探索

腾晓旭，时建伟，吕利平，徐建华，周邦智

(长江师范学院化学化工学院，重庆408100)

化工工艺类实验流程相对复杂，教学难度大，在有限的课时内学生很难真正掌握。在原有已开设化工工艺计算机虚拟仿真实验的基础上，添置了与仿真实验项目对应的化工生产模型，开设了与仿真实验项目对应的化工实训实验，形成“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合的化工工艺实验教学新方法，并在上述的实验过程中实行开放式教学，大大提高学生理论与实践结合的能力。

模型；仿真；实训；开放；化工实验

实验教学是高等工程教育的重要组成部分，是学生实践能力和创新能力培养的必需环节。对理工科的实验教学来说，特别是针对大型化、复杂化、危险性和长时间的全流程化工工艺类实验，在课时有限的情况下，在实验室进行此类实物实验教学往往存在很多限制因素，很难达到教学要求，因此实验教学的方法和手段在不断更新。

近年来，随着计算机的普及和网络技术的发展，虚拟仿真技术被广泛应用于实验教学，开创了一种新的实验教学方式-虚拟仿真实验[1-2]，它打破了实验时间、空间、仪器套数的限制。采用虚拟仿真实验与实物实验相结合的教学模式，激发了学生的实验兴趣，提高了实验教学质量[3-4]。全流程化工工艺实验工艺复杂、仪器设备众多、实验时间长，指导导师很难全程参与，为此在此类实验采用“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合的开放式实验教学模式，在提高教学效果的同时，充分了发挥学生的积极性、主动性。

1　虚拟仿真实验概述

虚拟实验室的概念最早是由美国的William Wolf教授在1989年提出。随着20世纪80年代计算机、多媒体网络技术在网络教育中的广泛运用，使得人们学习的资源更加丰富，学习的形式更加多样化，学习的安排更加灵活，这些都大大促进了网络教育的迅速发展。同时虚拟仿真技术的蓬勃发展，为成功建设虚拟仿真实验室提供了基本条件。虚拟仿真实验的教学模式在各个行业被广泛采用，它有如下特点与优势[2]：

(1)可有效降低实验成本，减少支出。特备是针对具有危险性、过程复杂化和耗时耗能的实验项目更加适用。

(2)开发学生创造性思维。采用虚拟仿真实验，学生不会因为担心损坏仪器设备而畏首畏尾，不会因为危险而担惊受怕，为学生提供大胆探索的实验环境。

(3)增强学生学习兴趣，真正做到理论与实践有机结合，巩固所学知识[5]。

(4)弥补教学中内容的不足，解决供需矛盾，丰富实验内容，拓宽学生学术视野。

(5)保证实验安全。有的实验特别是化工实验有一定的危险性，学生先通过虚拟仿真实验进行熟悉，了解安全生产措施，在后续的实验实训过程中就有安全保障。

(6)促进实验室开放性[6]。 网络实验打破了传统实验的模式，学生不再受时间、空间的制约，可随时、随地进入虚拟实验室进行虚拟实验操作，不在收课堂45 min的限制。

正是因为虚拟仿真实验具有这样的优点，国家在2013年启动了国家级虚拟仿真实验教学示范中心的申报工作，在2014年我国批准首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心。长江师范学院化学化工学院紧跟国家的发展方向，积极完善已有的化工虚拟仿真实验室，并不断探索心得教学方法为实践性人才的培养打下良好的基础。

2　我校化工类实验教学的现状

化学工程与工艺专业除开设基础的化工原理实验外，还开设了化工工艺实验、计算机虚拟仿真实验、化工实训实验和化工综合实验等专业类实验课程。这些实验课程知识面广，接触各种类型仪器机会多，所涉及的实验知识、实验技能和实验方法都是学生以后从事各项科学研究和工程实践的基础。在以往的教学过程中，各门实验的教师只负责自己部分的教学，内容衔接不通畅，同时理论与实践结合性差，只是为了做实验而做实验，也很少把实际生产中的问题引入课堂。学生普遍感到枯燥乏味、学习吃力，从而对实验课程缺乏足够的重视，失去兴趣，最终导致学习上的敷衍搪塞，降低了教学质量。

根据上述化工专业实验课程在化工专业人才培养过程中的地位、作用和任务，我们先后在实验教学队伍建设和优化、层次化课程体系建设、实验开放教学模式探索、研究性教学实践和实施创新教育以及实验室开放运行与管理机制健全等方面进行改革，取得了一定的成绩。鉴于增加实验开放项目总数所带来的资金的投入、实验用房面积的增加和人员编制等问题及实验条件的危险性，我们重点将具有相似实验内容的工艺类的实验课程，如化工工艺实验、计算机虚拟仿真实验、化工实训实验等进行组合，增加生产模型认知环节，构建“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合的实验教学新方法，在实验过程中逐步实行开放式教学，有效提高了实验教学的质量。

3　配套实验室的建设

在2009年我校新开设化学工程与工艺专业时，除引进常规的化工实验设备外，也引进了北京东方仿真软件技术有限公司开发的数个虚拟仿真软件，在以后根据需要又有陆续增加，在此基础上，建成化工虚拟仿真实验室。目前我校的化工虚拟仿真实验室已初具规模，拥有专门的虚拟实验室和专门的教师队伍。在化工专业的专业实验教学过程中，我们采用虚拟仿真实验与实物实验相结合的教学模式，激发学生主动性，有效提高了实验教学质量。

从近几年的教学过程来看，还存在着一些问题。单元操作实验相对简单，不管是在虚拟实验还是在实物实验过程中，学生基本能轻松应对。全流程工艺类实验流程复杂，学生虽然在课本中讲过，但对实际工厂的工艺、设备、仪表等完全没有概念，在懵懵懂懂情况下做虚拟实验，导致学习效果并不理想。为此我们充分发挥学校地处重庆市三大化工园区(长寿、涪陵、万州)核心地带的区位优势，在实验课前先组织学生到企业参观见习，对涉及的工艺流程、设备仪表等进行简单介绍，让学生对此有了大致了解，学习起来就不感到过于抽象。在课本中重点讲授且需要在实验中涉及的合成氨、尿素、硫酸、烧碱、天然气化工和部分有机化工等行业在化工园区都有分布，购买的虚拟仿真软件也与之对应。

企业参观见习的时间毕竟有限，学生很难全部掌握。于是我们购买了数套由南方模型厂制作的化工生产的工厂模型，建立模型室，在虚拟实验过程中模型和软件内容时时对照，大大加深了学生对设备、工艺等的印象，提高了学生的学习理解能力。

学生计算机虚拟仿真的实验做完后，对整个工艺流程有了一定的了解，迫切希望能亲自动手进行验证。为此我们从浙江中控科教仪器设备有限公司、天大北洋化工实验设备有限公司购入了数套化工实训装置，建成实训实验室，让学生真正动手操作，通过实训真正做到理论和实践的结合，使学生对化工生产过程有切身体会。由于资金限制，目前投入使用的化工实训装置主要是化工单元实训和简单的化工工艺类实训装置(如乙醇脱水制乙烯、乙苯脱氢制苯乙烯、煤油裂解、乙酸乙酯生产和尿素综合生产等实训装置)，为此，我们多方面筹措资金，并申报央地共建项目，争取早日引进大型化全流程的化工工艺类实训装置。在此期间，我们积极和三峡学院合作，利用对方的大型实训装置(如合成氨实训装置)进行学生的实训教学。

通过上述实验室的建设和实验设备、模型、软件等的引进，为“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合新实验教学模式开展打下坚实基础。

4　新实验模式的实践过程

以合成氨的实验教学为例，在学期初制定好理论课和实验课的教学进度计划。在理论课讲授过程中，老师利用CAI课件结合合成氨生产模型进行教学。在合成氨理论课讲授完毕后，安排学生到邻近的中化涪陵化工有限公司进行一天的合成氨生产装置参观见习，在工厂工程师的现场指导下，学生将课本、模型知识与实践联系加深记忆。

工厂见习后，进行合成氨计算机虚拟仿真。合成氨的仿真软件分甲烷蒸汽转化、原料气净化和氨的合成三个工段，在化工虚拟仿真实验室，学生每人一台计算机。通过运行合成氨软件，就可以真实反映合成氨的工艺流程。通过建立动态数学模型，实时虚拟合成氨生产装置的冷态开车、正常操作和正常停车等现象和过程，再现了一个离线的、能够亲自动手操作的仿真操作环境，使学生能够对工艺过程的主要指标进行控制和调节，结合对真实现场的感性认识和理解，从而使学习效果更加理想。合成氨的软件还有综合评分系统，可以准确地反映学生对实验的掌握程度和操作水平，并对学生每个实验操作情况给出综合的成绩。参照工厂的班组制人员岗位安排，每五名学生组成一个学习小组，设组长一名，负责实验过程中的组织协调工作。在实验过程中，模型室和虚拟实验室对学生开放，在组长的领导下，只要学生有时间就可做实验，不受时间限制。实验过程中鼓励学生自主学习、互相提问，并将模型和软件内容时时对照，最终组长形成一个简短的汇报材料，代表全组在全班作报告，并分析不足就，找出原因，给出解决措施。

虚拟仿真实验操作合格，并且能准确回答相关思考题的学生可以分组进行合成氨实验(实训)操作。目前我校学生利用三峡学院的大型合成氨实训装置进行实训教学。合成氨实训装置以真实生产工厂为原型，按照一定比例缩小而制成，由造气、气体净化、气体变换、氨合成等工段组成，可整体或单元运行。装置中采用真实的工厂用设备、仪表、阀门，增强现场实物感，并配有DCS控制系统。通过合成氨实训，真正做到理论和实践的结合，使学生对化工生产过程有切身体会。此实验仍分组进行，学生按生产过程中的岗位职责划分实验过程的工作责任，实验过程中通力合作。

在整个的合成氨实验过程中，教师主要起指导监督作用，特别做好实训时的安全工作，其余的实验环节都是以学生为主导完成，真正做到实验在时间、空间、资源等方面的开放。

5　结　论

通过综合虚拟仿真实验室建设，形成了“模型认知—仿真虚拟—操作实训”教学新方法，在实验过程中采用开放式教学，同学们对这种全新的实验方式、与传统实验室不一样的教学氛围以及丰富的操作内容感到满意，从而激发实验的兴趣，提高了对该实验课程的重视程度。但与其它高水平院校而言，我们所开放的实验项目还远远不够，下一步工作，我们希望在软硬件及人员配置各个方面能得到学校的大力支持，营造多元化教学环境，用更多的实验内容开扩学生的视野。

[1]谭守标, 霍剑青, 王晓蒲. 计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应用[J]. 中国科学技术大学学报, 2005, 35(3): 429-433.

[2]周燕. 虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J]. 合肥学院学报, 2008, 18(3): 79-80.

[3]王晓蒲, 霍剑青, 杨旭, 等. 大学物理仿真实验和教学实践[J]. 物理实验，2001, 21(1): 28-29.

[4]霍剑青, 王晓蒲, 杨旭, 等. 发展教育技术营造多元化教学模式的研究与实践[J]. 物理与工程, 2004, 4(2): 53-54.

[5]DongilShin, EnSupYoon, Kyung Yong Lee, et al. A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operationsand processsystem sengineering education[J]. Computers and Chemical Engineering, 2000(24): 1381-1385.

[6]赵英于. 探究式学习的物理仿真实验室的设计[D]. 长沙: 湖南大学, 2007.

Reform and Exploration of Chemical Process Open Experiment for Training Students’ Practical Ability*

TENG Xiao-xu, SHI Jian-wei, LV Li-ping, XU Jian-hua, ZHOU Bang-zhi

(School of Chemistry and Chemical Engineering，Yangtze Normal University，Chongqing 408100, China)

The teaching of chemical process experiment is difficult because of complicated process. The computer virtual simulation lab was built to bring some corresponding chemical production model and open corresponding chemical training experiment. A new experiment teaching method was established, it involved model cognitive, virtual simulation and training operation. The open teaching was used in the experimental process, the students’ ability of combining theory and practice was greatly improved.

model; simulation; training; open; chemical experiment

腾晓旭(1978-),女，副教授。

时伟建(1979-),男，工程师。

G642.0

A

1001-9677(2016)01-0163-03

*基金名称：重庆市教改重点项目(152043)；长江师范学院教改项目(JG15328)。