实践型发酵工厂设计课程教学探索

王柯+张宏建

摘要：本文针对《发酵工厂设计》课程教学质量整体下滑的问题，提出了在课堂教学中引入三维软件技术以及开展计算机仿真技术和工厂实习相结合的实践教学模式，该模式有利于全面提升教学质量，培养高水平工厂设计人才。

关键词：发酵工厂设计；三维软件；计算机仿真技术；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0137-02

时下，发酵工业已发展成为我国战略性新兴产业中的重要组成部分，发酵产业产品总量已居世界首位，但多数仍局限在低水平和重复建设上，在核心技术装备及设计建设等方面与发达国家相比还存在差距。这就对现在高校《发酵工厂设计》课程的教学内容、手段和理念提出了新挑战。

《发酵工厂设计》课程是生物工程专业的一门专业必修课程，是一门综合性与实践性很强的应用型课程，是整个生物工程专业课程规划中最具工程化和创造性的课程[1]。要求学生掌握发酵工程、微生物学、生物工程设备、工程制图等多门课程的基础理论和专业知识，具有使用绘图软件的能力。完成工程师的综合性基本训练，使学生了解工厂设计的工作程序、内容、步骤，掌握发酵工艺设计的理论、方法和有关设计规范，能胜任工厂技术改造或工艺设计的工作[2]。然而《发酵工厂设计》课程的教学效果整体出现下滑。成因有以下几点。第一，教学方法手段单调，缺乏创新。学生学习难度大，感到枯燥费力。目前我国《发酵工厂设计》课程的课堂教学大都是传统的“粉笔黑板模式”，或用简单的多媒体课件，学生在听课过程中对课件所表现的静态的、复杂的、枯燥的和平面的工艺流程、设备及车间布局等图形缺乏直观、感性的认识[3]，认识深度有限，不容易理解设备的结构与功能，更难理解其操作，对工艺和车间布置一知半解，直接打击了学生的积极性。第二，工厂实践教学几乎没有，即使有也是走马观花。导致学生不能对厂址选择依据、工厂总平面设计、工艺流程设计、设备设计与选型、车间布置设计、管道设计与布置、辅助部门设计与布置及废水控制和处理方法等具体细节有详细认知，不能详细了解整个工厂的物料平衡、能量平衡、水平衡等信息。

我们依托本科教育教学改革研究课题对《发酵工厂设计》的教学方式进行了探索和实践，将三维软件技术作为《发酵工厂设计》课堂教学的手段之一，同时以计算机仿真技术和工厂实习相结合的方式开展实践教学，提高教学质量。

一、三维软件AutoCAD Plant 3D在《发酵工厂设计》课程中的应用

AutoCAD Plant 3D是由美国的欧特克公司开发的一款新兴工厂三维系统设计软件。它包含工艺流程设计（P&ID）、设备設计、管道设计、钢结构、电缆敷设、管线应力分析、管网流体分析等部分。自身带有欧美标准和中国国标开发的钢结构、设备、管道、法兰、阀门等三维元件库。它能够“建造”一个虚拟的、三维的发酵工厂，不仅能完美地呈现工厂的总体布局、管道布置等情况，又能够微观地表现设备详细结构，能够在建厂前预先了解工厂的情况，及时纠正设计中存在的不合理情况。所以该软件大大提高了工厂设计效率，并且能够优化设计方案，减轻设计人员的劳动强度，节约设计成本，加强设计工作的前瞻性等。将AutoCAD Plant 3D应用于《发酵工厂设计》课堂教学中，可以将发酵工艺中的设备，如发酵罐、离心机、换热器、泵等，由传统课件中的静态、平面表现模式，转化为三维立体模式呈现给学生，可以让学生从各个角度、由内而外全面观察设备，对设备的结构、运行原理有直观了解。同时，利用软件将原本工程图纸教学中静态的、二维的工厂工艺设计成动态模型，让学生有更加感性的认识，提高学习兴趣。

目前，《发酵工厂设计》课程涉及的工厂设计绝大多数是通过二维AutoCAD完成。这种方法不能精准、直观地反映工厂的总平面设计、设备结构、车间和管道布置等情况，而且设计工作效率不高，容易出错，所以越来越不能适应现代工厂的设计要求（直观、高效、精准和简捷），而三维工厂设计软件的出现显然克服了这些问题。在众多的三维工厂设计软件（PDS、PDMS、Autoplant 3D、AutoCAD Plant 3D等）中，AutoCAD Plant 3D在中小型工厂设计中发展最为迅猛，所以得到越来越多的设计院和工厂的青睐。由于三维工厂设计软件在中国的发展相对于国内是比较滞后的，能够熟练使用的设计人才相对比较稀少。对于这样的人才，设计院和企业的需求量较大，并且愿意支付更高的薪酬，提供更好的职业发展机会。一旦学生掌握了这种能力，能够获得更多更好的就业机会，就会更加积极主动地学习。此外，由于AutoCAD Plant 3D的计算机运行环境不高，一般的PC机即可运行，并且具有等级驱动技术和现代化的界面，使得建模和管道、设备、结构支架的编辑可以直接在工作空间中以三维形式进行，其他管件也比较简单易用。所以，学生一般具备使用该软件的条件，并且大大降低了学生学习使用的难度，进一步增加了学生的学习动力。三维软件AutoCAD Plant 3D在《发酵工厂设计》课程中的应用显著提高了教学的质量和学生学习的效率，强化了学生的工程设计能力。

二、计算机仿真技术与工厂实习相结合开展实践教学

对于学习《发酵工厂设计》的学生来说，获得工厂设计能力的前提是不仅要具有计算、绘图、表达等基本功，了解工厂设计的工作程序、内容、步骤，掌握工艺设计的理论、方法和有关设计规范，还要对相关工厂总平面布局、工艺流程、工艺计算、设备选型、车间布置、管道布置、公用工程等有直观深入的了解。通过实践教学，巩固和加深课堂理论教学中所学的专业知识，加深对设计概念的理解。同时需要发掘工厂设计中的精髓与设计中存在的问题，提高理论联系实际及分析问题、解决问题的能力。进行实践教学的首要任务是选择合适的企业。企业要求具有典型性、时代性和指导性[4]，具体表现在：（1）企业具备行业代表性，比如以酒精生产为代表的酵母厌氧发酵企业，以柠檬酸生产为代表的霉菌好氧发酵企业，以谷氨酸生产为代表的细菌好氧发酵企业等；（2）生产技术先进，比如采用连续发酵的酒精企业，采用温敏型菌株的谷氨酸企业，采用超临界二氧化碳萃取技术的啤酒生产企业等；（3）具有时代特征，且表现的事实材料具有一定的普遍意义。这是由于学生对工厂环境陌生，需要时间适应，影响了实习的效率。所以可制造一套与实际生产相似的仿真系统，让学生在计算机上就可以模拟操作。

在进入企业前，教师要充分了解发酵工厂设计和建设的过程，熟悉工厂现场，详细掌握生产经营状况；做好学生实习的动员工作，大体讲解工厂的实际情况，讲清实习的目标，分配实习任务，对实习方法加以指导，并提出实习过程中的注意事项。实习中，将整个实习分为工厂厂址选择和工厂总平面设计、工厂工艺设计和工厂公用工程设计两大主题开展。对于第一个主题，要求学生向企业相关人员了解工厂所在位置的自然条件、技术经济条件和总平面布置图等信息，依据课堂中所学的厂址选择、总平面设计原则，对该工厂的厂址选择、总平面设计的合理性进行评价，给出评价报告。对于工厂工艺设计和公用工程设计这个主题，要求学生进入生产车间，进行现场观察并在操作人员的指导下亲自操作。在这个过程中，详细了解生产工艺流程，了解专业设备、通用设备和非标设备的功能、结构、操作方法，了解车间布置、管道的选择与布置以及给排水、供热、供冷、仪表、自动控制等公用工程。通过物料平衡和能量平衡计算，并参照工艺设计理论、方法和有关设计规范，评价工艺设计和公用工程设计，思考其设计的优缺点，并提出对于设计不足处的改造方案。在实习过程中，教师定期组织讨论活动，引导学生就实习过程中发现的问题进行讨论，并解答学生的疑问，做到尽量让每个学生都能发表自己的意见和看法。实习结束后，学生要按照发酵工厂设计规范，依据实习工厂的实际情况，完成对应工厂的整体设计任务。该任务的完成将有利于学生锻炼自身的實际设计能力，进一步掌握课程内容，也有利于教师了解教学效果，对教学方式方法进行优化。

三、结束语

《发酵工厂设计》是生物工程专业本科课程体系中的一门重要专业课程，对实现本专业培养目标具有重要的作用。它又是一门综合性与实践性很强、学习难度较大的应用型课程。笔者针对近年来《发酵工厂设计》课程教学质量整体下滑的问题，剖析了原因，并在此基础上创新教学方式，通过在课堂教学中引入三维软件技术以及开展计算机仿真技术和工厂实习相结合的实践教学，增强了学生对理论设计知识的感性认识，激发了学习的兴趣和主动性，提高了学习效率，强化了学生的工程设计能力。

参考文献：

[1]丁健，槐强强.基于自动化和计算流体力学技术的发酵工厂设计课程教学探索[J].教育教学论坛，2016，（17）.

[2]吴思方.发酵工厂工艺设计概论[M].北京：中国轻工业出版社，2006.

[3]戴清源，朱秀灵，陈涛.三维虚拟仿真技术在发酵工厂设计教学中的应用优势[J].科教文汇，2011，（3）.

Exploration of the Teaching Model with Practice for the Fermentation Factory Design Course

WANG Ke，ZHANG Hong-jian

（School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China）

Abstract：To resolve the problem of the declining teaching quality of the fermentation factory design course，the 3D plant design software was introduced to the classroom teaching and the computer simulating and factory training were combined to carry out the practice teaching. This teaching model was beneficial for promoting the teaching quality and cultivating high-level factory design talents.

Key words：fermentation factory design， 3D plant design software， computer simulating， practice teaching