化工仿真教学的探索与思考

王兆东

(上海信息技术学校，上海 200331)

现代化工技术快速发展，生产规模不断扩大，生产设备不断更新，自动化程度越来越高，生产过程要求操作人员具备相应的专业知识和专业技能。但化工生产中高温、高压、易燃、易爆、有毒、有腐蚀性等不安全因素众多，并且工艺条件要求十分严格，化工安全生产责任十分重大，学生的工厂实习只能眼观不能手动，往往是走马观花达不到熟悉生产工艺的目的，而常规的课堂教学亦无法满足培养操作技能要求。

化工仿真培训软件可为学生提供实际动手的机会，模拟真实生产过程进行开停车训练，观察各参数间的关联影响等，让学生能深入了解工艺机理，提高操作技能水平。随着化工仿真教学的不断探索，更多的功能将被开发和应用到教学中。

1 仿真实训教学体系构建

本校化学工艺专业针对行业需求和学生学习特点，根据现有的教学资源，目前已建成化工单元操作仿真、化工产品生产仿真、工业仿真实训、3D生产实习仿真、丙烯酸甲酯仿真工厂等具有专业特色的仿真课程。

1.1 化工单元操作仿真

结合单元操作课程，在新课教学中加入离心泵和液位控制单元、换热器单元、精馏塔单元、吸收解吸单元、多效蒸发单元、反应釜固定床和流化床反应器单元等与课程紧密相关的仿真操作课程，让学生有机会进行动手操作，加深理解基本单元操作过程的步骤和工艺参数调控方法，对于理论知识的学习起到了很好的补充和促进作用。

1.2 化工产品工艺仿真

经过单元过程仿真操作学习，可进一步根据教学需要将各单元过程进行组合生产特定的化工产品，本课程安排了聚氯乙烯、乙醛氧化制醋酸和均苯四甲酸二酐三种典型化工产品生产过程仿真，采用分段工艺将原料预处理、反应过程和产物后处理分成不同操作单元，便于学生操作和掌握生产工艺过程。

通过本课程的学习让学生初步了解化工产品的生产过程原理和设备，各单元操作综合应用于产品分离和净化过程，通过仿真操作练习和工艺参数控制过程培养起学生严谨认真的职业素养。

1.3 化工产品工业仿真

相较于化工产品工艺仿真，本课程采用企业用DCS仿真操作软件，完全模拟工业生产过程，主要特点是工艺参数多，参数相互关联程度大，工艺条件要求严格，需要学生有较高的专业理论支撑，并需要学生具备很好的操作耐心和全局思维，能根据一处的参数变化迅速判断调节方法。通过本课程学习，学生将能够达到企业生产操作员水平，应付和解决大部分生产过程中出现的问题。

1.4 生产实习仿真

针对现在工厂实习只能看不能做的问题，采用3D仿真软件进行工厂参观实习，代替一部分企业实习功能。该软件以真实化工厂生产为背景，让学生身临其境体验工厂生产操作过程，并在操作过程中设置了个人防护用品、安全生产、产品性质、工艺生产操作等知识点，包含了视频、动画、图片、文字等内容丰富的资料，让学生能够全面直观的认识化工生产的背景知识，在实习参观过程中会有各种思考题出现，答对才能继续进行，最后还有仿真在线测试题，便于考核了解学生学习效果。

整个过程采用角色代入方式，学生通过操作人物完成整个参观过程，寓教于乐，学生学习积极性高，而且老师设置课程方便，省去了大量的组织、管理时间，也能及时发现学生实习过程中的问题。另外，本校还配套一系列3D安全仿真软件满足教学和培训的要求。

1.5 丙烯酸甲酯仿真工厂

学校引入流程级化工仿真系统模拟丙烯酸甲酯生产工艺，采用全数字仿真技术无需投料，建立一个真实的生产装置现场，工艺参数高真实仿真，实现对真实装置每个环节操作模拟，学生可以在真实的实体装置上亲自动手操作，将DCS系统内操和外操相结合，进行正常开停车、正常运行和事故处理等操作，真实再现工厂生产情景，再结合丙烯酸甲酯仿真软件，让学生在理论和实操上有综合全面的提高；本套装置安全性高、经济性好、综合实训程度高，较好地满足了学生实训要求。

综上，学校根据学生的学习特点和企业需求，利用现有条件开设的仿真操作课程，内在相互关联，仿真实训难度层层递进，学生知识技能水平逐步提高，外在通过硬件和软件的不断升级，让学生和老师不断感受教学信息化和现代化过程中带来的巨大便利和效率。

2 化工仿真实训课程的一些问题

化工仿真实训是教学中的重要一环，将仿真教学应用于化工工艺教学是有必要的，但在笔者多年教学过程中也发现了一些问题，主要表现在课程体系结构建设和课堂教学方面。

2.1 课程体系结构建设问题

化工仿真技术和社会生产需求不断发展变化，仿真软件从简单的单元操作仿真到化工产品整个生产工艺流程仿真，再到3D仿真软件的出现，现在仿真工厂也遍地开花，供学校选择的课程和项目很多，但学生课时有限，在校所学的知识有限，如何根据本校的拥有资源和本地企业需求情况出发，从众多的仿真软件和课程中选择最适合本校专业课程，需要使用学校有一套明晰的课程建设思路。

一般学校通常是在学习完专业基础课后集中安排仿真实训课程，这样安排是否会因为间隔时间长导致学生遗忘前面学习的理论知识，或是学生长时间面对电脑，学习的效率能否有保证等问题都要考虑；现在仿真软件正朝着3D虚拟现实和仿真工厂方向快速发展，企业的设备发展和技术更新也很快，而仿真系统和课程更新周期慢，以前的课程和软件现在可能会变得简单或是不适应企业需求，为满足新形式的需要，就要求各学校要根据实际情况不断地发展和更新课程；再者仿真软件能否完全代替企业实习，两者将以什么形式更有效地结合提升教学效果等问题，都需要不断深入探索，制定合理的教学标准。

2.2 仿真课堂教学问题

在多年仿真教学实践过程中，从学生身上发现了一些问题，主要表现在：

第一，学生机械地按照操作步骤操作，不思考不分析，有的甚至在做完几遍后都不知道自己做的什么工艺，为什么要这样的操作，背离了理实结合的初衷；

第二，有些学生操作随意性大，不按照正常操作规程操作，片面追求分数与速度，对于培养学生职业素养和安全意识不利；

第三，仿真教学时间长，操作相对单调枯燥，有些学生对难度大一点的仿真操作不能保持良好的心态，容易产生厌倦或放弃心理；

第四，受现在仿真软件限制，一些事故、评分的设定相对呆板，经过机械操作训练都能得到高分，但对于培养学生的灵活处理问题能力不利；

最后，是对于学生的评价难以界定，一些学生只是按照操作步骤做一遍就能得到高分，但是不能判定学生对工艺流程的掌握程度。

化工仿真软件大大方便了教学，但受技术限制还有很多待改进之处，需要授课老师结合课堂出现的问题探索出更适合本课程的教学方法，发挥仿真软件更大用途。

3 化工仿真教学改进建议

通过多年仿真教学实践，结合教学过程中出现的问题，认识到仿真教学课堂需要老师主导设计适合课程需要的课堂组织形式和评价机制，想办法提升学生学习兴趣和学习效率。

首先，要重视理论知识教学，在操作之前掌握必要的化工理论知识是基础，提炼与实训项目相关的知识点进行讲解，帮助学生掌握所用工艺的原理、流程、设备等，以及操作过程中的重难点，避免操作盲目性和机械性导致理论与实训脱节。在必要时候需要向学生演示操作过程中的重难点，学生在理解所操作工艺基础上，在仿真操作中的效率会大幅度提升，很少会有畏难和放弃的情况。

其次，要规范仿真操作步骤，在仿真练习中有的同学追求高分与速度，或是软件设计原因，操作过程与实际生产要求不符，更有甚者随意操作，化工安全意识淡漠形成不好的职业习惯，需要老师在学生操作过程中发现问题及时纠正。

第三，探索更有效的课堂组织形式，比如在讲解理论的基础上给出一些相关的思考题，让学生在操作过程中分析讨论、查阅资料等，启发联系相关知识点；对学生进行分层次分小组教学，好学生在完成教学目标的基础上探索更多的工艺知识，或者帮助学习吃力的同学，在帮助过程中同时提高了自己的理解程度、责任感和成就感，同时防止陷入到无事可做的境地；

第四，完善学生评价体系，仿真软件自带评分系统，但只反映学生的操作完成情况，可以在此基础上增加一些教学环节考察学生的综合素质，如平时练习态度与表现，撰写仿真实训报告，增加考核答辩环节等，全面科学地考核学生对专业能力的掌握、理论知识的应用、团队协作精神、完成任务质量和自我学习能力等。

综上所述，课堂教学要以学生为主体，老师的导向作用也很重要，形成一套合理有效的教学方法有利于提高仿真教学课堂效率，比如上面根据学生问题总结出的“理论讲解-课堂练习-总结反思-综合评价”体系能很好适应目前的仿真课堂教学。

4 化工仿真课程发展思考

现在化工仿真软件还在不断开发新功能，目前主要有3D仿真软件和化工流程级仿真软件的开发和应用。东方仿真公司开发的3D生产实习软件有很好的动画效果，能够给学生一种情景代入感，学生学习兴趣很高，在操作过程中用对话或图片、视频等形式加入的理论知识和考核内容实现了理实一体化教学，应用效果很好，本专业可以根据现有的安全仿真软件继续开发一些安全培训课程。

北京化工大学开发的丙烯酸甲酯仿真工厂和东方仿真公司开发的精细化学品柔性反应装置结合了仿真模拟和现场操作两种功能，可以为学生开设综合实训课程。化工是一门实践性很强的学科，若没有实践操作有些内容很难理解和掌握，化工仿真软件尤其是现在更加先进的仿真软件和硬件，在教学应用过程中让课程知识变得更加生动和容易理解，综合提高学生的专业知识与技能，在教学和培训中将会发挥的更加重要的作用。