基于智能仿真工厂的材料类专业生产实习模式探索

2018-03-31刘骥翔石淑先苏海佳张玉良

实验室研究与探索 2018年2期

乔　宁，　刘骥翔，　石淑先，　苏海佳，　张玉良

(北京化工大学，a.材料科学与工程学院；b.教务处，北京 100029)

0　引　言

对于工科院校的学生而言，生产实习是大学阶段主要能进入企业生产一线，近距离观摩学习生产过程的教学环节，也是锻炼学生工程能力、创新能力的重要实践性环节。我校材料科学与工程专业主要培养具有较宽的基础知识和专业知识，通晓材料设计、合成、组成、结构与性能之间关系的基本规律，在金属材料与表面工程、无机非金属材料和碳及复合材料等领域从事科学技术研究、生产应用研究与经营管理的全面发展型人才。生产实习作为材料科学与工程专业重要的实践课程，通常安排在第七学期初进行，此时学生已学完全部的专业基础课程和大部分专业课程。因此，生产实习对于加深学生对于专业知识的理解，增强学生对专业的感性认识，培养学生分析和解决问题的能力具有重要作用。然而，随着自动化程度加深，生产装置不断大型化和复杂化，生产企业，特别是化工企业接待学生实习已经沦为了“现场参观学习”，学生无法真正参与到生产过程，学习效果大打折扣[1]。针对这一普遍问题，我校于2012年开始筹建虚拟仿真实验教学中心，2015年建设投用了以丙烯酸甲酯仿真工厂为基础的“化工产品全生命周期国家级虚拟仿真实验教学中心”。本文以此作为依托平台，结合材料科学与工程的专业特色，对传统模式的生产实习进行改革，构建了适应当前形势的以提高学生综合素质为前提的生产实习新模式。

1　传统生产实习模式存在的问题

材料科学与工程专业的生产实习通常是组织学生进入到生产企业，再由企业安排分到各个生产班组中跟班进行生产，这种模式曾经对培养学生的动手能力，增加学生对专业知识的理解和掌握发挥了重要作用。然而，随着科技更新，社会进步，生产企业和高校均发生了很大的变化，这种传统生产实习模式面临巨大的困难，教学效果难以实现。

(1) 实习内容缩水为“参观”[2-4]。一方面化工企业发展为以复杂的设备和高度密集的联合体为基础，生产从过程控制转向了集散控制系统(DCS)控制。可以说，现代化的化工企业生产都集中在中央控制室完成，原材料的配送与反应、产品的输送与包装都是在密闭的装置中进行的，装置作业面正常情况下是无人的；另一方面，大学的扩招使得材料科学与工程专业学生人数不断增加，传统生产实习模式危险性大，占用时间多等弊端使得企业从生产任务和安全角度着想，不愿接待学生实习，即使接待，往往也只安排参观性实习。即使是“参观实习”，也只允许学生在远处观看，不能近距离接触装置区，使实习的深度和广度大为下降。

(2) 实习经费不足[5]。在市场经济环境下，企业注重生产，追求经济效益，实习费对企业来说意义不大，但对于高校和学生来说，实习费用的不断上涨已经成为了沉重的负担。为此很多高校采用了减少实习时间，改进厂实习为查阅资料、请专家讲座等形式来节省费用。但是这样的安排使学生参观式的实习更加停留于表面，无法真正了解企业生产工艺和关键设备。

(3) 实习效果不佳[6-8]。随着化工和材料的持续发展，环保的要求越来越高，目前企业的生产过程基本为封闭化操作，因此参观实习很难让学生目睹整个生产工艺流程，了解生产进程。此外，生产现场噪音巨大，技术员的讲解很难让每位学生听清楚，加大了学生与生产的距离，导致学生学习兴趣不高，实习效果不佳。

上述传统生产实习模式现状和存在的问题是在整个工科院校中普遍存在的，若这些问题长期无法解决，势必造成学生所学理论知识与生产过程中的实际问题脱节愈发严重。针对这一现状，很多工科院校先后进行相关的生产实习教学改革探索，如与国有企业合作，建立稳定的实习基地；建设校内实训基地等等，均已取得了一定的成效[9-13]。

2　生产实习新模式的建立

为了培养适应现代工业发展趋势的工程人才，解决学生在生产实习等实践环节中存在的“门难进，手难动”等实际问题，我校建设了全生命周期校内工程实训基地。实训基地于2015年建成投入使用后，材料科学与工程专业以此为基础，通过优化教学内容和强化教学效果两方面入手，构建了本专业生产实习的新模式。

2.1　教学内容的优化

材料科学与工程专业的生产实习共3周，改革前的教学内容包括“企业参观实习”“科研院所参观”和“专家讲座”几个主要内容。在校内实训基地投入使用后，材料科学与工程专业的生产实习据此进行了教学内容优化，增加了“校内仿真工厂”的工艺流程和设备认知、核心设备的开停车操作等方面的内容。优化后的教学内容主要包括：

(1) 国有大型化工企业的参观实习。为保证学生能够通过实习了解我国当前化学化工行业水平，选择与专业相关的大型国有企业作为定点参观企业。自材料科学与工程专业成立之后，已经先后与北京燕山石油化工有限公司，唐山三友化工有限公司等企业建立了良好的合作关系，成立了实习教学基地。

学生首先进入这些化工企业参观实习，通过企业技术人员、带队老师的讲解和对装置设备的现场参观，认识化工企业的生产工艺和核心设备；通过与企业技术人员的交流，了解本专业在生产过程中的地位和作用，结合专业课程教学，实现从理性到感性知识的转化，完成理论与实践的结合。

(2) 校内实训基地的仿真实习。校内实训基地以多用途半实物仿真工厂为依托，采用典型的“丙烯酸甲酯合成与精制”化工流程，包括丙烯酸和甲醇的酯化反应、丙烯酸的分离回收、甲醇的分离回收、以及丙烯酸甲酯的分离和精制等工艺过程。整体可分成10个框架，每个框架中含有一个主体设备(反应器1座、塔7座、薄膜蒸发器1座、产品罐1座)及与之相匹配的附属设备(换热器、机泵等)。设备的外观、功能、安装方式等与真实的生产设备一致。在真实的反映了工厂实际操作流程基础上，无实际物料运行，学生可以进行多次、反复的观看和接触，了解和掌握化工生产的工艺流程；能观察设备的运行方式，以及相互之间的连接方式；能够从直观上对各种设备的工作机理、作用进行判断，进而使学生能够深度参与到生产的各个环节。此外，仿真工厂利用真实工业DCS系统和仿真系统，保证了学生可以在电脑上模拟控制生产的进程，包括开、停车操作和故障排除等，能够全面培养学生的工程实施能力和生产操作能力。

更为重要的是，仿真工厂包含了各类典型的化工单元设备，如反应器、精馏塔、冷却器、换热器、输送泵等，与真实工业化生产工艺装置和设备仅仅是比例上的缩小。学生可以进入装置区根据工艺流程图去“走流程，摸设备”，真正意义上去认识生产过程中的“三传一反”，即流体的动量传递、热量传递和质量传递，以及生产过程的化学反应。还可以利用仿真系统进行反应过程、分离过程的实训，进行典型单元的基本技能操作训练，熟悉化工工艺操作过程和仪表设备的维护使用，熟悉开停车过程和进行一般事故的处理，这是现场参观实习方式所不能实现的。

(3) 科研院所参观与专家讲座。在经过了真实化工企业参观+校内实训基地实习之后，学生对国内化工企业的生产工艺和发展现状有了充分的认识和了解。以此为基础，安排学生进入本专业相关的科研院所进行学习，聘请本领域专家为学生举办讲座。科研院所参观和专家讲座两项内容，可以帮助学生了解专业领域的最顶端科技水平，明确专业发展方向及趋势，对于学生充分认识自身专业特点和确定未来方向具有重要的作用。

2.2　教学效果的强化

生产实习作为重要的实践教学环节，必须与各个方向的专业理论知识相结合，才能加深学生对所学专业知识的理解，更好地掌握专业课知识，提高学生分析问题与解决问题的能力，强化实践教学效果。基于此，包含金属材料和无机非金属材料两个方向的材料科学与工程专业基于校内实训基地的丙烯酸甲酯”仿真工厂，构建了涵盖方向特色的生产实习模式。

(1) 工艺流程的学习。两个方向均应在生产实习教学中对生产工艺流程进行学习，但掌握程度不同。金属材料方向的研究侧重于设备的材质、结构及其与环境介质之间存在的腐蚀问题和防护措施。无机非金属材料方向的研究则侧重于产品的生产工艺路线。金属方向仅要求了解丙烯酸甲酯制备的酯化反应，主体设备内的物料流向，未反应原料的回收路径等基本内容。而无机非金属方向则以工艺流程作为重点内容，结合“化工原理”“物理化学”等课程，配合“三传一反”内容，掌握从原料到成品的各阶段变化。

(2) 关键设备的学习。金属材料方向以生产设备为重点，生产实习指导教师可着重介绍反应釜、精馏塔、离心泵、换热器等设备所用材质和设计结构特点，进而确定其涉及的腐蚀问题和耐蚀措施。如离心泵产生“气蚀”的原因和解决措施，换热器的管程、壳程物料的选择，精馏塔塔板材质及可能的酸腐蚀等内容。结合金属腐蚀与防护学、金属学、材料合成制备与加工等专业课程，边讲解边让学生在仿真工厂中对应相应的设备及管路进行学习。无机非金属材料方向则可仅要求学生认识各种典型化工设备，了解其在生产中的作用。

(3) 设备开、停车操作的学习。这是实训基地仿真实习中最重要的动手机会，是学生在熟悉工艺流程和主体设备基础上，利用模拟实际生产DCS控制系统的仿真机，完成准备、进料、加热、反应、循环、回收等工序，最终实现稳定生产的实际操作训练。金属和无机非金属两个方向均要求掌握主体设备的开车和停车操作，可将学生按小组(4～6人)分工为控制室内操作和控制室外操作，其中室内操作负责DCS控制系统和仿真系统的操作，室外操作负责装置阀门的操作，互相配合按步骤熟练完成开、停车操作。

经过上述三方面的学习后，学生能对专业课程与生产实际的联系有更深层次的认识和提高，同时也对工科学生了解现代化企业生产操作具有重要作用。

2.3　新模式生产实习的教学效果

自2015年校内实训基地投入使用后，材料科学与工程专业的生产实习随之进行了改革，教学内容增加了“校内仿真实习”，带队教师先后参加了培训，掌握了仿真工厂的生产工艺流程及主体设备仿真系统开、停车规范。在学校和学院的大力支持下，经过近2年的摸索研究，形成了完善的生产实习新模式。取得了明显的教学成效。

(1) 确保了生产实习教学质量，提高了学生学习的积极性。根据近2届进行了校内实训基地仿真实习的学生问卷调查，有90%以上的学生认为这种生产企业参观+仿真实习对于理解专业知识、熟悉生产工艺、掌握设备结构具有重要的作用和意义。在仿真实习中学生的积极性和能动性均较以前有了显著的提高，能够主动完成实习任务，发现和解决相关问题。

(2) 根据优化后的实习内容撰写了新的生产实习教学大纲，并与北京燕山石油化工有限公司合作编写了生产实习指导书[14]。

(3) 通过参加培训，指导学生进行仿真实习等锻炼，建设了一支适应工程人才培养要求的教师队伍。

3　结　语

随着科技生产力的不断进步，生产实习作为高校重要的实践环节面临了诸多问题，因此改革传统生产实习模式已势在必行。材料科学与工程专业以校内“丙烯酸甲酯”仿真工厂为依托平台，采用“企业参观+校内实训”为核心，结合专业特色，强化实习效果为关键所建立的生产实习新模式，经过近2年的摸索与实践，正在逐步付诸实施并初见成效，这对于培养具备材料专业理论知识和实践技能的复合型人才具有重要意义。

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