省属高校化工虚拟仿真实验室建设与实践

2018-06-07龙华丽刘建文王治国杨世芳

山东化工 2018年10期

龙华丽，刘建文，曾嵘，王治国，杨世芳

(湖北大学化学化工学院，湖北武汉 430062)

化学工程与工艺专业作为工程类专业，培养的学生不但需要具备深厚的理论知识和很强的动手能力，而且需要解决实际问题的能力。针对目前实践教学环节中存在的问题，高教司于2013年发布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，指出虚拟仿真教学中心是实验教学示范中心的重要组成部分，是实验教学示范中心建设的延伸[1]。

针对我校化工专业的实际情况，比如化工原理实验、化学反应工程实验等专业实验，所使用的仪器都是大型成套装置(如反应精馏，萃取精馏及液相反应动力学等)，设备比较昂贵，占用空间也比较大。受限于实验室经费及场地，一般实验都是2人一组，部分同学就只是"参观"了实验过程，实际操作较少，而且在得不到理想的实验结果后也难以重复实验，大大降低了实验效果。如果在实际实验之前采用相应的实验仿真软件进行模拟操作正好可以弥补其不足。仿真模拟软件利用动态数学模型实时模拟真实实验现象和过程，每位学生都能在仿真软件中亲自动手，观察实验现象，记录实验数据，验证实验原理。

对于实践环节中比较重要的实习，虚拟仿真装置能逼真地模拟工厂开车、停车、正常运行和各种事故状态。学生采用虚拟仿真软，再现了一个能够亲手操作的虚拟仿真平台，使化工专业的学生在进入工厂之前先有一个感性认识和理解，锻炼学生的动手能力，将学习的理论知识运用于实践当中，进一步巩固、深化已经学过的理论知识[2-3]。

结合我校化工专业的具体情况，建立虚拟仿真实验室，加强化工专业建设，十分必要。在化工虚拟仿真实验室的建设过程中，构建了化工虚拟仿真实验教学体系，完善实验教学资源，完善教学方法及评价体系，具有较好的教学成效。

1 构建“多层次一体化”化工虚拟仿真实验教学体系

我校化工虚拟仿真实验室建设依托我校化学与生物学工程技术国家级实验教学中心、湖北大学-湖北兴发化工集团股份有限公司国家级理科实践教育基地及化学化工的学科优势建立。根据化工专业人才培养方案对学生知识结构和能力培养的要求，针对高成本、高危险、高毒性、高消耗性的实验建立虚拟仿真实验，构建了从基础实验、专业实验、仿真实习实训“多层次一体化”虚拟仿真教学体系，如图1所示。

根据化工虚拟仿真"多层次一体化"教学体系，遵循"虚实结合、相互补充、能实不虚"的原则建设虚拟仿真实验项目。基础化学仿真实验中，选取部分比较危险和毒性较大的实验，作为对真实实验的补充。

大型仪器分析仪器数量有限，价格昂贵，配件容易损伤，维修费用和日常操作费用较高。在实际实验中，受制于以上因素，很难做到在短时间内每个学生都能学会自己动手操作。结合现有的大型分析仪器，采用虚拟现实技术，开发核磁共振、X射线衍射仪、冷场发射扫描电镜等一些较精密的分析仪器仿真软件。采用3D建模，真实仿真实验室场景、仪器操作、数据采集、数据分析，并以真实的实验数据库作为支撑，仿真操作过程与真实仪器操作过程极其相似，仿真结果与真实结果非常接近。在教学使用中，虚实结合，学生先进行大型仪器的虚拟实验，熟悉实验原理，操作过程，数据分析，使学生对于相关仪器设备有了感性认识。在实际仪器分析实验中，进行现场观摩及实际操作，加深对现代分析仪器的原理、用途和操作规范的体会。化工原理虚拟仿真实验项目以我校现有的化工流体过程综合实验、传热综合实验、恒压过滤常数测定实验、连续精馏实验、二氧化碳吸收实验、萃取实验等项目为原型，通过3D虚拟现实技术，完整再现了化工原理实验项目操作过程及效果。操作画面具有很强的环境真实感，能产生和真实实验一致的实验现象和结果。学生通过预习，了解实验原理、装置原理、操作要点，然后通过虚拟仿真操作，自己动手做实验，观察实验现象，记录实验结果，处理实验数据。化工原理仿真实验一方面可以作为实际操作实验的预习步骤，学生只有在正确完成仿真实验后，才可以进入实验室进行实际实验的操作。在应用仿真实验教学手段后，学生已经对自己将要进行的真实实验很熟悉了，再进行真实实验，学生发生实验操作错误的比率降低。另一方面可以为某些受学时限制的专业安排一定的化工原理仿真实验，丰富教学内容，加深学生对化工单元操作的认识。

图1 化工虚拟仿真“多层次一体化”教学体系

化工单元操作仿真实训，以实际的工业装置为基础，如离心泵，传热，间歇釜，催化剂萃取，液位控制，精馏塔，吸收解吸等，利用仿真软件将复杂过程工业中的典型单元操作及流程，与工业自动化综合控制一起在进行实时模拟。学生通过现场图和DCS控制界面，可进行冷态开车，正常运行，停车以及故障的处理等操作。这些实验项目可以让学生体会工业现场的模拟操作，帮助学生理解工艺流程和控制系统，提高对工艺过程的控制原理的理解。

仿真实习实训，有煤化工和石油化工仿真实训项目。采用3D仿真系统对实际装置的现场，做三维的虚拟现实模拟，提供现场高度逼真的操作环境。内操采用DCS软件对中央控制系统进行模拟，模拟工厂中控室内的操作、数据监测及报警内容，学生可以在DCS控制系统中进行开停车，参数调节及故障处理，实际操作满足了实习实训的要求。外操通过虚拟场景3D软件中的人物漫游，执行阀门开关、动力设备启停、设备检修等动作，还可以根据应急预案，进行人机互动演练。将实习与生产过程无缝对接，使抽象的理论教学与生产实践教学相结合。

结合学校的办学特点和学科建设，针对不同的专业编写不同仿真实验教学大纲，推动教学改革，为教学质量的稳步提高创造有利条件。为了发挥化工虚拟仿真实验室的最大效用，我院专门开设了《化工仿真》这门虚拟仿真实验教学课程，编制了《化工仿真》课程教学大纲，并在实践过程中不断修正。

2 虚拟仿真实验教学方法及手段

化工虚拟仿真是在学生具有一定的理论和实践技能的基础上，针对高危险、高毒性、高消耗性、大型或综合训练，通过仿真系统完成具有一定综合性质的实训项目。教学过程全部使用仿真实训软件，具有贴近真实生产操作系统的界面很强的交互性、重复性，在仿真系统上可反复操作，操作过程可实时跟踪并由系统给出测评，学生可掌握实际生产中的多项应用技能，提高学生的动手能力。

目前我院《化工仿真》课程开设的训练项目有：化工单元操作仿真，煤制甲醇、常减压和合成氨仿真实训。仿真实验的教学过程有别于真实实验，在教学方法上要灵活多变，使学生更全面、具体和深入地了解不同的生产装置、流程及操作。

通过多次《化工仿真》的教学实践，笔者发现大部分的学生刚接触仿真实训项目的时候被众多繁杂的步骤吓住，不知从何下手。通过实践探索在教学过程中应该讲练结合，教师演示与学生自我练习结合，同时指导教师要充分调动学生的积极性，以达到较好的教学效果。

以单元操作仿真中的吸收解析仿真为例，首先回顾吸收解析的基本概念及原理，洗油，富气，贫气，富液，贫液等。然后讲解工艺流程，根据低温有利于吸收，高温有利于解吸，引导学生通过吸收解吸的现场图和DCS控制界面，掌握工艺流程。吸收解析进行冷态开车操作，操作顺序应该是先做好洗油的初期准备及冷循环，然后调控操作条件，待各工艺参数稳定后，进原料气，采出产品。指导老师可以演示部分操作，讲解自动控制仪表的调节，然后学生对照软件的操作步骤进行操作。学生在操作过程中，软件会根据操作的步骤和质量给出评分，学生根据评分的高低不断进行步骤比较，总结并找出失败原因改进自己的操作，最终完成正确的操作。在自主学习和反复的练习中，让学生体会工业现场的模拟操作，帮助学生理解工艺流程和控制系统，提高对工艺过程的控制原理的理解，提高学生工程理念及意识。

仿真实训教学中，练习过程中的交流讨论环节，对提高学生仿真实训效果有很好的促进作用。学生的动手能力有差异，部分同学的理解领悟能力很好。以合成氨仿真实训中的合成反应器的温度控制为例，通过调节反应器各段的进气流量以达到温度调控要求，部分同学很快就操作正确，少部分同学总是掌握不了要领，通过同学间的经验交流很快就得到启发。

虚拟仿真实验在教学过程中，除了采用多种教学方法外，同时采用多种现代化辅助手段。目前已建成湖北大学化学化工虚拟仿真实验教中心门户网站上，学生可以采用账户登录网站，利用网络资源进行预习，也可以利用网络资源继续完成课堂上机没有掌握的内容，巩固学习。

3 虚拟仿真实验教学考核评定标准

学生在实验过程中能否发挥主体性，与实验成绩的评定办法密切相关。如何客观公正的评价学生的专业实验成绩，将直接影响到学生学习的积极性，对学生的学习方法和学习态度将起到重要的导向作用[4]。《化工仿真》实习考核采用综合评分制。每个学生的仿真实习总成绩由平时成绩和考试成绩组成。

平时成绩主要考核学生每次仿真实习出勤、纪律和学生实际模拟操作等方面的表现。每次模拟操作结束，指导教师根据每一名学生在实验中出勤、纪律及系统中记录的操作掌握情况给出平时成绩。

仿真实习全部结束时，指导教师将每一次的平时成绩汇总平均，平时成绩在总成绩中所占比例40%。在仿真实习结束阶段，教师随机选取仿真实习期间练习的项目，对学生的掌握情况进行闭卷考核，屏蔽软件的步骤提示，在规定的时间内，软件对学生的操作会自动评分，为仿真实验的考试成绩，考试成绩在总成绩中所占比例60%。

指导教师将平时成绩和考试成绩加和给出学生的仿真实习考核总成绩。这样的实验教学考核方式，不唯最后的考试论，结合的学生平时的表现。同时也给同学一定的压力，平时的练习需要认真对待，否则最后的闭卷考试很难以过关，既关注仿真实习过程，也重视仿真实习最后的结果。

4 虚拟仿真实验教学成效

虚拟仿真实验显著提高学生的积极性。目前的教学资源涵盖基础实验、专业实验、实习实训项目，能满足不同专业不同层次的教学需求。3D虚拟现实提供具有真实沉浸感与交互性的虚拟环境，师生可通过人机交互设备和场景里所有物件进行交互，像游戏一样的体验的，更增加了学生的兴趣。这些资源以培养学生创新实践能力培养为核心，通过网络共享平台，学生根据自己的时间，自行模拟练习，学生的积极性得到显著提高。

虚拟仿真实验极大的提高学生的实践能力。通过仿真实验的模拟训练，学生对实验原理及操作过程已经了解清楚，在自己做实验，实验的错误率明显下降。3D仿真实训系统提供具有真实沉浸感与交互性的虚拟环境，令学生全面深刻地体验各级操作规程和装置原理。将抽象的理论教学与生产实践教学相结合，将实习与生产过程无缝对接。学生通过仿真实训，对流程，工艺等有了详细的了解，再到现场进行参观实习，将仿真与现场结合起来，学生的实习效果明显提高。

虚拟仿真实验教学激发了学生的学习兴趣，学生的积极性、创新和实践能力明显提高。学生的各种创新实践活动多次获得各种奖项，培养的学生综合素质高，适应能力强，受到广泛好评。