新工科背景下虚实结合虚拟仿真实验项目的建设

2019-10-08郭军红崔锦峰杨保平

实验技术与管理 2019年8期

郭军红，崔锦峰,2，杨保平

（1. 兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州 730050；2. 兰州理工大学实验室建设与管理处，甘肃兰州 730050）

2017年6月，教育部办公厅印发《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》，推出新工科建设的战略举措[1-6]。兰州理工大学化学工程与工艺专业以新工科背景下工程教育认证为切入点[7-8]，从培养化学工程与工艺专业学生工程能力角度出发，建设化工虚拟仿真与实训平台，开发虚拟仿真与实训实验项目，经过化工产品的实验室合成、化工工艺流程仿真训练、化工产品中试生产过程实训，培养学生从研发到中试生产的研发能力。

1 虚实结合虚拟仿真实验项目的开发

1.1 开发目的

开发虚实结合的虚拟仿真实验项目的目的在于围绕化学工程与技术高等人才培养目标，贯彻“产出导向，学生中心、持续改进”的工程教育理念和新工科2.0教育理念[9-13]，形成独具特色的目标反求式、问题探究式、情景再现式和过程贯通式等行之有效的教学新方法，通过对传统教学方法重组与改革，实现传统优秀教学模式的继承发扬和现代教学体系的更新补充。

虚实结合虚拟仿真实验项目需要实现“四个解决、四个保证”，即：解决教学计划受制于生产企业的困惑局面，保证化工人才培养教学活动的正常秩序；解决化工人才培养中工程实践的薄弱环节，保证复杂工程问题能力的综合训练；解决实验教学中费时、耗材和盲目操作的缺陷，保证教学活动的收益和学生实验误操作风险的降低；化解纯虚拟仿真实验的弊端，保证先仿后作、先虚后实，取得良好的实验教学效果。

虚实结合虚拟仿真实验项目开设的目的还在于“立足甘肃、示范西部”，为培养“一带一路”西部黄金段化工专业人才发挥着重要作用。

1.2 培养目标

虚实结合虚拟仿真实验项目立足于培养学生进行化工产品由小试到中试阶段的技术开发能力和工程应用能力，提高学生适应新工科 2.0时代解决复杂工程问题的能力，强化学生独立工作能力和团队合作精神，为造就“会思考、能实战、讲诚信、善创新、可持续”的具有较强工程实践能力、社会责任感、创新精神和国际视野的化工拔尖创新人才提供保障。

在中试生产训练之前先进行虚拟仿真训练，通过虚实结合的精细化学品中试工艺训练，完成对学生工程能力的培养：

（1）以精细化学品乙酸乙酯为例，在学科基础课程有机化学实验中，完成在酸催化下由乙酸与乙醇通过酯化反应合成乙酸乙酯的训练；

（2）化工原理实验课程中通过乙醇-水体系精馏分离，熟练掌握精馏分离操作；

（3）通过乙酸乙酯中试工艺虚拟仿真训练，掌握精细化学品在生产过程中原料准备、产品合成、回流反应、精馏分离、萃取精馏及公用工程之间工艺条件等的衔接控制，提高化工过程设计能力；

（4）在乙酸乙酯中试训练装置上进行实物中试生产训练，训练学生研发精细化学品从实验室合成到中试放大试生产整个过程，培养精细化学品生产工艺管理、生产管理、工艺控制、安全生产、规范操作、岗位配合的能力及理念；

（5）通过精细化学品乙酸乙酯实验室合成（前期进行）、中试工艺虚拟仿真、中试工艺真实物料生产整个过程的训练，实现“有虚有实、先虚后实、虚实结合、能实不虚”的开放虚拟仿真实验目标，完成对学生工程实践能力的培养，完成卓越工程师培养计划。

2 虚实结合实验教学项目的实施

2.1 实验教学项目的实施过程

以精细化学品乙酸乙酯为例，该虚实结合的实验教学项目包括乙酸乙酯实验室合成（前期进行）、乙酸乙酯中试虚拟仿真训练、乙酸乙酯中试生产训练等 3个模块，实验过程分为预习、检查、实施、总结、考核，全流程虚实结合，构建了化工产品研发与化工生产工艺设计、管理能力培养模式。经过本项目的实施，提高学生产品研发从实验室到中试的工程能力、生产工艺从课本到虚拟操作和组织生产的能力（见图1）。

图1 教学实施过程

（1）安全环保教育。通过对实验过程涉及的化学危险品及废弃物物理化学性质的查询，掌握安全使用化学危险品方法。针对危险化学品特性，穿戴适宜的防护用品；针对泄漏、接触、吸入等引起的危害，做好应急处理预案；针对中试生产的反应器、换热器、精馏塔、流体输送设备及水、电等，掌握生产安全操作规程。

（2）实验原理与工艺流程。掌握乙酸与乙醇在酸催化作用下合成乙酸乙酯的实验原理，掌握化工单元操作合成、回流、蒸馏、萃取精馏、流体输送、传热等操作原理。掌握通过单元操作之间组合形成不同化工产品合成工艺流程的方法。

（3）产品研发过程能力培养。通过实验室合成与中试生产训练，掌握化工产品从研发到产品化的过程。

（4）生产工艺设计、管理及组织生产能力培养。通过虚拟仿真与实际中试生产工艺流程操作对比，掌握化工工艺流程设计操作方法，在工序衔接、流程操作与控制结果方面，虚拟仿真与实际生产相结合，培养学生的工艺设计能力和生产管理的能力。

（5）事故处理能力培养。对虚拟仿真实验过程预设的生产事故进行分析处理，培养实际生产过程中的应急处置能力。

（6）综合工程能力养成。经过以上几方面的训练与综合，最终形成学生关于产品研发、工艺设计、生产管理的综合工程能力。

2.2 实施效果

虚实结合虚拟仿真实验项目的实施，解决了教学计划受制于企业生产的困惑局面，保证了化工人才培养教学活动的正常秩序；解决了化工人才培养中工程实践的薄弱环节，保证了复杂工程问题能力的综合训练；解决了实验教学中费时、耗材和盲目操作的缺陷，保证了教学活动的收益和学生实验误操作风险的降低；化解了纯虚拟仿真实验的弊端，保证了先仿后作、先虚后实的良好效果。

（1）通过精细化学品中试工艺虚拟仿真实验项目的学习，可培养学生在精细化学品的研发和生产工艺设计过程中的安全环保意识，针对使用、生产危险化学品种类，产生危险废弃物类别，以及生产过程中易发生安全环保事故的问题，制订完善的安全环保应急预案。

（2）通过乙酸乙酯实验室合成（前期进行）与中试生产实训，可培养学生对化工产品的研发能力，经过实验室研究、中试生产、工艺控制，完成工业化生产前期化工产品生产工艺的研究。

（3）通过乙酸乙酯中试虚拟仿真与中试生产实训，培养学生生产工艺设计能力和管理能力；通过乙酸乙酯生产工艺虚实结合的训练，培养学生对不同设备的操作能力；通过对单元的组合切换，完成不同工艺流程的能力、生产管理与事故应急处理能力。

3 虚实结合虚拟仿真实验项目特色

3.1 虚拟仿真实验项目建设的创新性

虚拟仿真实验项目体现了“产出导向，学生中心、持续改进”的工程教育认证理念和新工科教育理念，在实验方案设计中体现了先仿后做以求虚实结合的虚拟仿真项目建设的先进设计理念，教学方法运用中采用了多法并举以求产出实效的创新方式，形成了独具特色的目标反求式、问题探究式、情景再现式和过程贯通式等行之有效的教学方法，该方法对传统教学方法通过革故鼎新以求推陈出新的重组，是对传统优秀教学模式的继承和对现代教学体系的补充。

3.2 虚拟仿真实验项目建设的实效性

虚实结合的虚拟仿真实验项目解决了实践教学受制于企业的困惑，保证了化工人才培养教学活动的正常秩序；解决了化工人才培养中工程实践较薄弱的问题，保证了复杂工程问题能力的综合训练；弥补了实验教学中费时、耗材和盲目操作的缺陷，保证了教学活动的收益和学生实验误操作风险的降低；化解了纯虚拟仿真实验的弊端，保证了先仿后作、先虚后实的良好效果。

虚拟仿真实验项目基于“产出导向，学生中心、持续改进”的工程教育认证理念和新工科教育理念，结合虚拟仿真实验项目“有虚有实、先虚后实、虚实结合、能实不虚”的理念设计，以精细化学品乙酸乙酯为例设计中试生产训练工艺流程，并在此基础上开发乙酸乙酯生产工艺仿真，实验项目衔接有机化学乙酸乙酯的合成基础实验，力求通过一个精细化学品的实验室合成、中试生产完成学生从产品研发到中试生产过程科研能力和创新意识的培养；从中试工艺仿真到生产训练培养学生的安全素养、工程理念、工艺设计、组织生产和生产管理等实践能力。

3.3 教学方法创新性

精细化学品中试工艺虚拟仿真实验项目在多年教学实践的过程中，形成了独具特色的目标反求式、问题探究式、情景再现式、过程贯通式等行之有效的教学方法，对新工科 2.0背景下的高等化工人才培养大有裨益。

（1）目标反求式。以精细化学品乙酸乙酯为目标，学生对目标产品的性能、应用和市场进行调研分析，确定乙酸乙酯的产品规格、生产规模；利用前期所学的基础知识和专业知识，构建乙酸乙酯的合成路线和工艺路线，选择合成条件、合成技术和合成方法。在实验中正确穿戴防护用品，掌握化学危险品及废弃物安全使用和处置方法，针对泄漏、接触、吸入等可能的危害做好应急预案；针对中试生产过程反应器、换热器、精馏塔、流体输送设备及水、电等，掌握中试生产安全操作规程。

（2）问题探究式。通过对化工产品的目标反求式训练，初步形成乙酸乙酯产品的合成路线和工艺路线，并进一步验证方案是否达到“技术可行、经济合理、运行安全、环境友好”。学生将自己设计的产品方案通过虚拟仿真实验进行验证，该验证过程是一个“试误纠偏”的问题探究式训练过程。虚拟仿真实验会判断学生设计的方案是否可行，并对不可行的方案进行纠正，使学生对化工产品设计的构思过程、技术关键、工作要领和工程能力得到强化。

（3）情景再现式。学生通过自己设计和虚拟仿真环节的训练，毕竟没有见到实际的产品，对自己的设计和仿真结果心存疑虑，如何将一个处于“虚”态的方案转变为一个具体的“实”体产品，解决这一疑惑的最好办法莫过于进行实际操作，乙酸乙酯中试装置就是专门为解决这一教学困惑而构建的。在我校化工工艺专业实验教学中，学生已经做过乙酸乙酯的实验室小试实验，但对于中试实验毕竟是第一次，学生的好奇心和求知欲是比较强的，此时让学生在乙酸乙酯中试装置的实体情景中进行实战训练，训练学生解决化工产品生产的实际复杂工程问题的能力。

（4）过程贯通式。精细化学品中试工艺虚拟仿真实验项目体现了化工产品技术开发从小试到中试的过程贯通，体现了实践教学方式的先仿后做与由虚到实的过程贯通，体现了人才培养的理论研究与工程应用相结合的过程贯通，体现了新工科 2.0背景下人才要求的专业能力培养和人文素质修炼的过程贯通。通过乙酸乙酯实验室合成（前期进行）与中试生产实训，可培养学生对化工产品的研发能力，经过实验室研究、中试生产、工艺控制，完成工业化生产前期化工产品生产工艺的研究。

3.4 构建评价体系，学生中心以求试误纠偏

利用虚拟仿真软件的智能操作指导、诊断与评分系统，可以对每个学生的操作步骤进行评分，判断其操作过程的正确性和准确性，针对学生进行精细化学品中试工艺虚拟仿真实验的情况，给出评价。在乙酸乙酯生产工艺中，反应釜温度、筛板塔和填料塔温度、筛板塔和填料塔液位是控制关键指标，关系到合成产品质量指标及安全环保问题，如果实验过程中这些指标不合格，则判定实验不合格，需重新进行训练。该验证过程是一个“试误纠偏”的问题探究式训练过程，将使学生对化工产品设计的构思过程、技术关键、工作要领和工程能力得到强化。

3.5 传统教学重组，革故鼎新以求推陈出新

经过多年的教学实践，精细化学品中试工艺虚拟仿真实验项目已形成独具特色的目标反求式、问题探究式、情景再现式和过程贯通式等行之有效的教学方法，对新工科2.0背景下的高等化工人才培养大有裨益。

为了培养大学生的工程实践能力，架起理论教学和生产实践的桥梁，实现“卓越工程师教育培养计划”，满足工程教育专业认证和新工科教学要求，兰州理工大学石油化工学院成立了石油化工过程虚拟仿真及实训中心。学生通过在仿真机上练习石油化工生产装置的冷态开车、正常停车以及各种事故处理的操作，在中试生产装置上进行真实化工产品的生产组织和工艺条件的控制，经过“有虚有实、先虚后实、虚实结合、能实不虚”实验项目教学过程的实施，培养了对石油化工生产过程的认识，提升工程实践能力，为最终实现卓越工程师教育奠定基础。