新工科背景下化学化工虚拟仿真实验教学探索

陈 婷，罗迎春，吴怡逸，康自华

(贵州民族大学，贵州 贵阳 550025)

化学与化工学科是以实验和实践为主体的学科之一,虚拟仿真技术给实验教学带来了深入的改革和实践,对满足化工工程型人才的培养具有重要意义。根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》和《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》的精神[1-2],确立了虚拟仿真实验教学是各专业学科包括化学、化工等与信息技术应用深入融合到生产实践中的产物。虚拟仿真模拟实验教学可解决化学化工专业学生实习的难题,培养学生实践能力,优化实 验教学资源,模拟化工厂中实际单元操作,体验实验的“工厂”过程,营造安全的实验氛围,这也有助于提高教师的教学水平和学生的学习效果。

1 化工虚拟仿真实验教学的意义

新工科背景下化学化工课程的特点是:内容抽象，工程实用性强，化工操作系统庞大，化工设备复杂，反应釜、干燥器、换热器、精馏塔、除尘器、萃取塔、泵、管道等均为直接影响整个生产过程的核心设备,但实际化工生产过程中,由于化工设备为金属材质构成,其内部结构,换热,物理运行及流动情况通常是无法观察及检测到的。且设备管线等也无法进行真实的拆解分析在进行性能评价和设计优化时如果利用所搭建的实训模型进行，则成本耗费则非常巨大。另外，通过使用虚拟仿真进行教学，引导学生对化工过程或设备进行仿真计算,可将化工设备的外形、内部结构和流体在设备内部流动情况和反应进行的程度图形化、直观化、数字化,使学生直观的通过定量描述来掌握各种化工设备的内部结构特点和设计要领,为培养创新型的化工人才奠定基础。因此,探索新工科背景下化学化工虚拟仿真实验教学模式与教学方法,有利于提升专业技能,推动解决工程实际问题。

将虚拟仿真教学应用在工程背景下的化学化工专业体系,有利于科研成果转化。根据"虚拟与现实相结合,优势互补,能实不虚、相辅相成"的原则,利用模拟工业现场的仿真设备进行模拟仿真还原工业现场,学生可以深刻理解化工过程的操作原理,掌握化工设备的基本使用技能,提高对复杂化工过程动态操作的分析和决策能力。通过在仿真系统下的实际运用和模拟训练,可以使化学化工专业的学生养成必备的职业素质。因此,探索化学化工虚拟仿真实验教学具有重要的现实意义[3-4]。

2 我校及国内其他单位虚拟仿真开展情况

虚拟实验教学已被确定为国家级、省级和学校级单位的重点教学项目。自2013年教育部开始建设国家级虚拟仿真实验教学中心以来，已有300个国家级虚拟仿真实验教学中心入选。根据教育部办公厅关于2017-2020年示范虚拟仿真实验教学项目建设的通知，计划截至到2020年确定约1000个示范虚拟仿真实验教学项目[5]。这些工作将工程实训教育和信息技术深度融合,利用计算机模拟仿真工厂实际操作,从而提高化工实验实践教学水平和质量,可达到教学大纲所要求的教学效果。

贵州民族大学的化学化工虚拟仿真实验中心,注重工程实践的有机结合,其设有水煤浆加压气化工艺流程仿真,使学生了解煤气化制甲醇的工艺流程,并掌握水煤气加压化工艺流程特点与控制系统的特性,从而提高学生的动手及操作能力。通过模拟化工生产过程中的开车、停车和停电事故处理的操作过程，学生可以对化工生产过程有深刻的理解，获得生产的基本感性认识，让理论与实际能更好结合。另外,实验中心还设有水平管道油水两相流流动的仿真计算系统,由于油水两相流动广泛存在于石油工业中,针对油水两相的研究则具有非常重要的实际意义。通过对水平管道内油水混输流动进行数值模拟仿真,可以对地面集输管网结构设计及优化提供极具参考价值的理论依据,一方面可以节省大规模的投资,另外一方面也可以对管道的腐蚀与防护起到重要的参考作用。因此,合理利用模拟软件对水平管道中油水两相流的流动进行模拟变得尤为重要,通过仿真计算,使学生掌握水平管道中油水两相流压降、流型及油水两相分布特点。

哈尔滨工程大学的化工虚拟仿真实验教学中心,通过构建“大工程观思维”贯穿式教学方法,以设计研究型实验为引导、以工程项目为依托、以综合创新竞赛为载体,推进工程实践。目前中心设有化工原理、化工过程控制、化工单元设计虚拟仿真实验教学系统,课程设置即采用从基础认知到综合设计、工程实践,以贴近实际工程项目工作流程各环节为主旨,利用虚拟仿真实验教学的优势,从根本上保证了工程思维的贯穿性。对提升化工类专业应用创新型人才培养质量起到积极作用[6]。

西南大学[7]建立的“虚拟仿真实验中心”拥有化学虚拟仿真实验的系统教学体系，构建了由基础化学、化学工程、大型精密仪器、虚拟实训和化学教育五大模块组成的化学与化工虚拟仿真实验教学资源平台。利用虚拟现实技术和高精度三维建模，自主开发了乙基香兰素生产和妥布霉素片制备的三维虚拟实践训练模拟工厂。该项目具有360°沉浸漫游、任意方向交互操作和错误报警功能。与企业合作开发的特色项目，实现了科技成果转化,使学生能够充分掌握了工艺的流程和化工厂的运行模式。

青岛科技大学[8]基于工程背景下虚拟仿真教学的探究,自主研发出了动态模拟分析系统(DSAS)。该系统采用"跟踪逼近法"开发机理模型,开发了20多套炼油化工实验教学虚拟仿真软件系统，涵盖了聚甲醛、己内酰胺、聚丙烯、聚乙烯、加氢、空分、芳烃、催化裂化等多种化工过程。构建了高仿真的虚拟实验环境，提供了可靠、安全、经济的实验项目，取得了动态模拟快速、精确的效果,获得解决实际工程问题的能力。

易涛等[9]运用高层体系结构(HLA)和虚拟现实技术、研制出的仿真系统能较好地模拟石化企业的生产状况、故障处理,化工异常工况虚拟实验环境以及在灾难性安全事故发生后联合消防的化工安全综合仿真平台。解决了由时间、空间、设备等条件限制而导致的化工安全与环保实验“做不好、做不了、做不上”的难题,其成果在石化企业得到了实际应用,取得较好的仿真效果,对学生提高安全和环保意识具有重要的补充作用。

中国石油大学[10]虚拟仿真实验中心的仿真设备和多媒体技术,集成了多种交互式硬件和数据库,拥有石油化工,煤化工,化工设备设计与优化,化工原理,化工单元操作和化工,石油化工过程等虚拟仿真实验和实践教学模块,可以对石油化工过程的各个流程和设备进行仿真,真正的使学生能够掌握石化工业和设备贯穿于化工单元过程和操作过程的工业过程,使学生深入石化企业,实践必要的业务知识,培养提出和解决生产过程中实际问题的能力。

3 虚拟仿真实验的局限性

尽管虚拟仿真实验的使用可以保证实验教学质量的提高。但仿真实验毕竟是虚拟的，实验的结果是理想化的呈现，即使学生错误的操作也不会像实际生产中造成安全危险，使学生无法真实感受化工生产过程，限制了学生发挥主观能动性。因此，传统的实验教学不能完全被仿真系统所取代。我们必须坚持“虚拟现实与真实现实相结合”的原则，充分利用虚拟仿真实验和实验室实验进行互补，丰富教学方法，提高教学质量。

4 虚拟仿真实验教学的展望

在国家加快新工科建设的背景下,化学化工虚拟仿真实验教学改革尚面临以下几个方面的问题 (1)加强学生安全和实践能力的培养，让学生从虚拟的“生产事故”和生产实践中体验企业的实际经营环境和生产发展过程，并提高人机之间的交互能力,呈现更逼真的化学过程的视觉、嗅觉等感官体验;(2)加强校企共建,探索校企合作的共赢模式,实现专业实验与科学研究、工程实践和社会应用的有机结合；(3)从广度和深度加强仿真实验教学,加强科学研究用以辅助虚拟实验技术,如研发微观层面上及大型精密仪器的仿真模拟实验等,拓宽辐射范围,构建互补资源优势、通用性的化学化工虚拟仿真实验共享平台。