化工过程虚拟仿真实验教学平台的建设研究

周丹红,王红艳,卓 馨,郭 攀,张萍花

宿州学院化学化工学院，安徽宿州， 234000

长期以来，化学化工学科被认为是实验性科学。然而，随着计算机技术的发展，人们越来越认识到，化学化学工程中的复杂问题可以通过虚拟化和模拟来研究和解决。但是，从人才培养的严谨性来讲，化学和化学工程的实践性仍然很重要。因此，开发虚拟与现实相结合的实验性虚拟仿真项目，对人才培养具有特别重要的意义。为适应21世纪人才培养的要求，加强实践环节，改革实践教学方式方法，中华人民共和国教育部高等教育司于2013年下文在全国构构建一系列具有示范和引领作用的国家级实验教学虚拟中心，不断推进实验教学信息化建设，促进高校实验教学的改革与创新[1-2]，到2020 年遴选出1 000 项示范性虚拟仿真实验教学项目，这些教学资源的建设对各类专业人才的培养起到了极大的促进作用[3]，宿州学院化学化工学院立足于专业与学科优势，积极探索虚拟仿真实验教学方法，建立化工过程虚拟仿真实验教学平台。

1 化工过程虚拟仿真实验教学平台建设的意义

石油化工是国民经济重要支柱产业，国有大型石油化工企业的生产装置具有很高的自动化和信息化水平，需要大量有相关知识和操作技能的工程技术人员。化工专业在人才目标上要符合企业的要求，因此在教学过程中要求学生要掌握多种技能。针对化工专业具有实验性和应用性强的特点，学生必须经过专业实验、实习、实训等环节的培训学习，在仿真技术没有普及之前，学校只有和化工企业联系，建立实习实训基地，让学生到工厂实习。但是由于工厂装置的大型化、复杂化，工厂为保证安全和效益，让学生只能远距离观看，不允许学生动手操作，因此到工厂实习效果普遍不好；另外，学校也难于承受不断上涨的实习费用，学生实习难的情况在化工院校普遍存在。在仿真实训技术出现以后，建立虚拟仿真实验教学平台，培训单元软件系统的运行，没有化工原料的实际输入和输出，能源消耗低，没有污染，也没有爆炸等危险事故。化工生产中的所有“过程工艺现象”都由硬件和软件来模拟，模拟的参数被送到仿真DCS，部分参数被送到现场仪表上显示。学生通过交互操作，如同进入工厂，感受到的是一个完全“真实”的化工生产装置在运行中[4]，学生可以调整工艺参数进行多次练习，获得优化工艺条件，通过化工单元、化工原理、化工专业实验、化工设备等多种操作软件的练习，以达到更快掌握操作技能的目的。虚拟仿真教学很容易与其他先进的教学方法相结合，有助于提高课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地与设备的限制，掌握更多的技能，因此，将虚拟实验技术引入到高校本科实践教学中，已经成为实践教学改革的新趋势，解决学生“实习难、动手难”的问题[5-6]。

2 化工过程虚拟仿真实验教学平台的现状

化工过程虚拟仿真实验教学平台依托国家级特色专业、省级一流本科专业建设点、省级示范实验实训中心(化工实验实训中心)、省级虚拟仿真实验教学中心(推荐国家级)，将特色鲜明的优势学科与计算机仿真实验教学有机结合起来。化工学院与东方仿真软件技术有限公司和欧贝尔仿真软件技术有限公司签署有互助合作协议，公司针对化工教学特点，开发了适合化工专业的虚拟仿真实验教学软件。宿州学院有完善的网络设施和良好的网络环境，学校信息与网络中心建设高性能存储系统，虚拟仿真实验教学平台中心配备开发用计算机和专门的网络存储设备，为虚拟仿真实验项目提供开发、维护、数据存储和备份服务。实验室配备高性能服务器1台，仿真实验用计算机45台，同时满足1个自然班的虚拟仿真实验教学需要。利用中心的终端设备或个人电脑，学生在任何时间均可进行虚拟仿真实验。学校网络具有可靠的防火墙体系，可以实现身份认证、网络防病毒、信息过滤和入侵检测功能，保障系统的安全运行、日常管理和维护。基于学校网络提供的身份认证功能，提供用户认证和权限等级识别，实现系统的日常维护、登录管理和信息安全。

3 化工过程虚拟仿真实验教学平台的实验项目

化工虚拟仿真根据教学可分为工科基础化学和化工仿真实验平台、化工过程3D仿真实验平台、仿真教学实训平台、仿真职业技能竞赛平台，及教学、实验、实习、实训、技能培训为一体，把学院实践教学平台提升到了一个新的高度，满足不同专业、不同层次的教学需求，平台具体实验教学内容如下：

3.1 工科基础化学和化工仿真实验平台

本模块是针对基础化学教学大型分析仪器和化工单元操作设备结构复杂、微观过程或作用机理难以直接测定等问题，开设光谱、色谱系列仪器、气质、液质联用仪器及其他大型仪器仿真实验、化工原理仿真实验、化工单元、化工专业实验、化工合成典型反应单元等仿真实验项目。通过仪器内部 3D 结构和原理展示、虚拟现实场景互动操作等手段，让学生进行计算机实验，形象、直观地掌握化学的基本原理和方法。

3.2 化工过程3D仿真实验平台

在已有仿真软件基础上(合成氨装置转化工段仿真软件；合成氨工艺净化阶段仿真软件；合成氨合成工段仿真软件；催化裂化反应再生工段仿真软件；板式精馏塔设计软件；青霉素发酵工艺仿真软件),在石油化工(常减压3D-原油为原料)、煤化工(甲醇合成与精制3D-煤为原料)的基础上，结合本校在生物质转化方面的研究，扩充过程原料，形成包含原油、煤、生物质为原料的较为完整的原料架构。扩充 3D仿真教学软件，其中化工单元操作9套，化工原理软件11套，化工专业实验4套，现代化工厂软件1套。化工合成典型反应单元(2D)10套。

3.3 仿真教学实训平台

仿真教学实训平台包括常减压蒸馏仿真、合成氨生产仿真、催化裂化仿真和甲醇生产仿真二甲醚生产仿真等。由于全流程工艺仿真资源的数据基本上都来自工厂实际运行数据，因而为毕业环节提供了极为丰富的教学资源。教师结合企业的生产实际情况进行毕业设计与论文项目方面的工作；由常减压3D仿真软件转化为1个小设计项目，1个教师工程培训项目，3个毕业设计项目。由教师指导，学生参与开发甲醇合成与精制3D仿真软件。指导应用化学专业、化学工程与工艺专业、过程装备与控制工程专业的学生进行课程设计和毕业设计。

3.4 仿真职业技能竞赛平台

3D仿真软件建成后，化工3D虚拟仿真综合实训中心可以成为学生参加全国大学生化工原理、化工设计、全国大学生市政环境类创新实践能力“北控水务杯”竞赛的准备场所，参赛选手们利用中心提供的模拟软件进行物料衡算、能量衡算、流程优化，并以教师开发的软件数据对模拟计算过程进行验证；以3D仿真软件提供的工厂实景为参考，用管道设计软件对车间设备、管道进行3D建模，对总厂布置进行3D建模。在一些模拟大型化工厂的3D仿真场景中，如城市污水处理虚拟仿真工厂、煤制合成氨(转化工段、净化工段、合成工段)、苯胺装置3D虚拟现实仿真、甲醇工艺3D生产实习仿真软件等，学生可以扮演外操作工、内操作工、班长、安全员等角色，仿真场景中的设备，管道、阀门、物料走向以实际工厂的布置为参考，学生相当于在真实的工厂中漫步，可以开关阀门和启停设备，还可以通过“地图导航”了解整个工厂的布局设计，完成认知实习。加深对工艺流程和工艺原理的认识，为化工设计打下基础，学生在全国举行的化工设计、化工原理大赛中多次获奖。

4 化工过程虚拟仿真实验教学平台的功能

实验教学平台的功能：例如，仪器模拟实验将更加注重三维动画设计、人机交互界面和实验过程的评价与监控；所有项目都可以在网上进行教学和管理，学生可以在家进行仿真练习，在突发重大公共卫生事件背景下开展在线实验教学，评价、考核功能是通过一个基于服务器的后台系统实现的；包括实验指导、实验活动、数据处理、图表、实验报告、思考题和可扩展的测试库；交流平台功能允许学生通过公告板与教师进行在线互动，学生也可以相互讨论；扩展功能，网络平台可以嵌入新仪器的仿真软件，可以对试题库等进行扩充。学生在进行仿真软件的操作练习，选择不同的培训项目，如冷态开车、正常开车、正常停车、事故处理等，学生根据自己的情况自主选择练习，例如设计开停车方案、优化操作方案，真实的工厂考虑到安全、生产计划和运营成本绝不允许这样做。在一个完整的练习中，学生在开始操作仿真项目之前必须要熟悉工艺流程，读懂带指示仪表和控制点的工艺流程图，了解主要物料流向；熟悉主要操作设备的结构和操作原理；熟悉控制系统和按开车规程进行操作。另外，按评分系统进行操作之前还应熟知每个环节达到正常设计工况的主要控制指标要求，如温度T、压力P、液位L、流量F等具体数值，学生在操作时要考虑到正常生产时大型化工生产装置中这些参数呈现较大的惯性和滞后性，当被调变量与设定值相差较大时，操作者大幅度调节阀门就会出现的操作失误，也就是工况的大起大落，很难将系统维持在稳定的状态下，而质量控制评分步骤是根据操作者的操作值与设定值的接近程度来给分数，两者越接近分数越高，学生通过操作如控制流量的大小，阀门开度等过程来进行优化研究从而可以提高质量控制步骤分数，也为今后在实际工厂生产操作打下基础。自虚拟仿真实验教学平台建立以来，线上学习人数达到12 000余人，教学资源将逐步全部支持网络环境的远程访问，即全部实现校外共享，面向国内高校及职业学校开放线上仿真及线下生产线培训。学生或校外需要培训的人员在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台注册账号就可以进入实验空间进行操作练习，平台记录了参与者使用账号、培训项目、学习时长和考试记录等信息，如图1和图2所示。同时，教师可下载实习报告，综合分析学生的实习效果。

图1 仿真实习软件线上登录界面

图2 仿真实习软件学习使用记录情况

5 平台的教学效果

化学化工虚拟仿真实验教学中心配合《化工工艺专业实验》《化工原理实验》《化工仿真实训》《化工设备机械基础》《化学反应工程》《化工设计》等工程化学专业课程，面向3个二级学院，6个本科专业，500 多名学生，总计开设20个虚拟仿真实验教学项目，年实验学时达 5 000人时数。受益专业面广，学生人数多，极大地提高了人才培养水平。通过仿真平台软件，把“化工原理设计”“化工设备机械基础实验”“专业综合实训”课程组合，已编写《化工仿真实训》指导书，在实施过程中和东方仿真软件公司合作，建设校级质量工程项目“智慧课堂”，在此项目的基础上获批2018年化工过程虚拟仿真实验教学项目，并推荐参评2019年度和2021年度国家虚拟仿真实验教学项目，获批2019年安徽省大规模在线开放课程(MOOC)示范项目，获批2019年安徽省化工类专合委教学研究项目，和欧贝尔仿真软件公司合作，建设云课堂，学生可进行知识点系统学习、理论知识学习、仿真实训练习。通过国家虚拟仿真实验教学课程共享平台和安徽省网络课程学习中心(e会学)平台实现资源共享。

6 结 语

通过搭建化工过程虚拟仿真实验教学平台，丰富了实践教学资源，更新实验教学内容，特别是在全流程仿真学习过程中，让学生通过观察、联想、辨别，了解化工、化学过程的控制特点及其关系。同时，可将仿真教学与真实的工厂实习、模拟装置的实际操作结合在一起，提高实践教学效果，培养学生较强的工作能力，加强学生的工程教育、专业设计、科技创新能力。该网络平台将实现学校之间的信息和资源共享，促进优质教育信息和资源的快速流动，可实现校园网络化运行，鼓励优质教育资源共享，提高实验室的开放度和使用率。它促进了教师“教”和学生“学”方式的根本改变，有助于提高教学效果。