培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的化工工藝開(kāi)放實(shí)驗(yàn)改革與探索

騰曉旭，時(shí)建偉，呂利平，徐建華，周邦智

(長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，重慶　408100)

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培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的化工工藝開(kāi)放實(shí)驗(yàn)改革與探索

騰曉旭，時(shí)建偉，呂利平，徐建華，周邦智

(長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，重慶408100)

化工工藝類實(shí)驗(yàn)流程相對(duì)復(fù)雜，教學(xué)難度大，在有限的課時(shí)內(nèi)學(xué)生很難真正掌握。在原有已開(kāi)設(shè)化工工藝計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，添置了與仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的化工生產(chǎn)模型，開(kāi)設(shè)了與仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的化工實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，形成“模型認(rèn)知—仿真虛擬—實(shí)訓(xùn)操作”相結(jié)合的化工工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法，并在上述的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)行開(kāi)放式教學(xué)，大大提高學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合的能力。

模型；仿真；實(shí)訓(xùn)；開(kāi)放；化工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等工程教育的重要組成部分，是學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必需環(huán)節(jié)。對(duì)理工科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)，特別是針對(duì)大型化、復(fù)雜化、危險(xiǎn)性和長(zhǎng)時(shí)間的全流程化工工藝類實(shí)驗(yàn)，在課時(shí)有限的情況下，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行此類實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往存在很多限制因素，很難達(dá)到教學(xué)要求，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和手段在不斷更新。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開(kāi)創(chuàng)了一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式-虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[1-2]，它打破了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間、儀器套數(shù)的限制。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[3-4]。全流程化工工藝實(shí)驗(yàn)工藝復(fù)雜、儀器設(shè)備眾多、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，指導(dǎo)導(dǎo)師很難全程參與，為此在此類實(shí)驗(yàn)采用“模型認(rèn)知—仿真虛擬—實(shí)訓(xùn)操作”相結(jié)合的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在提高教學(xué)效果的同時(shí)，充分了發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性。

1　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念最早是由美國(guó)的William Wolf教授在1989年提出。隨著20世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)、多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教育中的廣泛運(yùn)用，使得人們學(xué)習(xí)的資源更加豐富，學(xué)習(xí)的形式更加多樣化，學(xué)習(xí)的安排更加靈活，這些都大大促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)教育的迅速發(fā)展。同時(shí)虛擬仿真技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為成功建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室提供了基本條件。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式在各個(gè)行業(yè)被廣泛采用，它有如下特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)[2]：

(1)可有效降低實(shí)驗(yàn)成本，減少支出。特備是針對(duì)具有危險(xiǎn)性、過(guò)程復(fù)雜化和耗時(shí)耗能的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加適用。

(2)開(kāi)發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不會(huì)因?yàn)閾?dān)心損壞儀器設(shè)備而畏首畏尾，不會(huì)因?yàn)槲ｋU(xiǎn)而擔(dān)驚受怕，為學(xué)生提供大膽探索的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

(3)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，真正做到理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，鞏固所學(xué)知識(shí)[5]。

(4)彌補(bǔ)教學(xué)中內(nèi)容的不足，解決供需矛盾，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓寬學(xué)生學(xué)術(shù)視野。

(5)保證實(shí)驗(yàn)安全。有的實(shí)驗(yàn)特別是化工實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生先通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行熟悉，了解安全生產(chǎn)措施，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中就有安全保障。

(6)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性[6]。 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模式，學(xué)生不再受時(shí)間、空間的制約，可隨時(shí)、隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，不在收課堂45 min的限制。

正是因?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)家在2013年啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的申報(bào)工作，在2014年我國(guó)批準(zhǔn)首批100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院緊跟國(guó)家的發(fā)展方向，積極完善已有的化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并不斷探索心得教學(xué)方法為實(shí)踐性人才的培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

2　我?；ゎ悓?shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

化學(xué)工程與工藝專業(yè)除開(kāi)設(shè)基礎(chǔ)的化工原理實(shí)驗(yàn)外，還開(kāi)設(shè)了化工工藝實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、化工實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)和化工綜合實(shí)驗(yàn)等專業(yè)類實(shí)驗(yàn)課程。這些實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)面廣，接觸各種類型儀器機(jī)會(huì)多，所涉及的實(shí)驗(yàn)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法都是學(xué)生以后從事各項(xiàng)科學(xué)研究和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。在以往的教學(xué)過(guò)程中，各門實(shí)驗(yàn)的教師只負(fù)責(zé)自己部分的教學(xué)，內(nèi)容銜接不通暢，同時(shí)理論與實(shí)踐結(jié)合性差，只是為了做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)，也很少把實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題引入課堂。學(xué)生普遍感到枯燥乏味、學(xué)習(xí)吃力，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)課程缺乏足夠的重視，失去興趣，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)上的敷衍搪塞，降低了教學(xué)質(zhì)量。

根據(jù)上述化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程在化工專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中的地位、作用和任務(wù)，我們先后在實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)和優(yōu)化、層次化課程體系建設(shè)、實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)模式探索、研究性教學(xué)實(shí)踐和實(shí)施創(chuàng)新教育以及實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放運(yùn)行與管理機(jī)制健全等方面進(jìn)行改革，取得了一定的成績(jī)。鑒于增加實(shí)驗(yàn)開(kāi)放項(xiàng)目總數(shù)所帶來(lái)的資金的投入、實(shí)驗(yàn)用房面積的增加和人員編制等問(wèn)題及實(shí)驗(yàn)條件的危險(xiǎn)性，我們重點(diǎn)將具有相似實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工藝類的實(shí)驗(yàn)課程，如化工工藝實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、化工實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行組合，增加生產(chǎn)模型認(rèn)知環(huán)節(jié)，構(gòu)建“模型認(rèn)知—仿真虛擬—實(shí)訓(xùn)操作”相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐步實(shí)行開(kāi)放式教學(xué)，有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

3　配套實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

在2009年我校新開(kāi)設(shè)化學(xué)工程與工藝專業(yè)時(shí)，除引進(jìn)常規(guī)的化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備外，也引進(jìn)了北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的數(shù)個(gè)虛擬仿真軟件，在以后根據(jù)需要又有陸續(xù)增加，在此基礎(chǔ)上，建成化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。目前我校的化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室已初具規(guī)模，擁有專門的虛擬實(shí)驗(yàn)室和專門的教師隊(duì)伍。在化工專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性，有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

從近幾年的教學(xué)過(guò)程來(lái)看，還存在著一些問(wèn)題。單元操作實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，不管是在虛擬實(shí)驗(yàn)還是在實(shí)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生基本能輕松應(yīng)對(duì)。全流程工藝類實(shí)驗(yàn)流程復(fù)雜，學(xué)生雖然在課本中講過(guò)，但對(duì)實(shí)際工廠的工藝、設(shè)備、儀表等完全沒(méi)有概念，在懵懵懂懂情況下做虛擬實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果并不理想。為此我們充分發(fā)揮學(xué)校地處重慶市三大化工園區(qū)(長(zhǎng)壽、涪陵、萬(wàn)州)核心地帶的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)課前先組織學(xué)生到企業(yè)參觀見(jiàn)習(xí)，對(duì)涉及的工藝流程、設(shè)備儀表等進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，讓學(xué)生對(duì)此有了大致了解，學(xué)習(xí)起來(lái)就不感到過(guò)于抽象。在課本中重點(diǎn)講授且需要在實(shí)驗(yàn)中涉及的合成氨、尿素、硫酸、燒堿、天然氣化工和部分有機(jī)化工等行業(yè)在化工園區(qū)都有分布，購(gòu)買的虛擬仿真軟件也與之對(duì)應(yīng)。

企業(yè)參觀見(jiàn)習(xí)的時(shí)間畢竟有限，學(xué)生很難全部掌握。于是我們購(gòu)買了數(shù)套由南方模型廠制作的化工生產(chǎn)的工廠模型，建立模型室，在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模型和軟件內(nèi)容時(shí)時(shí)對(duì)照，大大加深了學(xué)生對(duì)設(shè)備、工藝等的印象，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)理解能力。

學(xué)生計(jì)算機(jī)虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)做完后，對(duì)整個(gè)工藝流程有了一定的了解，迫切希望能親自動(dòng)手進(jìn)行驗(yàn)證。為此我們從浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司、天大北洋化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司購(gòu)入了數(shù)套化工實(shí)訓(xùn)裝置，建成實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生真正動(dòng)手操作，通過(guò)實(shí)訓(xùn)真正做到理論和實(shí)踐的結(jié)合，使學(xué)生對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程有切身體會(huì)。由于資金限制，目前投入使用的化工實(shí)訓(xùn)裝置主要是化工單元實(shí)訓(xùn)和簡(jiǎn)單的化工工藝類實(shí)訓(xùn)裝置(如乙醇脫水制乙烯、乙苯脫氫制苯乙烯、煤油裂解、乙酸乙酯生產(chǎn)和尿素綜合生產(chǎn)等實(shí)訓(xùn)裝置)，為此，我們多方面籌措資金，并申報(bào)央地共建項(xiàng)目，爭(zhēng)取早日引進(jìn)大型化全流程的化工工藝類實(shí)訓(xùn)裝置。在此期間，我們積極和三峽學(xué)院合作，利用對(duì)方的大型實(shí)訓(xùn)裝置(如合成氨實(shí)訓(xùn)裝置)進(jìn)行學(xué)生的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、模型、軟件等的引進(jìn)，為“模型認(rèn)知—仿真虛擬—實(shí)訓(xùn)操作”相結(jié)合新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式開(kāi)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4　新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膶?shí)踐過(guò)程

以合成氨的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，在學(xué)期初制定好理論課和實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)進(jìn)度計(jì)劃。在理論課講授過(guò)程中，老師利用CAI課件結(jié)合合成氨生產(chǎn)模型進(jìn)行教學(xué)。在合成氨理論課講授完畢后，安排學(xué)生到鄰近的中化涪陵化工有限公司進(jìn)行一天的合成氨生產(chǎn)裝置參觀見(jiàn)習(xí)，在工廠工程師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下，學(xué)生將課本、模型知識(shí)與實(shí)踐聯(lián)系加深記憶。

工廠見(jiàn)習(xí)后，進(jìn)行合成氨計(jì)算機(jī)虛擬仿真。合成氨的仿真軟件分甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化、原料氣凈化和氨的合成三個(gè)工段，在化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生每人一臺(tái)計(jì)算機(jī)。通過(guò)運(yùn)行合成氨軟件，就可以真實(shí)反映合成氨的工藝流程。通過(guò)建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)虛擬合成氨生產(chǎn)裝置的冷態(tài)開(kāi)車、正常操作和正常停車等現(xiàn)象和過(guò)程，再現(xiàn)了一個(gè)離線的、能夠親自動(dòng)手操作的仿真操作環(huán)境，使學(xué)生能夠?qū)に囘^(guò)程的主要指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，結(jié)合對(duì)真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的感性認(rèn)識(shí)和理解，從而使學(xué)習(xí)效果更加理想。合成氨的軟件還有綜合評(píng)分系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度和操作水平，并對(duì)學(xué)生每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作情況給出綜合的成績(jī)。參照工廠的班組制人員崗位安排，每五名學(xué)生組成一個(gè)學(xué)習(xí)小組，設(shè)組長(zhǎng)一名，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的組織協(xié)調(diào)工作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，模型室和虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開(kāi)放，在組長(zhǎng)的領(lǐng)導(dǎo)下，只要學(xué)生有時(shí)間就可做實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間限制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、互相提問(wèn)，并將模型和軟件內(nèi)容時(shí)時(shí)對(duì)照，最終組長(zhǎng)形成一個(gè)簡(jiǎn)短的匯報(bào)材料，代表全組在全班作報(bào)告，并分析不足就，找出原因，給出解決措施。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作合格，并且能準(zhǔn)確回答相關(guān)思考題的學(xué)生可以分組進(jìn)行合成氨實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))操作。目前我校學(xué)生利用三峽學(xué)院的大型合成氨實(shí)訓(xùn)裝置進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)。合成氨實(shí)訓(xùn)裝置以真實(shí)生產(chǎn)工廠為原型，按照一定比例縮小而制成，由造氣、氣體凈化、氣體變換、氨合成等工段組成，可整體或單元運(yùn)行。裝置中采用真實(shí)的工廠用設(shè)備、儀表、閥門，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物感，并配有DCS控制系統(tǒng)。通過(guò)合成氨實(shí)訓(xùn)，真正做到理論和實(shí)踐的結(jié)合，使學(xué)生對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程有切身體會(huì)。此實(shí)驗(yàn)仍分組進(jìn)行，學(xué)生按生產(chǎn)過(guò)程中的崗位職責(zé)劃分實(shí)驗(yàn)過(guò)程的工作責(zé)任，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通力合作。

在整個(gè)的合成氨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師主要起指導(dǎo)監(jiān)督作用，特別做好實(shí)訓(xùn)時(shí)的安全工作，其余的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都是以學(xué)生為主導(dǎo)完成，真正做到實(shí)驗(yàn)在時(shí)間、空間、資源等方面的開(kāi)放。

5　結(jié)　論

通過(guò)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，形成了“模型認(rèn)知—仿真虛擬—操作實(shí)訓(xùn)”教學(xué)新方法，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用開(kāi)放式教學(xué)，同學(xué)們對(duì)這種全新的實(shí)驗(yàn)方式、與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不一樣的教學(xué)氛圍以及豐富的操作內(nèi)容感到滿意，從而激發(fā)實(shí)驗(yàn)的興趣，提高了對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程的重視程度。但與其它高水平院校而言，我們所開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，下一步工作，我們希望在軟硬件及人員配置各個(gè)方面能得到學(xué)校的大力支持，營(yíng)造多元化教學(xué)環(huán)境，用更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)擴(kuò)學(xué)生的視野。

[1]譚守標(biāo), 霍劍青, 王曉蒲. 計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 35(3): 429-433.

[2]周燕. 虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 合肥學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 18(3): 79-80.

[3]王曉蒲, 霍劍青, 楊旭, 等. 大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)踐[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2001, 21(1): 28-29.

[4]霍劍青, 王曉蒲, 楊旭, 等. 發(fā)展教育技術(shù)營(yíng)造多元化教學(xué)模式的研究與實(shí)踐[J]. 物理與工程, 2004, 4(2): 53-54.

[5]DongilShin, EnSupYoon, Kyung Yong Lee, et al. A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operationsand processsystem sengineering education[J]. Computers and Chemical Engineering, 2000(24): 1381-1385.

[6]趙英于. 探究式學(xué)習(xí)的物理仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2007.

Reform and Exploration of Chemical Process Open Experiment for Training Students’ Practical Ability*

TENG Xiao-xu, SHI Jian-wei, LV Li-ping, XU Jian-hua, ZHOU Bang-zhi

(School of Chemistry and Chemical Engineering，Yangtze Normal University，Chongqing 408100, China)

The teaching of chemical process experiment is difficult because of complicated process. The computer virtual simulation lab was built to bring some corresponding chemical production model and open corresponding chemical training experiment. A new experiment teaching method was established, it involved model cognitive, virtual simulation and training operation. The open teaching was used in the experimental process, the students’ ability of combining theory and practice was greatly improved.

model; simulation; training; open; chemical experiment

騰曉旭(1978-),女，副教授。

時(shí)偉建(1979-),男，工程師。

G642.0

A

1001-9677(2016)01-0163-03

*基金名稱：重慶市教改重點(diǎn)項(xiàng)目(152043)；長(zhǎng)江師范學(xué)院教改項(xiàng)目(JG15328)。