實踐型發(fā)酵工廠設計課程教學探索

王柯+張宏建

摘要：本文針對《發(fā)酵工廠設計》課程教學質量整體下滑的問題，提出了在課堂教學中引入三維軟件技術以及開展計算機仿真技術和工廠實習相結合的實踐教學模式，該模式有利于全面提升教學質量，培養(yǎng)高水平工廠設計人才。

關鍵詞：發(fā)酵工廠設計；三維軟件；計算機仿真技術；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0137-02

時下，發(fā)酵工業(yè)已發(fā)展成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，發(fā)酵產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品總量已居世界首位，但多數(shù)仍局限在低水平和重復建設上，在核心技術裝備及設計建設等方面與發(fā)達國家相比還存在差距。這就對現(xiàn)在高?！栋l(fā)酵工廠設計》課程的教學內容、手段和理念提出了新挑戰(zhàn)。

《發(fā)酵工廠設計》課程是生物工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，是一門綜合性與實踐性很強的應用型課程，是整個生物工程專業(yè)課程規(guī)劃中最具工程化和創(chuàng)造性的課程[1]。要求學生掌握發(fā)酵工程、微生物學、生物工程設備、工程制圖等多門課程的基礎理論和專業(yè)知識，具有使用繪圖軟件的能力。完成工程師的綜合性基本訓練，使學生了解工廠設計的工作程序、內容、步驟，掌握發(fā)酵工藝設計的理論、方法和有關設計規(guī)范，能勝任工廠技術改造或工藝設計的工作[2]。然而《發(fā)酵工廠設計》課程的教學效果整體出現(xiàn)下滑。成因有以下幾點。第一，教學方法手段單調，缺乏創(chuàng)新。學生學習難度大，感到枯燥費力。目前我國《發(fā)酵工廠設計》課程的課堂教學大都是傳統(tǒng)的“粉筆黑板模式”，或用簡單的多媒體課件，學生在聽課過程中對課件所表現(xiàn)的靜態(tài)的、復雜的、枯燥的和平面的工藝流程、設備及車間布局等圖形缺乏直觀、感性的認識[3]，認識深度有限，不容易理解設備的結構與功能，更難理解其操作，對工藝和車間布置一知半解，直接打擊了學生的積極性。第二，工廠實踐教學幾乎沒有，即使有也是走馬觀花。導致學生不能對廠址選擇依據(jù)、工廠總平面設計、工藝流程設計、設備設計與選型、車間布置設計、管道設計與布置、輔助部門設計與布置及廢水控制和處理方法等具體細節(jié)有詳細認知，不能詳細了解整個工廠的物料平衡、能量平衡、水平衡等信息。

我們依托本科教育教學改革研究課題對《發(fā)酵工廠設計》的教學方式進行了探索和實踐，將三維軟件技術作為《發(fā)酵工廠設計》課堂教學的手段之一，同時以計算機仿真技術和工廠實習相結合的方式開展實踐教學，提高教學質量。

一、三維軟件AutoCAD Plant 3D在《發(fā)酵工廠設計》課程中的應用

AutoCAD Plant 3D是由美國的歐特克公司開發(fā)的一款新興工廠三維系統(tǒng)設計軟件。它包含工藝流程設計（P&ID）、設備設計、管道設計、鋼結構、電纜敷設、管線應力分析、管網(wǎng)流體分析等部分。自身帶有歐美標準和中國國標開發(fā)的鋼結構、設備、管道、法蘭、閥門等三維元件庫。它能夠“建造”一個虛擬的、三維的發(fā)酵工廠，不僅能完美地呈現(xiàn)工廠的總體布局、管道布置等情況，又能夠微觀地表現(xiàn)設備詳細結構，能夠在建廠前預先了解工廠的情況，及時糾正設計中存在的不合理情況。所以該軟件大大提高了工廠設計效率，并且能夠優(yōu)化設計方案，減輕設計人員的勞動強度，節(jié)約設計成本，加強設計工作的前瞻性等。將AutoCAD Plant 3D應用于《發(fā)酵工廠設計》課堂教學中，可以將發(fā)酵工藝中的設備，如發(fā)酵罐、離心機、換熱器、泵等，由傳統(tǒng)課件中的靜態(tài)、平面表現(xiàn)模式，轉化為三維立體模式呈現(xiàn)給學生，可以讓學生從各個角度、由內而外全面觀察設備，對設備的結構、運行原理有直觀了解。同時，利用軟件將原本工程圖紙教學中靜態(tài)的、二維的工廠工藝設計成動態(tài)模型，讓學生有更加感性的認識，提高學習興趣。

目前，《發(fā)酵工廠設計》課程涉及的工廠設計絕大多數(shù)是通過二維AutoCAD完成。這種方法不能精準、直觀地反映工廠的總平面設計、設備結構、車間和管道布置等情況，而且設計工作效率不高，容易出錯，所以越來越不能適應現(xiàn)代工廠的設計要求（直觀、高效、精準和簡捷），而三維工廠設計軟件的出現(xiàn)顯然克服了這些問題。在眾多的三維工廠設計軟件（PDS、PDMS、Autoplant 3D、AutoCAD Plant 3D等）中，AutoCAD Plant 3D在中小型工廠設計中發(fā)展最為迅猛，所以得到越來越多的設計院和工廠的青睞。由于三維工廠設計軟件在中國的發(fā)展相對于國內是比較滯后的，能夠熟練使用的設計人才相對比較稀少。對于這樣的人才，設計院和企業(yè)的需求量較大，并且愿意支付更高的薪酬，提供更好的職業(yè)發(fā)展機會。一旦學生掌握了這種能力，能夠獲得更多更好的就業(yè)機會，就會更加積極主動地學習。此外，由于AutoCAD Plant 3D的計算機運行環(huán)境不高，一般的PC機即可運行，并且具有等級驅動技術和現(xiàn)代化的界面，使得建模和管道、設備、結構支架的編輯可以直接在工作空間中以三維形式進行，其他管件也比較簡單易用。所以，學生一般具備使用該軟件的條件，并且大大降低了學生學習使用的難度，進一步增加了學生的學習動力。三維軟件AutoCAD Plant 3D在《發(fā)酵工廠設計》課程中的應用顯著提高了教學的質量和學生學習的效率，強化了學生的工程設計能力。

二、計算機仿真技術與工廠實習相結合開展實踐教學

對于學習《發(fā)酵工廠設計》的學生來說，獲得工廠設計能力的前提是不僅要具有計算、繪圖、表達等基本功，了解工廠設計的工作程序、內容、步驟，掌握工藝設計的理論、方法和有關設計規(guī)范，還要對相關工廠總平面布局、工藝流程、工藝計算、設備選型、車間布置、管道布置、公用工程等有直觀深入的了解。通過實踐教學，鞏固和加深課堂理論教學中所學的專業(yè)知識，加深對設計概念的理解。同時需要發(fā)掘工廠設計中的精髓與設計中存在的問題，提高理論聯(lián)系實際及分析問題、解決問題的能力。進行實踐教學的首要任務是選擇合適的企業(yè)。企業(yè)要求具有典型性、時代性和指導性[4]，具體表現(xiàn)在：（1）企業(yè)具備行業(yè)代表性，比如以酒精生產(chǎn)為代表的酵母厭氧發(fā)酵企業(yè)，以檸檬酸生產(chǎn)為代表的霉菌好氧發(fā)酵企業(yè)，以谷氨酸生產(chǎn)為代表的細菌好氧發(fā)酵企業(yè)等；（2）生產(chǎn)技術先進，比如采用連續(xù)發(fā)酵的酒精企業(yè)，采用溫敏型菌株的谷氨酸企業(yè)，采用超臨界二氧化碳萃取技術的啤酒生產(chǎn)企業(yè)等；（3）具有時代特征，且表現(xiàn)的事實材料具有一定的普遍意義。這是由于學生對工廠環(huán)境陌生，需要時間適應，影響了實習的效率。所以可制造一套與實際生產(chǎn)相似的仿真系統(tǒng)，讓學生在計算機上就可以模擬操作。

在進入企業(yè)前，教師要充分了解發(fā)酵工廠設計和建設的過程，熟悉工廠現(xiàn)場，詳細掌握生產(chǎn)經(jīng)營狀況；做好學生實習的動員工作，大體講解工廠的實際情況，講清實習的目標，分配實習任務，對實習方法加以指導，并提出實習過程中的注意事項。實習中，將整個實習分為工廠廠址選擇和工廠總平面設計、工廠工藝設計和工廠公用工程設計兩大主題開展。對于第一個主題，要求學生向企業(yè)相關人員了解工廠所在位置的自然條件、技術經(jīng)濟條件和總平面布置圖等信息，依據(jù)課堂中所學的廠址選擇、總平面設計原則，對該工廠的廠址選擇、總平面設計的合理性進行評價，給出評價報告。對于工廠工藝設計和公用工程設計這個主題，要求學生進入生產(chǎn)車間，進行現(xiàn)場觀察并在操作人員的指導下親自操作。在這個過程中，詳細了解生產(chǎn)工藝流程，了解專業(yè)設備、通用設備和非標設備的功能、結構、操作方法，了解車間布置、管道的選擇與布置以及給排水、供熱、供冷、儀表、自動控制等公用工程。通過物料平衡和能量平衡計算，并參照工藝設計理論、方法和有關設計規(guī)范，評價工藝設計和公用工程設計，思考其設計的優(yōu)缺點，并提出對于設計不足處的改造方案。在實習過程中，教師定期組織討論活動，引導學生就實習過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行討論，并解答學生的疑問，做到盡量讓每個學生都能發(fā)表自己的意見和看法。實習結束后，學生要按照發(fā)酵工廠設計規(guī)范，依據(jù)實習工廠的實際情況，完成對應工廠的整體設計任務。該任務的完成將有利于學生鍛煉自身的實際設計能力，進一步掌握課程內容，也有利于教師了解教學效果，對教學方式方法進行優(yōu)化。

三、結束語

《發(fā)酵工廠設計》是生物工程專業(yè)本科課程體系中的一門重要專業(yè)課程，對實現(xiàn)本專業(yè)培養(yǎng)目標具有重要的作用。它又是一門綜合性與實踐性很強、學習難度較大的應用型課程。筆者針對近年來《發(fā)酵工廠設計》課程教學質量整體下滑的問題，剖析了原因，并在此基礎上創(chuàng)新教學方式，通過在課堂教學中引入三維軟件技術以及開展計算機仿真技術和工廠實習相結合的實踐教學，增強了學生對理論設計知識的感性認識，激發(fā)了學習的興趣和主動性，提高了學習效率，強化了學生的工程設計能力。

參考文獻：

[1]丁健，槐強強.基于自動化和計算流體力學技術的發(fā)酵工廠設計課程教學探索[J].教育教學論壇，2016，（17）.

[2]吳思方.發(fā)酵工廠工藝設計概論[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2006.

[3]戴清源，朱秀靈，陳濤.三維虛擬仿真技術在發(fā)酵工廠設計教學中的應用優(yōu)勢[J].科教文匯，2011，（3）.

Exploration of the Teaching Model with Practice for the Fermentation Factory Design Course

WANG Ke，ZHANG Hong-jian

（School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China）

Abstract：To resolve the problem of the declining teaching quality of the fermentation factory design course，the 3D plant design software was introduced to the classroom teaching and the computer simulating and factory training were combined to carry out the practice teaching. This teaching model was beneficial for promoting the teaching quality and cultivating high-level factory design talents.

Key words：fermentation factory design， 3D plant design software， computer simulating， practice teaching