“新工科”背景下“化工仿真實(shí)驗(yàn)”的開放性教學(xué)實(shí)踐

杜榮斌，劉 濤，夏宏宇，孔學(xué)軍

(安慶師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，安徽安慶246133)

為培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才，2017年2月18日，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，達(dá)成“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)[1]，該共識(shí)確立了“新工科”的基本內(nèi)涵、新工科建設(shè)與發(fā)展路徑。新工科建設(shè)可以通過建立和發(fā)展新興工科專業(yè)以及對(duì)傳統(tǒng)工程專業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)[2-3]?；?shí)習(xí)作為大學(xué)化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，需要與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，但實(shí)習(xí)過程存在一些問題，制約了實(shí)習(xí)效果的提高，隨著化工生產(chǎn)規(guī)模和自動(dòng)化程度的提高，加上物料普遍具有易燃性和爆炸性等風(fēng)險(xiǎn)，使得整個(gè)生產(chǎn)過程受到嚴(yán)密監(jiān)控。在生產(chǎn)實(shí)習(xí)期間，學(xué)生只能跟隨師傅參觀設(shè)備和中央控制室，時(shí)間短，難以近距離觀察，學(xué)生不能親自進(jìn)行相關(guān)操作，如工業(yè)裝置的開車、停車和事故處理等重要操作，但“化工仿真實(shí)驗(yàn)”可以很好地解決這些問題[4]?！盎し抡鎸?shí)驗(yàn)”課程作為我校化工專業(yè)人才培養(yǎng)的重要核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，在新工科背景下，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用了全新的開放性實(shí)踐教學(xué)方法，迅速適應(yīng)新的工程學(xué)科對(duì)化工專業(yè)人才應(yīng)用的要求。通過計(jì)算機(jī)模擬化工實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更加詳細(xì)地了解設(shè)備的工藝流程、過程參數(shù)的正常操作條件、開停車規(guī)程及事故處理手段等，掌握在典型化學(xué)生產(chǎn)過程中開停車、運(yùn)行和消除事故的能力[5-6]。

我?；し抡鎸?shí)驗(yàn)使用的是北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)的一系列化工仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，該模擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)分為典型的化工單元操作與化工生產(chǎn)裝置。典型的化工單元操作有離心泵、換熱器、間歇反應(yīng)釜、連續(xù)反應(yīng)器、CO2壓縮機(jī)、吸收-解吸、液位控制系統(tǒng)、精餾，化工生產(chǎn)裝置包括丙烯酸甲酯工藝仿真、均苯四甲酸二酐工藝仿真、250萬噸/年常減壓裝置仿真實(shí)驗(yàn)、乙烯裝置仿真等。下面以流程級(jí)丙烯酸甲酯工藝培訓(xùn)系統(tǒng)為例，討論開放性仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施。

1 注重課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

就教師而言，在培訓(xùn)之前，必須做好充分的準(zhǔn)備，包括培訓(xùn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題，如正常開車時(shí)的順序，啟泵先開前閥、再啟泵、后開后閥；調(diào)節(jié)閥順序，先打開前后閥，再打開調(diào)節(jié)閥；閥門應(yīng)該開大還是開?。晃账募訅禾幚砗凸艿蓝氯?；同時(shí)也不能僅局限于某一單元操作的培訓(xùn)而準(zhǔn)備，因?yàn)榛け旧砭褪窃S多單元的有機(jī)組合，換句話說，任何化工單元不能獨(dú)立存在。在學(xué)生方面，要求學(xué)生回顧化工原理、儀表自動(dòng)化等專業(yè)知識(shí)；加深對(duì)泵、換熱器、吸收塔等設(shè)備結(jié)構(gòu)和單元操作原理的理解，如T150塔頂冷卻器、T160塔底泵、T110丙烯酸分餾塔等；預(yù)習(xí)工藝流程，如V161、T160引丙烯酸甲酯等，初步掌握了解丙烯酸甲酯工藝和主要生產(chǎn)設(shè)備如圖1所示；對(duì)復(fù)雜串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)有一定的了解，如T-110塔釜液進(jìn)E-114的流量控制采取串級(jí)控制方案，LIC101→FIC110→FV110，以LIC101為主回路，F(xiàn)IC110為副回路構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。如果學(xué)生不理解控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的給定值、當(dāng)前值、控制閥開度、手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，就不能很好地設(shè)置調(diào)節(jié)器，開停車操作就會(huì)不順暢。模擬實(shí)習(xí)時(shí)，在控制系統(tǒng)投入運(yùn)行準(zhǔn)備工作完成前，對(duì)化工過程控制系統(tǒng)的內(nèi)容進(jìn)行充分預(yù)習(xí)，才能保證培訓(xùn)操作順利進(jìn)行。

圖1 丙烯酸甲酯工藝總貌圖

2 集中講解與分散練習(xí)相結(jié)合

由于全流程模擬實(shí)習(xí)任務(wù)的內(nèi)容多、難度大、操作步驟繁瑣，產(chǎn)生的問題也多，盡管老師課上講授的內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)非常細(xì)，但學(xué)生在操作時(shí)也不可能完全記住，如DCS控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。因此集中授課模式會(huì)導(dǎo)致追求進(jìn)度，而沒有深入理解操作細(xì)節(jié)，只關(guān)心分?jǐn)?shù)。開放性教學(xué)模式意味著所有課程內(nèi)容都不是一次集中講完，而是分成多次課程講授。第一次課用一上午的時(shí)間講授模擬練習(xí)界面的功能、模擬操作的注意事項(xiàng)、難點(diǎn)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、課程安排以及丙烯酸甲酯工藝的模擬練習(xí)任務(wù)；然后學(xué)生自己上機(jī)進(jìn)行分工段練習(xí)。此練習(xí)涉及很多步驟，有酯化反應(yīng)、丙烯酸回收、醇萃取及回收、醇拔頭、酯精制等操作。每個(gè)工段都配備了許多儀器、儀表、成套設(shè)備、手動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，學(xué)生可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行大量工程實(shí)踐培訓(xùn)，如反應(yīng)器進(jìn)料流量、液位、溫度、壓力等參數(shù)的自動(dòng)控制；在運(yùn)行時(shí)，這些參數(shù)很容易超過極限值而報(bào)警，要求學(xué)生采取調(diào)整措施使其達(dá)到正常值，如緩慢開啟調(diào)節(jié)閥FV107，控制溫度，不可讓之漲得過快，T110塔釜溫度控制為81℃。這些練習(xí)耗時(shí)且容易出錯(cuò)，我們安排了3次課來完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)，第二次學(xué)生必須從一開始就重新做，重復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)過程了解深入，達(dá)到了熟練和舉一反三的目的。

采用開放性教學(xué)模式，不僅有足夠的時(shí)間完成當(dāng)前的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，還可以把余下的時(shí)間完成下一個(gè)訓(xùn)練任務(wù)，如停車和事故處理部分，有足夠的時(shí)間解決實(shí)訓(xùn)過程中出現(xiàn)的問題。另外在模擬操作過程中，由于液位、溫度、壓力等參數(shù)在運(yùn)行過程中均穩(wěn)定且緩慢地變化，因此不可能大幅調(diào)整閥門以追求速度，并且每個(gè)裝置與工段緊密相連，一個(gè)參數(shù)的輕微變化可能導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)的巨大變化，這對(duì)整個(gè)化工系統(tǒng)的承受能力是巨大的考驗(yàn)。在模擬操作中，有些參數(shù)的靈敏度不足，有一定的響應(yīng)時(shí)間，如塔T160回流罐V161液位和E114溫度控制，需要多次微調(diào)操作才能避免參數(shù)的大幅波動(dòng)并引起報(bào)警。通過合理安排模擬練習(xí)時(shí)間，控制學(xué)生的操作進(jìn)度，學(xué)生可以耐心細(xì)致地完成所有的模擬練習(xí)內(nèi)容。模擬練習(xí)分階段完成，確保所有學(xué)生都能按照規(guī)定的時(shí)間表完成模擬練習(xí)。同時(shí)，在練習(xí)中進(jìn)行小組討論，討論事故原因和解決途徑，教師鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)問題提出自己的想法，如對(duì)P110A泵而言，薄膜蒸發(fā)器E114進(jìn)料流量顯示FIC110逐漸下降至0，引起E114溫度壓力的波動(dòng)，E114液位降低，丙烯酸分餾塔T110液位上升，通過小組討論分析，可能為泵出現(xiàn)故障不能正常工作或是出口管路堵塞，學(xué)生就提出先檢查出口管路上各閥門是否工作正常，排除閥門故障后，迅速切換出口泵為P110B。加大出口調(diào)節(jié)閥FV110開度，調(diào)整T110液位LIC101至正常工作情況下液位后，再恢復(fù)FV110開度50，關(guān)閉P110A泵前后閥，這樣練習(xí)極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與積極性和主動(dòng)性，積極研究和控制模擬裝置的操作，從而提高實(shí)驗(yàn)練習(xí)的效率。

3 課下學(xué)習(xí)與課程實(shí)訓(xùn)相結(jié)合

安慶師范大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，經(jīng)過幾年的發(fā)展，已建成以高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為載體，面向多專業(yè)、多層次的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)與培訓(xùn)平臺(tái)，大部分化工仿真教學(xué)資源已實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程操作，學(xué)生網(wǎng)絡(luò)互助，利用在線化工仿真教學(xué)平臺(tái)下載客戶端，在自己電腦上安裝、注冊(cè)并激活仿真軟件，在覆蓋校園網(wǎng)的地方實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄、預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、在線練習(xí)、在線與教師交流、學(xué)習(xí)最新學(xué)科動(dòng)態(tài)等，為此擺脫時(shí)間和空間的限制，同時(shí)教師可以在系統(tǒng)后臺(tái)隨時(shí)檢查學(xué)生的成績(jī)，將化學(xué)工業(yè)單元操作和化學(xué)生產(chǎn)全流程工藝的詳細(xì)說明和化工仿真相關(guān)參考書目發(fā)布到在線平臺(tái)供學(xué)生閱讀和學(xué)習(xí)，擴(kuò)大知識(shí)面，提高學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)正處于新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵階段，以新材料、新技術(shù)和新工藝為特征的新產(chǎn)業(yè)日益發(fā)展，科技創(chuàng)新、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國(guó)制造2025”等重大戰(zhàn)略在各方面努力和支持下正在大力推進(jìn)，迫切需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才作為支撐。在“新工科”背景下，我校開設(shè)的“化工仿真實(shí)驗(yàn)”采用開放性教學(xué)實(shí)踐，加強(qiáng)學(xué)生各學(xué)科知識(shí)能力的交叉融合培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜化工過程動(dòng)態(tài)操作的分析和協(xié)調(diào)控制能力，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，創(chuàng)新能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，符合未來化工相關(guān)行業(yè)就業(yè)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)要求，與新工科的理念高度吻合。