鹵水提鋰虛擬仿真化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

諸葛福瑜， 曾 英， 于旭東， 周 堃， 曾廣勇， 王彥旭

（成都理工大學(xué)a.材料與化學(xué)化工學(xué)院；b.教務(wù)處，成都610059）

0 引 言

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”［1］“天大行動(dòng)”和“北京指南”［2］，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，

全力探索形成工程教育的中國模式。工程技術(shù)能力和實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)）應(yīng)用能力培養(yǎng)是“新工科”和“卓越人才”的核心內(nèi)涵［3-4］。新工科建設(shè)背景下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難以滿足各高校專業(yè)人才培養(yǎng)的需要［5-8］。2018年，繼本科教學(xué)工作會(huì)議和全國教育大會(huì)后，教育部印發(fā)《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，明確大力推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)［9-10］，加強(qiáng)實(shí)踐育人平臺(tái)建設(shè)［11］。

化工類專業(yè)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)也存在一些制約學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的因素［12-13］：校內(nèi)實(shí)踐空間不足，設(shè)備及設(shè)施投入資金高、落后于行業(yè)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整更新節(jié)奏，材料成本高，危險(xiǎn)性高，實(shí)驗(yàn)周期長；現(xiàn)代化工廠企業(yè)內(nèi)設(shè)備自動(dòng)化程度高，多數(shù)生產(chǎn)過程為全封閉式看不見摸不著，學(xué)生廠內(nèi)實(shí)習(xí)不能一線操作等?；ゎ愄摂M仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［14-15］，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在虛擬環(huán)境中運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)［16-17］。

我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)對(duì)照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才的培養(yǎng)要求，對(duì)焦國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略和四川省“一干多支、五區(qū)協(xié)同”發(fā)展戰(zhàn)略，著眼于西部地區(qū)液體礦產(chǎn)（青藏高原鹽湖鹵水和四川盆地地下鹵水）資源的高效開發(fā)，從工程技術(shù)人才“基礎(chǔ)→過程→工藝→設(shè)計(jì)”培養(yǎng)途徑出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的“想做不能做，能做不愿做，只看不能做，企業(yè)不讓做，沒錢沒地做”等難題，以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代鋰特效吸附劑生產(chǎn)工藝為背景，設(shè)計(jì)了深層地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

1.1 教學(xué)目的及要求

深層地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以項(xiàng)目化教學(xué)的形式將化工原理、化學(xué)工藝學(xué)、鹽湖化工等多門化工類專業(yè)課程理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合。通過集成的3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K模擬工廠現(xiàn)場(chǎng)，與分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）場(chǎng)景切換、演示工程設(shè)計(jì)、廠區(qū)規(guī)劃與漫游、設(shè)備、工藝、操作、考核系統(tǒng)等環(huán)節(jié)以及實(shí)驗(yàn)過程中規(guī)范和注意事項(xiàng)。化工類專業(yè)學(xué)生通過虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)鹵水開采過程中存在高溫高壓、硫化氫氣體泄漏等危險(xiǎn)，深度參與設(shè)備調(diào)控、工藝優(yōu)化、生產(chǎn)控制等化工生產(chǎn)全過程，鞏固課堂上所學(xué)的基本知識(shí)。項(xiàng)目涉及的主要知識(shí)點(diǎn)見表1。

表1 鹵水吸附提鋰項(xiàng)目知識(shí)能力要求

1.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目工藝流程圖如圖1所示，主要包含濃縮脫硫化氫和鋰吸附提取兩個(gè)工藝工段，過程涉及深層地下鹵水開采、鹵水中硫化氫脫除、鹵水中鋰吸附、鋰脫附、吸附劑回收等多個(gè)工藝實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

圖1 深層地下鹵水吸附提鋰工藝流程

（1）硫化氫脫除工段。深層地下（約3 km）鹵水輸送至原鹵水儲(chǔ)罐中暫時(shí)儲(chǔ)存［見圖2（a）］。真空條件下使用生蒸汽將鹵水加熱后輸送至閃蒸室脫除硫化氫［見圖2（b）、（c）］。閃蒸室頂部逸出的硫化氫氣體冷凝為液體后進(jìn)入儲(chǔ)罐；脫除硫化氫后的鹵水從閃蒸室輸送至儲(chǔ)罐。

圖2 硫化氫脫除工段設(shè)備圖

（2）吸附提鋰工段。脫除硫化氫后的鹵水進(jìn)入鋰吸附工段進(jìn)行吸附提鋰［見圖3（a）］。吸附劑通過皮帶輸送機(jī)從頂部送至吸附反應(yīng)槽中，與輸送至反應(yīng)槽中的鹵水進(jìn)行鋰的吸附反應(yīng)［見圖3（b）］。吸附反應(yīng)后的物料進(jìn)入離心機(jī)中進(jìn)行固液分離［見圖3（c）］。分離后的吸附劑送入再生反應(yīng)槽，使用稀硫酸進(jìn)行脫附再生后進(jìn)入離心機(jī)，固液分離后得到的硫酸鋰溶液經(jīng)過濃縮、分離、干燥后制得硫酸鋰粗產(chǎn)品。

圖3 吸附提鋰工段設(shè)備圖

1.3 教學(xué)考核

教學(xué)平臺(tái)主要包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)三大環(huán)節(jié)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)生交互性操作設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣，其中一步設(shè)計(jì)不合理，會(huì)對(duì)整個(gè)流程的操作產(chǎn)生影響［18］。系統(tǒng)根據(jù)交互實(shí)驗(yàn)步驟自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)全過程評(píng)判考核。

（1）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備。包括閱讀實(shí)驗(yàn)手冊(cè)、觀看引導(dǎo)視頻，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、方法、儀器設(shè)備以及操作步驟等。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)測(cè)試滿分10分，由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判考核，錯(cuò)一個(gè)扣1分。成績低于6分為不合格，需重新學(xué)習(xí)至考核合格后，方可進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

（2）參數(shù)的控制和穩(wěn)定。該環(huán)節(jié)是化工安全生產(chǎn)的重要保障。泵的流量、反應(yīng)槽的攪拌速率等控制參數(shù)［見圖4（a）］，需要學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)選取的準(zhǔn)確度計(jì)算出實(shí)驗(yàn)操作得分。此外，學(xué)生需調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)使儲(chǔ)罐、閃蒸室的液位等參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定。參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，后臺(tái)預(yù)置程序自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，在交互操作過程中及時(shí)給出提示［見圖4（b）］。系統(tǒng)根據(jù)此類工藝參數(shù)穩(wěn)定后距設(shè)定值偏差的大小，給出自主設(shè)計(jì)部分分?jǐn)?shù)。

圖4 DCS中控系統(tǒng)工藝參數(shù)選取

（3）實(shí)驗(yàn)總結(jié)。系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并給出實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過程兩個(gè)環(huán)節(jié)成績，實(shí)驗(yàn)總結(jié)提交后由任課教師進(jìn)行評(píng)分。3部分成績總和即為實(shí)驗(yàn)課程總成績。考核系統(tǒng)具體考核內(nèi)容、要求及評(píng)分細(xì)則見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)考核具體內(nèi)容及要求

2 教學(xué)成果與示范推廣

我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)擁有礦產(chǎn)資源化學(xué)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、四川省基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心以及聯(lián)合共建硫酸鹽型鹽湖資源綜合利用青海省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)和科研平臺(tái)。項(xiàng)目立足于專業(yè)特色，堅(jiān)持利用學(xué)科優(yōu)勢(shì)，將信息化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立開放式［19-20］、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，服務(wù)學(xué)校教學(xué)的同時(shí)通過國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)“ilab-x實(shí)驗(yàn)空間”對(duì)外免費(fèi)開放，省內(nèi)外其他高?？晒蚕碓擁?xiàng)目資源。2019年10月獲批省級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。截止2021年3月，實(shí)驗(yàn)瀏覽總?cè)藬?shù)62 641人，完成實(shí)驗(yàn)1 785余人次，通過率達(dá)到87.7%，評(píng)分4.9（見圖5）。

圖5 “ilab-x實(shí)驗(yàn)空間”統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截圖

3 結(jié) 語

深層地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目將逼真的工程案例實(shí)景資源應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)過程以實(shí)為本、以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、互補(bǔ)提高，使真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度與廣度得以延伸，拓寬了教學(xué)思路，豐富了教學(xué)方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，更大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于幫助學(xué)生理解工程、了解工廠實(shí)際，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、工程實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新等方面的能力。