应用型本科高校化学化工虚拟仿真实验中心建设探索
——以徐州工程学院为例

王 菊，堵锡华，史小琴，庄文昌

(徐州工程学院化学化工学院，江苏 徐州 221111)

应用型本科高校化学化工虚拟仿真实验中心建设探索
——以徐州工程学院为例

王 菊*，堵锡华，史小琴，庄文昌

(徐州工程学院化学化工学院，江苏 徐州 221111)

化工行业的高温高压、易燃易爆、有毒有害的高危险性、化工企业的事故频发以及化学化工类专业学生实习参与度低、实习效果差等种种因素，都在迫切要求化学化工类本科院校在培养专业技术人才工程实践能力的过程中，开展虚拟仿真实验教学中心建设。本文通过对化学化工类本科高校及高职院校的调研，针对徐州工程学院"地方性、应用型"的办学定位，从仿真实训中心及半实物仿真工厂两个方面入手，探索了适用于地方应用型本科高校化学化工类虚拟仿真实验中心的建设之路。

虚拟仿真技术；应用型本科高校；半实物仿真工厂；仿真实训中心

作为苏北地区一所地方普通本科高校，徐州工程学院坚持地方性、应用型的办学定位，坚持"立足徐州、面向苏北、服务江苏"的服务定位和为区域经济社会发展培养高素质应用型人才的办学目标。如何实现专业链与产业链、课程内容与职业标准、教学过程与生产过程对接，成为我校在创新应用型、技术技能型人才培养过程中的一大难题。

化工行业以复杂的巨大设备和高度密集的联合体为基础，呈现出生产规模日益增大、投资消耗日益增长、自动化程度日益提高的趋势，生产过程连续不可逆，并存在高温高压、易燃易爆、有毒有害等高危险性。仅在2015年就连续发生了一个又一个化工行业的惨痛事故：2015年4月21日，南京扬子石化厂区乙二醇装置发生爆炸；6月13日南京化工园区德纳化工厂发生火灾并爆炸，4人严重灼伤； 8月12日天津港危险化学品仓库爆炸造成110多人死亡，70多人失联； 8月31日山东东营滨源化学有限公司爆炸，致13人死亡； 10月23日山东平邑县一化工厂爆炸，致9人遇难，2人受伤；11月17日抚顺市高新区伊科思化工厂发生爆炸。正是由于化工行业的高危险性，企业出于安全性考虑，更加限制学生生产现场实习的时间与空间范围，要求学生不准动、不准碰，不准“越雷池一步”，导致学生实习的参与度低、实习效果差。

虚拟仿真实验中心建设是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业和信息化技术深度融合的产物[1-3]。天津大学、华东理工大学、北京化工大学、常州大学等学校已率先开展大型化工过程虚拟仿真实践中心建设。化工虚拟仿真实践中心将书本中平面流程立体化，将单元操作的流程、实验操作视频和实验原理动画等信息生动逼真地呈现在学生面前，学生在高逼真的虚拟场景中可漫游和自由穿行，实现人机互动，大大丰富了实验教学内容[4-5]。

国内很多高职院校，在半实物仿真工厂的建设上做得很好。我们走访过的高职院校，如：扬州工业职业技术学院、徐州工业职业技术学院，分别选择常减压工艺及甲醇合成与精制工艺作为半实物仿真工厂建设内容，将半实物仿真工厂的建设与区域行业发展、专业技术人才培养紧密结合，这些经验是非常值得应用型本科高校学习的。

在以“大应用观、大工程观、大生活观、大文化观”为引领的背景下，徐州工程学院作为一所地方应用型本科高校，如何结合绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心建设，培养创新应用型、技术技能型人才，成为绿色化工技术虚拟仿真实验中心建设过程中需要认真思考、努力探索的首要问题。

1 在实训中心的建设上

实训中心的建设包括硬件建设和软件群建设两个方面。硬件建设包括环形屏幕、3D投影、计算机、局域网服务器、交换机、空调、学生桌椅等设备。硬件建设需满足学生时时能学、处处能学的特点，在这里不做过多的说明。

实训中心建设的核心是软件群建设。国内很多化学化工类高校，如：华东理工大学、常州大学、北京化工大学、天津大学、青岛科技大学，建立了完整的虚拟仿真实训体系，非常值得我们借鉴。以常州大学为例，常州大学化学化工虚拟仿真实训中心建立了原料储存与运输、化工单元实训、化工工艺流程培训、化工安全与环保等培训环节，能够完整地、系统地对学生进行工程实践能力的培训。

在建设应用型本科高校化工虚拟仿真实训中心的过程中，针对我校地方性、应用型的办学定位，结合徐州地区盐化工的特点，我们设置了化工单元过程实训、工艺流程培训、化工安全与环保培训、化工过程设计与模拟实训等四大实训板块，旨在通过四大实训板块实现创新应用型、技术技能型人才的培养。

第一部分：化工单元过程实训

资源形式：化工单元过程实体装置+三维仿真软件+网上3D预习系统。

化工单元过程实训涵盖“流体阻力”、“离心泵”、“过滤”、“传热”、“吸收”、“精馏”、“干燥”、“萃取”、“浸取”、“膜分离”、“离子交换”、“结晶”、“增、减湿”等单元操作3D仿真软件以及固定床反应器、流化床反应器、连续釜式反应器、加热炉、电动往复压缩机、蒸汽透平压缩机等3D仿真软件。

网上3D化工单元过程操作实训可实现功能有：学生可以不受时间限制，随时进行在线浏览，完成实验预习工作；可以在实验数据处理过程中再次观看实验视频，比较自己操作是否规范，并结合实验数据进行相应的讨论，找出数据不合理的原因；在观看实验报告样本之后，可以深入了解实验报告的格式和深度要求，并能了解数据的示例计算和作图的过程；可以实现人机互动，将枯燥的实验变得趣味性和人性化；可以为实验学时数较少专业的学生提供良好的网络学习平台，拓展知识面。

第二部分：工艺流程培训

化工产品种类繁多，生产工艺各不相同，选择典型的、有代表性的、有较强适应性的盐化工产品生产工艺作为流程级、规模化实训装置的实训载体是至关重要的。因而，中心选择无机化工、煤化工、有机化工、高分子、石油化工、生物化工等等方面典型的工艺进行系统的开发与建设，拟建盐化工工艺仿真软件群，包括合成氨工艺3D虚拟现实仿真软件、甲醇合成和精制工艺3D虚拟现实仿真软件、均苯四甲酸二酐工艺3D虚拟现实仿真软件、聚氯乙烯工艺3D虚拟现实仿真软件、常减压工艺3D虚拟现实仿真软件、硝基苯催化加氢制苯胺3D虚拟现实仿真软件、啤酒生产工艺3D虚拟现实仿真软件，其中硝基苯催化加氢制苯胺3D虚拟现实仿真软件可与硝基苯催化加氢制苯胺半实物仿真工厂配套使用。

第三部分：化工安全与环保培训

(1)硝基苯催化加氢制苯胺认识实习3D仿真软件

资源形式：3D仿真软件+校园网运行

该软件与硝基苯催化加氢制苯胺半实物仿真工厂配套使用，操作者在开、停车操作中可以掌握正常情况下各设备的操作要点，提高对工艺的理解；通过精细操作如操作阀门、查看仪表、开启消防栓等实现对工艺参数的控制；在事故操作中可以掌握事故处理办法及流程，加深操作者对于安全预案的理解。

(2)典型污水处理厂AAO工艺3D虚拟现实生产实习仿真软件

资源形式： 3D仿真软件+校园网运行

该软件通过逼真的3D现场操作和中控室DCS控制操作的模式完成正常工况巡检、出水总氮超标、出水总磷超标、出水COD超标、反应池曝气量调节、内回流的调节、SVI调节等培训内容，使学生掌握AAO工艺常见问题的解决办法，加深对AAO工艺及工程的理解。

第四部分： 化工过程设计与模拟实训

资源形式： 化工过程设计与模拟开发软件

化工过程设计与模拟软件主要用于化工生产过程的设计、模拟、故障诊断和管理、化工过程生产所涉及的原料及产品性质的模拟与计算，包括ASPEN PLUS、VASP及LAMMPS等软件。通过对化工过程设计与模拟的实践教学和毕业设计过程，学生能较熟练的掌握单元操作设计、工段设计、工艺流程设计以致化工厂整体设计，进行化工过程物料消耗评价、能量消耗评价、经济技术评价、环境评价等计算，加深对化工过程设计与安全系统工程的认识。

以化工设计课程为例，此课程将硝基苯催化加氢制苯胺3D软件提供的工艺流程为案例展开教学。以正常初态工况为例讲解工艺路线，以软件提供的稳态数据作为物料衡算的实例，以软件提供的动态数据作为流程及操作参数优化的实例，以软件提供的真实工厂实景为资源弥补学生工厂实际认知的不足，帮助学生理解设备与设备、设备与构筑物、设备与管道的关系，认识管廊、管架、设备、公用工程等外观形貌，开展案例教学及情景教学。

2 在仿真工厂的建设上

“硝基苯催化加氢制苯胺半实物仿真工厂”的建设是以现代大型石化生产中的典型生产工艺生产流程为依据，采用合理体现主要工艺流程，同质按比例缩小装置外形，简化内部结构，配套先进的DCS系统、仿真软件和真实动设备等措施，建成一座校内工厂化的现代化工生产实体仿真实训装置。

硝基苯催化加氢制苯胺半实物仿真工厂建设内容包括：1)硝基苯催化加氢制苯胺仿真软件(与硬件实训实操设备配套)；2)中控室设备；3)实训实操设备。其中，实训实操设备必须包括硝基苯催化加氢制苯胺实物装置和仿真检测仪表两部分。其功能要求体现在以下几个方面：

(1)实训装置主体在常压、常温下运行，无各类安全隐患，无污染，实训成本低廉。整个装置配套建设一套功能全面的可仿真模拟的先进DCS系统和工艺仿真软件，进行硝基苯催化加氢制苯胺生产工厂装置开停车、运行、故障处理过程中的调节、操作、监控等高仿真实训学习。

(2)整个实训装置可满足硝基苯催化加氢制苯胺生产的实体仿真操作培训与考核，包括工艺培训、DCS培训、事故及安全应急预案(连锁)培训等多种培训与考核内容。

(3)系统集成知识点管理系统支持移动终端(笔记本、平板、手机等)对设置于装置现场、实训展板、实训手册等载体上知识点的访问。

(4)设置精馏塔突发泄露着火情节，精馏塔的爆炸，以及中毒人员的救治等事故应急处理实训环节。实训时，将人员分工为中控操作人员、现场工人、应急救援队员、值班长等，并佩戴安全帽、防毒面具、手套等个人防护用具，进行泄漏、着火、爆炸事故过程的紧急预案以及逃生过程训练，让学生能够身临其境的熟练进行化工生产安全操作和常见事故处理，培养学生对化工安全的认识和事故应急处理能力。

3 结论

通过借鉴化学化工类本科高校及高职院校建设虚拟仿真实验教学中心的宝贵经验，结合我校的"地方性、应用型"的办学定位，探索了适合于应用型本科高校化学化工类虚拟仿真实验中心的建设之路。在仿真实训中心建设上，针对"立足徐州、面向苏北、服务江苏"的服务定位和为区域经济社会发展培养高素质应用型人才的办学目标，设置仿真实训体系；在仿真工厂建设上，选择硝基苯催化加氢制苯胺半实物仿真工厂，实现工艺培训、DCS培训、事故及安全应急预案(连锁)培训等高仿真实训学习。

[1] 李 平,毛昌杰,徐 进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索, 2013, 32(11): 5-8.

[2] 王卫国. 虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索, 2013, 32 (12) : 5-8.

[3] 宋象军. 虚拟仿真实验室在高校实验教学中的应用前景[J]. 实验技术与管理, 2005, 22 (1) : 35-37.

[4] 马文顶, 吴作武, 万志军等. 采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(9) : 14-18.

[5] 宋建争, 李建军, 张永强. 化工虚拟仿真实验教学探索与实践[J]. 教学研究，2014, 37(3) : 107-109.

(本文文献格式：王 菊*，堵锡华，史小琴，等.应用型本科高校化学化工虚拟仿真实验中心建设探索——以徐州工程学院为例[J].山东化工，2016，45(08)：118-120.)

Construction Exploration for Virtual Simulation Laboratory of Chemistry and Chemical Engineering in Applied Universities——in Xuzhou Institute of Technology Case

Wang Ju, Du xihua, Shi xiaoqin, Zhuang Wenchang

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111，China)

Virtual simulation laboratory construction is the urgent needs of training students' engineering practice ability for chemistry and chemical engineering universities, due to the characteristics of chemical industry with the high temperature, high pressure, explosive, toxic risk, and low participation in student internships. In this paper, the virtual simulation laboratory constructions of some universities and higher vocational schools have been investigated. And the virtual simulation laboratory construction of chemistry and chemical engineering has been studied, especially the simulation training center and HILS factory.

virtual simulation technology；applied university；HILS factory；the simulation training center

2016-03-10

基金项目: 徐州工程学院高等教育科学研究课题(YGJ1544)

王 菊(1979—)，女，讲师，博士，主要从事化工过程虚拟仿真研究。

G642.0

A

1008-021X(2016)08-0118-03