基于智能仿真工廠的材料類專業生產實習模式探索

喬　寧，　劉驥翔，　石淑先，　蘇海佳，　張玉良

(北京化工大學，a.材料科學與工程學院；b.教務處，北京 100029)

0　引　言

對于工科院校的學生而言，生產實習是大學階段主要能進入企業生產一線，近距離觀摩學習生產過程的教學環節，也是鍛煉學生工程能力、創新能力的重要實踐性環節。我校材料科學與工程專業主要培養具有較寬的基礎知識和專業知識，通曉材料設計、合成、組成、結構與性能之間關系的基本規律，在金屬材料與表面工程、無機非金屬材料和碳及復合材料等領域從事科學技術研究、生產應用研究與經營管理的全面發展型人才。生產實習作為材料科學與工程專業重要的實踐課程，通常安排在第七學期初進行，此時學生已學完全部的專業基礎課程和大部分專業課程。因此，生產實習對于加深學生對于專業知識的理解，增強學生對專業的感性認識，培養學生分析和解決問題的能力具有重要作用。然而，隨著自動化程度加深，生產裝置不斷大型化和復雜化，生產企業，特別是化工企業接待學生實習已經淪為了“現場參觀學習”，學生無法真正參與到生產過程，學習效果大打折扣[1]。針對這一普遍問題，我校于2012年開始籌建虛擬仿真實驗教學中心，2015年建設投用了以丙烯酸甲酯仿真工廠為基礎的“化工產品全生命周期國家級虛擬仿真實驗教學中心”。本文以此作為依托平臺，結合材料科學與工程的專業特色，對傳統模式的生產實習進行改革，構建了適應當前形勢的以提高學生綜合素質為前提的生產實習新模式。

1　傳統生產實習模式存在的問題

材料科學與工程專業的生產實習通常是組織學生進入到生產企業，再由企業安排分到各個生產班組中跟班進行生產，這種模式曾經對培養學生的動手能力，增加學生對專業知識的理解和掌握發揮了重要作用。然而，隨著科技更新，社會進步，生產企業和高校均發生了很大的變化，這種傳統生產實習模式面臨巨大的困難，教學效果難以實現。

(1) 實習內容縮水為“參觀”[2-4]。一方面化工企業發展為以復雜的設備和高度密集的聯合體為基礎，生產從過程控制轉向了集散控制系統(DCS)控制。可以說，現代化的化工企業生產都集中在中央控制室完成，原材料的配送與反應、產品的輸送與包裝都是在密閉的裝置中進行的，裝置作業面正常情況下是無人的；另一方面，大學的擴招使得材料科學與工程專業學生人數不斷增加，傳統生產實習模式危險性大，占用時間多等弊端使得企業從生產任務和安全角度著想，不愿接待學生實習，即使接待，往往也只安排參觀性實習。即使是“參觀實習”，也只允許學生在遠處觀看，不能近距離接觸裝置區，使實習的深度和廣度大為下降。

(2) 實習經費不足[5]。在市場經濟環境下，企業注重生產，追求經濟效益，實習費對企業來說意義不大，但對于高校和學生來說，實習費用的不斷上漲已經成為了沉重的負擔。為此很多高校采用了減少實習時間，改進廠實習為查閱資料、請專家講座等形式來節省費用。但是這樣的安排使學生參觀式的實習更加停留于表面，無法真正了解企業生產工藝和關鍵設備。

(3) 實習效果不佳[6-8]。隨著化工和材料的持續發展，環保的要求越來越高，目前企業的生產過程基本為封閉化操作，因此參觀實習很難讓學生目睹整個生產工藝流程，了解生產進程。此外，生產現場噪音巨大，技術員的講解很難讓每位學生聽清楚，加大了學生與生產的距離，導致學生學習興趣不高，實習效果不佳。

上述傳統生產實習模式現狀和存在的問題是在整個工科院校中普遍存在的，若這些問題長期無法解決，勢必造成學生所學理論知識與生產過程中的實際問題脫節愈發嚴重。針對這一現狀，很多工科院校先后進行相關的生產實習教學改革探索，如與國有企業合作，建立穩定的實習基地；建設校內實訓基地等等，均已取得了一定的成效[9-13]。

2　生產實習新模式的建立

為了培養適應現代工業發展趨勢的工程人才，解決學生在生產實習等實踐環節中存在的“門難進，手難動”等實際問題，我校建設了全生命周期校內工程實訓基地。實訓基地于2015年建成投入使用后，材料科學與工程專業以此為基礎，通過優化教學內容和強化教學效果兩方面入手，構建了本專業生產實習的新模式。

2.1　教學內容的優化

材料科學與工程專業的生產實習共3周，改革前的教學內容包括“企業參觀實習”“科研院所參觀”和“專家講座”幾個主要內容。在校內實訓基地投入使用后，材料科學與工程專業的生產實習據此進行了教學內容優化，增加了“校內仿真工廠”的工藝流程和設備認知、核心設備的開停車操作等方面的內容。優化后的教學內容主要包括：

(1) 國有大型化工企業的參觀實習。為保證學生能夠通過實習了解我國當前化學化工行業水平，選擇與專業相關的大型國有企業作為定點參觀企業。自材料科學與工程專業成立之后，已經先后與北京燕山石油化工有限公司，唐山三友化工有限公司等企業建立了良好的合作關系，成立了實習教學基地。

學生首先進入這些化工企業參觀實習，通過企業技術人員、帶隊老師的講解和對裝置設備的現場參觀，認識化工企業的生產工藝和核心設備；通過與企業技術人員的交流，了解本專業在生產過程中的地位和作用，結合專業課程教學，實現從理性到感性知識的轉化，完成理論與實踐的結合。

(2) 校內實訓基地的仿真實習。校內實訓基地以多用途半實物仿真工廠為依托，采用典型的“丙烯酸甲酯合成與精制”化工流程，包括丙烯酸和甲醇的酯化反應、丙烯酸的分離回收、甲醇的分離回收、以及丙烯酸甲酯的分離和精制等工藝過程。整體可分成10個框架，每個框架中含有一個主體設備(反應器1座、塔7座、薄膜蒸發器1座、產品罐1座)及與之相匹配的附屬設備(換熱器、機泵等)。設備的外觀、功能、安裝方式等與真實的生產設備一致。在真實的反映了工廠實際操作流程基礎上，無實際物料運行，學生可以進行多次、反復的觀看和接觸，了解和掌握化工生產的工藝流程；能觀察設備的運行方式，以及相互之間的連接方式；能夠從直觀上對各種設備的工作機理、作用進行判斷，進而使學生能夠深度參與到生產的各個環節。此外，仿真工廠利用真實工業DCS系統和仿真系統，保證了學生可以在電腦上模擬控制生產的進程，包括開、停車操作和故障排除等，能夠全面培養學生的工程實施能力和生產操作能力。

更為重要的是，仿真工廠包含了各類典型的化工單元設備，如反應器、精餾塔、冷卻器、換熱器、輸送泵等，與真實工業化生產工藝裝置和設備僅僅是比例上的縮小。學生可以進入裝置區根據工藝流程圖去“走流程，摸設備”，真正意義上去認識生產過程中的“三傳一反”，即流體的動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞，以及生產過程的化學反應。還可以利用仿真系統進行反應過程、分離過程的實訓，進行典型單元的基本技能操作訓練，熟悉化工工藝操作過程和儀表設備的維護使用，熟悉開停車過程和進行一般事故的處理，這是現場參觀實習方式所不能實現的。

(3) 科研院所參觀與專家講座。在經過了真實化工企業參觀+校內實訓基地實習之后，學生對國內化工企業的生產工藝和發展現狀有了充分的認識和了解。以此為基礎，安排學生進入本專業相關的科研院所進行學習，聘請本領域專家為學生舉辦講座。科研院所參觀和專家講座兩項內容，可以幫助學生了解專業領域的最頂端科技水平，明確專業發展方向及趨勢，對于學生充分認識自身專業特點和確定未來方向具有重要的作用。

2.2　教學效果的強化

生產實習作為重要的實踐教學環節，必須與各個方向的專業理論知識相結合，才能加深學生對所學專業知識的理解，更好地掌握專業課知識，提高學生分析問題與解決問題的能力，強化實踐教學效果。基于此，包含金屬材料和無機非金屬材料兩個方向的材料科學與工程專業基于校內實訓基地的丙烯酸甲酯”仿真工廠，構建了涵蓋方向特色的生產實習模式。

(1) 工藝流程的學習。兩個方向均應在生產實習教學中對生產工藝流程進行學習，但掌握程度不同。金屬材料方向的研究側重于設備的材質、結構及其與環境介質之間存在的腐蝕問題和防護措施。無機非金屬材料方向的研究則側重于產品的生產工藝路線。金屬方向僅要求了解丙烯酸甲酯制備的酯化反應，主體設備內的物料流向，未反應原料的回收路徑等基本內容。而無機非金屬方向則以工藝流程作為重點內容，結合“化工原理”“物理化學”等課程，配合“三傳一反”內容，掌握從原料到成品的各階段變化。

(2) 關鍵設備的學習。金屬材料方向以生產設備為重點，生產實習指導教師可著重介紹反應釜、精餾塔、離心泵、換熱器等設備所用材質和設計結構特點，進而確定其涉及的腐蝕問題和耐蝕措施。如離心泵產生“氣蝕”的原因和解決措施，換熱器的管程、殼程物料的選擇，精餾塔塔板材質及可能的酸腐蝕等內容。結合金屬腐蝕與防護學、金屬學、材料合成制備與加工等專業課程，邊講解邊讓學生在仿真工廠中對應相應的設備及管路進行學習。無機非金屬材料方向則可僅要求學生認識各種典型化工設備，了解其在生產中的作用。

(3) 設備開、停車操作的學習。這是實訓基地仿真實習中最重要的動手機會，是學生在熟悉工藝流程和主體設備基礎上，利用模擬實際生產DCS控制系統的仿真機，完成準備、進料、加熱、反應、循環、回收等工序，最終實現穩定生產的實際操作訓練。金屬和無機非金屬兩個方向均要求掌握主體設備的開車和停車操作，可將學生按小組(4～6人)分工為控制室內操作和控制室外操作，其中室內操作負責DCS控制系統和仿真系統的操作，室外操作負責裝置閥門的操作，互相配合按步驟熟練完成開、停車操作。

經過上述三方面的學習后，學生能對專業課程與生產實際的聯系有更深層次的認識和提高，同時也對工科學生了解現代化企業生產操作具有重要作用。

2.3　新模式生產實習的教學效果

自2015年校內實訓基地投入使用后，材料科學與工程專業的生產實習隨之進行了改革，教學內容增加了“校內仿真實習”，帶隊教師先后參加了培訓，掌握了仿真工廠的生產工藝流程及主體設備仿真系統開、停車規范。在學校和學院的大力支持下，經過近2年的摸索研究，形成了完善的生產實習新模式。取得了明顯的教學成效。

(1) 確保了生產實習教學質量，提高了學生學習的積極性。根據近2屆進行了校內實訓基地仿真實習的學生問卷調查，有90%以上的學生認為這種生產企業參觀+仿真實習對于理解專業知識、熟悉生產工藝、掌握設備結構具有重要的作用和意義。在仿真實習中學生的積極性和能動性均較以前有了顯著的提高，能夠主動完成實習任務，發現和解決相關問題。

(2) 根據優化后的實習內容撰寫了新的生產實習教學大綱，并與北京燕山石油化工有限公司合作編寫了生產實習指導書[14]。

(3) 通過參加培訓，指導學生進行仿真實習等鍛煉，建設了一支適應工程人才培養要求的教師隊伍。

3　結　語

隨著科技生產力的不斷進步，生產實習作為高校重要的實踐環節面臨了諸多問題，因此改革傳統生產實習模式已勢在必行。材料科學與工程專業以校內“丙烯酸甲酯”仿真工廠為依托平臺，采用“企業參觀+校內實訓”為核心，結合專業特色，強化實習效果為關鍵所建立的生產實習新模式，經過近2年的摸索與實踐，正在逐步付諸實施并初見成效，這對于培養具備材料專業理論知識和實踐技能的復合型人才具有重要意義。

參考文獻(References)：

[1]向朝進，程虹. 新形勢下材料專業生產實習的教學改革與思考[J]. 廣州化工，2014，42(18)：218-219.

[2]羅林. 金屬材料工程專業生產實習質量的探究[J]. 山東工業技術，2015(10)：118-119.

[3]仵海東，劉筱薇，曹鵬軍. 金屬材料工程專業的生產實習教學[J]. 中國冶金教育，2011(5)：56-58，60.

[4]萬明攀，田琴，李遠會，等. 材料科學與工程專業生產實習教學探討[J]. 陜西教育，2010(1-2)：188，191.

[5]謝昭莉，李楠，鄭潔，等. 對工科類專業實踐教學模式改革的思考[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(11)：452-455.

[6]都昌滿. 高校學生實習：問題分析與解決途徑[J]. 高等工程教育研究，2010(6)：144-149．

[7]高炳軍，董俊華，魏峰．新形式下高等工科院校生產實習存在的問題與對策[J]．化工高等教育，2011，28(2)：28-30.

[8]李建楠，劉玉峰，李春暉．校外實習基地建設與管理中的困境及對策[J]．實驗技術與管理，2009(9): 152-154.

[9]劉玉榮，張進，涂銘旌，等. 材料工程實習實訓基地建設的探索與研究[J]. 實驗科學與技術，2013，11(5): 144-146.

[10]姚路路，魏鳳玉，崔鵬，等. 校內化工實習實訓基地的教學實踐[J]. 實驗技術與管理，2010，27(3): 165-167.

[11]李遠會，張曉燕，向嵩，等. 加強校外實習基地建設提高實習教學質量[J]. 實驗室研究與探索，2009，28(6): 150-152.

[12]王瑞蘭.依托校外實習基地，培養大學生工程實踐能力[J]. 實驗室研究與探索，2011，30(4)：144-145，171.

[13]宋強，胡亞茹，李兆鋒，等. 適應工程教育實踐認證的材料類生產實習模式構建[J]. 實驗室研究與探索，2016，35(12)：219-223.

[14]石淑先，喬寧. 石油化工生產實習指導書[M]. 北京：化學工業出版社，2016.