虛實結合的煤化工專業生產實習的教學改革與實踐*

孫 章，謝全安，陳紅萍，孫曉然

(華北理工大學化學工程學院，河北 唐山 063210)

生產實習是高校工科專業培養過程中必不可少的實踐教學環節，是鍛煉學生工程實踐能力和增強創新意識的重要途徑。然而，對于化學工程與工藝專業而言，由于化工實際生產過程存在高溫、高壓、有毒環境，具有高危性及不可控性等特征，化工實習教學面臨著“實習基地不穩地、實習內容不全面、實習深度不透徹”等多重難題，如何穩定提高生產實習的教學質量和快速改進實踐教學效果，一直是眾多地方工科院校實踐教學改革的熱點課題。

近年來，由于互聯網數字技術的迅猛發展，以及各級教育管理部門的廣泛倡導，虛擬仿真實驗和實訓逐漸成為高校實踐教學的重要組成部分，虛擬仿真實驗和實訓具有內容層次豐富、安全環保綠色、教學效果顯著、運行成本低廉等優點[5]，是地方特色高校提升實踐教學質量的重要途徑。我校于2014年設立了“化工虛擬仿真實驗教學中心”[9]，建設以煤化工為特色的虛擬仿真實踐教學平臺，本文借助于本中心以焦化為核心的虛擬和半實物仿真工藝，探索新型教學模式，以培養具有工程素養和創新思維的應用型人才為目標，在教學內容、實踐環節、考核方式等方面進行“三階段教學模式”改革。經過幾屆化工專業學生的實踐，我們的“三階段”教改實踐顯著提升了我校工程實踐教學的層次，多方面鍛煉了學生的化工實踐能力，增強了學生的工程素養，有利于培養高質量的創新型化工技術人才。

1 目前化工生產實習面臨的困難

(1)煤化工實習基地難找

河北是焦化生產大省，焦化企業很多，但是愿意接納實習的工廠較少，因為焦化生產是連續性工藝，焦爐一天都不能停，焦化企業本身擔負著生產重任，大批本科學生入廠實習既影響生產工作又帶來安全隱患，導致焦化企業不太愿意接待高校學生進行生產實習，所以生產實習難以得到企業的接納和配合。多年以前，工廠允許學生進行頂崗實習，分組進入車間、熟悉流程、了解設備，并且能與技術人員實時請教，然而近年來焦化企業的生產安全管理逐步正規化和嚴格化，為了保證安全生產，焦化企業已不再接納臨時實習人員。因此，本科學生接觸工廠生產現場的實習機會越來越少。

(2)實習內容走馬觀花

現代煤化工具有高度集成、連續生產、自動運行等特點，焦化企業又具有易燃爆、高溫壓、有毒害的高危屬性?？紤]安全因素，學生進入工廠后首先在會議室聽取生產工藝流程講解，再由技術人員在生產現場外圍觀摩，嚴禁動手操作。所以，學生無法親身體驗焦化工段的開停車以及生產事故處理，缺乏鍛煉動手能力的機會，分析和處理生產中出現問題的訓練為零。這樣的實習內容逐漸淪為形式化，根本達不到提高學生工程實踐能力和創新思維的目的，實習的效果較差，成為形式大于內容的走馬觀花式的實習。

(3)學生實習熱情不高

生產實習是一門實踐性很強的課程，但大部分學生對生產實習的目的和意義認識不足，在實習過程中缺乏主觀能動性。學生度過初入工廠的新鮮感后，就會被動地聽技術人員的講解和隨機瀏覽，以致實習熱情不高。焦化企業中有很多易燃、易爆、高溫、有害的生產裝置，具有一定的危險性，而且有一定的異味，部分學生存在恐懼心理和抵觸情緒，不愿深入了解生產實習，也影響了生產實習的效果。

針對以上長期困擾我校化工生產實習教學的難題，改觀實踐教學現狀，迫切需要引入先進的教學資源和教學手段，進行化工專業生產實習方式的創新和改革，推進實習內容的廣度和深度，著力提高生產實習的教學質量。我們將本校的“化工虛擬仿真實驗教學中心”的煤化工虛擬和半實物仿真工藝資源引入生產實習內容，在教學內容、實踐環節、考核方式等方面探索了“三階段教學模式”的改革與實踐，激發學生學習熱情和鍛煉學生實踐能力。

2 教學改革實踐與探討

(1)仿真實訓資源建設

2014年，本校建立化工虛擬仿真實驗教學中心，為了突出本?；I的煤化工特色，我們首先和商業公司合作共同開發了一套配煤煉焦三維虛擬仿真工藝實訓軟件(見圖1)，將卸煤、配煤、裝煤、煉焦、推焦等煉焦車間的各個工段以三維虛擬場景呈現；然后又購置了甲醇生產三維虛擬仿真工藝實訓軟件(圖2)，開展安全教育和仿真操作實訓，最后購買了可視化煤氣凈化工藝玻璃仿真裝置(圖3)，把煤氣凈化的鼓冷、脫硫、脫氨、脫苯、蒸苯等工段流程以玻璃仿真模型呈現，實現主體設備和管線的可視化。目前，我們已建成以配煤-煉焦-煤氣凈化-甲醇為產業鏈的煤焦化仿真實訓系統。

圖1 配煤煉焦三維虛擬仿真工藝截圖Fig.1 The screenshots of 3D virtual simulation coal blending and coking process

圖2 甲醇生產三維虛擬仿真工藝截圖Fig.2 The screenshots of 3D virtual simulation methanol production process

圖3 可視化煤氣凈化工藝仿真裝置Fig.3 Visual simulation device for the purification process of coke-oven gas

(2)仿真實訓內容規劃

本專業的生產實習兩周分為校內實習和校外實習，改革前的校內實習主要以參觀40 kg實驗焦爐和煤氣化合成氨工藝微型模型為主，內容較少，學生的積極性不高，而且與校外實習的生產工藝相關性較差。為了提高實習效果，提高學生的學校興趣和積極性，將本校的“化工虛擬仿真實驗教學中心”的仿真實訓系統(配煤煉焦三維虛擬仿真軟件、甲醇工藝三維虛擬仿真軟件、可視化焦爐煤氣凈化實訓裝置)引入生產實習教學，調整后的實習安排如表1所示。調整后的校內實習教學內容新穎，與校外工廠實習內容結合更緊密，將工廠實踐和仿真實訓相互融合與拓展，調動學生的積極性，教學效果顯著改善。

表1 化工生產實習安排Table 1 Arrangement of chemical production practice

(3)教學模式的改革

為了提高學生工程與創新能力，適應現代煤化工發展對應用型人才的需求，創新“虛實結合”的化工生產實習模式(圖4)，以焦化工藝過程為核心的實踐內容分為三階段進行。

圖4 三階段“虛實結合”的實習教學模式Fig.4 Three-stage practice teaching mode with “virtual-real combination”

第一階段為仿真軟件實訓。以焦化和甲醇工藝虛擬仿真實訓教學平臺為基礎，以逼真的三維場景和生動的角色情節設計，讓學生對迅速的對焦化生產的安全要求和工藝技術有更深刻的理解。從安全教育入手，再逐漸深入到工藝、儀表、設備等專業的知識和技能，通過故事情節，觸發學習的任務(即知識點)，從而完成認識、實習和考核等多重任務。通過虛擬仿真實訓過程，鍛煉學生分析問題并提出解決方案的能力，引導學生發散思維、勇于創新。

第二階段為仿真模型操作。依托可視化煤氣凈化仿真裝置，開設鼓冷、脫硫、脫氨、脫苯、蒸苯五個工段的實驗操作，模擬焦爐煤氣凈化的全過程，讓學生進行動手實操，觀察料液在管線和設備中的流動狀態，透徹理解煤氣凈化工藝過程。通過半實物仿真實訓過程，鍛煉學生的動手實操技能，強化學生的煤化工生產概念，加深學生的工程思維認知。

第三層為工廠現場實習。在生產實習基地，由企業安排一些工程師或技術員講授有關的安全知識和各個工段的生產工藝等，然后分組參觀備煤、焦化、凈化、甲醇和精苯車間，技術員現場講解工藝和現場解答，使學生全面了解煤化工產業鏈的生產過程、企業的管理措施與市場狀況。通過工廠實踐過程，使學生鞏固課堂所學的理論知識，樹立煤化工生產的工程意識，具備一定的工程素養。

通過三階段“虛實結合”的實習教學，調動了學生的積極性，激發了學生的創造性，不僅鍛煉了學生的動手技能，而且增強了學生的工程素養，從而培養學生的創新思維。

(4)考核機制的改革

傳統的實習考核主要以實習表現和實習報告為主，改革前本專業生產實習考核增加了實習記錄環節，考核學生實習過程的學習認真程度，但是仍然不能全面評價學生對實習過程的掌握程度。因此，我們將仿真實訓引入實習教學內容后，增加回答問題、動手操作、實習測試等考核環節(表2)，考評學生對實習內容的掌握程度，杜絕學生走馬觀花式的實習思想。通過實習表現、實習記錄、回答問題、動手操作、實習測試、實習報告六環節考核模式改革，綜合評價學生對“虛實結合”的煤化工生產過程的理解程度，將過程考核與終端考核相結合全面評估學生對生產實習的認知，達成提升學生實踐能力和工程意識的目標。

表2 化工生產實習考核模式Table 2 Assessment mode of chemical production practice

3 結 語

生產實習是培養學生工程實踐能力的必不可少實踐教學環節，將仿真實訓引入實習過程，開展三階段“虛實結合”的實習教學模式改革，通過我?；I2014-2016級學生的實踐證明，本次教學改革收效顯著，三階段的教學模式強烈的激發了學生的興趣，調動學生的主觀能動性，訓練了學生的動手技能。學生的實踐認知、工程意識和創新思維等多方面素質得到了提升。然而，生產實習教學改革是一項與時俱進的任務，我們將不斷完善實習內容和考核體系與質量監控體系，建設多樣化的實習基地和煤化工仿真工藝，培養真正的適應社會快速發展需求的應用復合型人才。