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计算机仿真技术在高职化工教学中的实践与探讨

2010年第2期(总第135期)
卢 俊,陈福北(广西工业职业技术学院石油与化学工程系,广西 南宁 530001)
 
   【摘 要】 将计算机仿真技术运用到化工教学中去,模拟真实的化工过程、化工生产环境,有利于调动学生的学习积极性,提高学习效率和学习兴趣,同时优化了化工类实训与实践环节的教学过程,有助于对学生综合能力以及化工实际操作技能的培养,为发挥学生的能动性创造了更好的条件,从而有效地提高了教学效果。
  【关键词】 计算机;仿真技术;高职;化工单元操作
 
  计算机辅助教学是当今教育领域的重要内容,是实现教育现代化的重要手段。计算机仿真技术应用于教学是教育技术发展的一个飞跃[1]。仿真教学是以仿真技术为基础、仿真操作系统为工具,用实时运行的动态数学模型代替真实装置进行教学的一种崭新的教学理念。化工仿真技术的应用,对提高教育技术水平、改善实训实训环境、优化教学过程、培养具有创新意识和创新能力的人才,产生了深远的影响。它可以解决很多常规教学手段无法解决的问题, 在提高学生的实际动手能力方面有着得天独厚的优势[2]。近几年,我们引进北京东方仿真有限公司计算机仿真技术用于“化工单元操作实训”课程及化工类学生的“化工生产实习”等实践性教学环节,取得了一定的效果,现将方法与结果报道如下。
 
1 仿真教学在化工单元操作实训中的实践
  “化工单元操作实训”既是“化工单元操作技术”课程教学的重要组成部分,也是一门独立的专业基础课程。对于高职院校化工类的学生来说,工程概念的培养是十分重要的。而“化工单元操作实训”很多项目是接近中试装置规模进行的,比以往所学各课程的实训更接近于生产实际,可以说,“化工单元操作实训”是培养学生工程概念的重要环节之一。 但是近年来,由于高校扩招,在校学生的大幅度增多,使得人均实训套数越来越少,由于每套实训装置分配的人数较多,这样每位学生都有机会对实训的每个环节进行实践、操作与观测的可能性变得越来越少,所以也就很难要求每位学生都能很好地了解装置的特性。再者,由于部分学生在实训之前没有很好的预习,对实训的目的、装置的流程及操作步骤等不是十分清楚,以至在上装置操作时,往往手忙脚乱,对一些实训现象不能作全面的、细致的观察、记录和分析;有的甚至贪图省事,课后抄写同学的实训报告,草率从事,为此很难达到预期的实训效果。这种现象从教师平时的提问、实训报告以及实训课程的考核等环节中很容易体现出来。
  为了使每位学生在上装置之前,对实训目的、装置的特性及操作步骤等  都有一个全面的了解。从2004年开始我们引进了仿真教学软件,该仿真教学软件内容涵盖了流体流动、离心泵操作、套管换热器的传热、固体的气流干燥、填料塔的气体吸收及液体精馏六个基础实训,这些实训覆盖了化学工程的传热、传质及动量传递等内容。软件可以逼真地模拟以上各个实训装置的动态特性及开停工操作过程。该仿真实训系统是建立在强大的DCS功能基础之上,不仅有良好的人机界面,完善的组态功能,还可以将各种复杂的关系组态到各个环节中去,节省了大量的数据处理所需的时间,软件直接可以把计算结果快速地显示在流程画面上,同时将结果保存在记录文件中便于查看、校对。学生可以利用系统冻结、快门重演、储存和加载、显示加快和减慢等示教功能进行实训操作,对实训结果进行分析,为学生充分了解实训原理、操作方法及装置特性等提供了良好的仿真环境。
  引进了仿真教学软件后,在化工单元操作实训中,在上真实装置操作之前,学生先在仿真机上进行模拟操作,对实训装置的流程、操作规程、动态特性及操作注意事项等了解透彻,然后将仿真结果应用于真实装置,由此收到了明显的教学效果。引入实训仿真教学系统这一先进的教学手段后,从学生在真实装置上的操作熟练程度、考试及书面测试等情况看,实训成绩比前几届(没有进行仿真教学)有较明显的提高。
 
2 化工单元仿真在辅助化工生产实习教学中的探讨
  在仿真技术尚未出现之前,对于化工生产实习,学校只有下厂实习这一条路可走。但是在实际工作中,由于化工生产过程连续性,工厂正常运行的设备都是密闭的,无法看到内部结构、运转工况;工厂由于顾及安全和效益,一般不允许学生动手操作,因此下厂实习效果普遍不好[3]。再者学校由于经费紧张,难于承受大量的实习费用。学生实习难、实习效果差已成为长期困扰学校的普遍性问题。仿真实习可以使学生不进工厂就能得到装置的开车、停车和事故处理操作机会,所以说仿真实习技术是解决以上难题的最佳选择和理想方法。目前,仿真实习技术已成为一种公认的高效现代化教学手段。
  为了加强仿真实习的教学效果,我们采用了先下厂实习后仿真训练的教学方式。对于从未见过真实化工过程的学生而言,仿真实习前先到工厂进行短期认识实习是十分必要的。通过认识实习,可以了解各种化工单元设备的结构特点、空间几何形状、工艺过程的组成、控制系统的组成、管道走向、阀门的大小和位置等,使学生建立起一个完整的、真实的化工过程概念。然后在下厂认识实习、熟悉流程和开停车规程的基础上,进入仿真实习阶段。为了达到较好的仿真实习效果,我们遵循人的认知过程,由常见的典型化工单元操作开始,经工段级的操作实习,最后进行大型复杂工业过程的开、停车及事故仿真实习。
  对于复杂的全流程仿真实习,为了提高仿真实习效果,我们在仿真实习之前还采用了授课的方式使学生对将要仿真实习对象的工艺流程,包括设备位号、检测控制点位号、正常工况的工艺参数范围等进行详细的了解。同时采取书面流程图填空的方法进行测验,以便了解学生对工艺流程的掌握情况。实践证明,如果不进行以上内容就直接开始仿真实习,学生会无从下手,教师会面临学生的众多提问而忙乱不堪,反而达不到预期的教学效果。
  经过五届学生的先下厂、后仿真实习的教学实践,我们感到教学效果明显提高。一方面,由于下厂实习结束后还需进行仿真实习,因此学生在下厂实习期间,他必需对实习的对象有很深刻的了解和全面的掌握;另一方面,学生下厂回来后在仿真机上进行仿真实习,使学生更深入地了解化工过程系统的操作原理,锻炼了学生掌握复杂控制系统的投运和调整技术,提高对复杂化工过程动态运行的分析和决策能力,使学生真正掌握化工过程的特性和基本操作技能。
 
3 结束语
  (1)随着计算机技术的飞速发展,给高职教育带来了新的教学模式和教育观念,将计算机仿真技术运用到化工高等教学中去,模拟真实的化工过程,带给学生“真实”的化工生产环境,不仅可以调动学生的学习积极性,同时也使他们的学习过程和学习方式更具个性化,既提高了学习效率,又优化了化工类实训与实践性环节的教学过程[4],从而摆脱了传统“填鸭式”教学法的束缚,有助于对学生综合能力以及化工实际操作技能的培养。
  (2)计算机仿真技术作为一种先进的实训(实习)教学手段,与其它的理论教学环节及实训(实习)操作环节如何有机的结合,是一个尚无现成经验可循的、需要在实践中不断摸索总结的课题。如何充分发挥仿真教学系统的长处,笔者在教学实践中感到,仿真系统在实训原理及实训步骤的动态演示,教与学的交互性,练习及实训总结的易评估性等方面有着一般课堂讲解难以达到的效果;而在阐明实训的物理意义,分析实训现象及实训中难点、要点的提示等方面课堂讲解一般效果会更好。具体到某个实训,两者如何结合又须具体分析,因此,要求教师在课前充分掌握仿真系统中所做实训的全部信息,了解软件的设计思路,根据实训的不同情况设计最佳的结合方式,有针对性地进行教学就显得尤为重要。
  (3)人类接受知识的过程是一种多通道综合作用的过程。这些通道主要有感觉通道、运动通道和思维通道。传统的教学方法只利用了较少的通道,如视觉、听觉等,因此教学效率不高。仿真训练是一种多通道综合作用的教学方法,学生置身于仿真环境之中,可以充分调动感觉通道,运动通道和思维通道的学习机能,接受知识的效率明显提高。此外,仿真训练系统是一种能够充分发挥学生创造意识的环境,学生可以在没有教师的情况下自学,并反复试验自行设计的开车方案、停车方案和事故排除方案。因而仿真训练可反复进行,直到将所学知识烂熟于心。
  (4)仿真训练对于学生了解化工过程的工艺和控制系统的动态特性、提高对工艺过程的运行和控制能力具有特殊效果。这种运行、调整和控制能力集中反映了学生运用理论知识解决实际问题的水平。所以,仿真训练是运用高科技手段强化学生掌握知识和理论联系实际的新型教学方法。随着信息时代的到来,仿真技术将会成为改革传统的高职化工类教学方法的一种重要手段。
 
参考文献
[1]王玉强.仿真在化工职业教育中的应用[J].辽宁教育行政学院学报,2006,23(4):49-50.
[2]吴赛苏.化工仿真实训教学在应用技术人才培养中的开展与作用[J].广东化工,2008,35(4):113-115..
[3]包巨南,黄铃.论化工仿真教学在高等职业教育中的应用[J].山东化工,2009,38:46-48.
[4]程志刚.化工仿真在高职教学中的应用[J].内蒙古石油化工, 2006,8:21-22.
 
 
作者简介:卢俊(1973-),男,广西合浦人,工程师,实训师,主要从事化工方面的教学与实践工作。
   
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