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1教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題

華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院化工仿真實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有50臺(tái)計(jì)算機(jī)，由于仿真實(shí)習(xí)的學(xué)時(shí)所限，采用3種化工過程典型單元、工段仿真軟件，分別是加熱爐、65t/h鍋爐、30萬t/a合成氨轉(zhuǎn)化工段。面向的學(xué)生有化學(xué)工程與工藝、制藥工程、能源工程、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生。由于該門課程所涉及的專業(yè)較多，學(xué)生之前所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)不同，教材中所介紹的仿真實(shí)習(xí)內(nèi)容較為簡單，對(duì)實(shí)習(xí)任務(wù)的一些相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)沒有提及，比如控制系統(tǒng)，學(xué)生不能很好地理解所敘述的仿真實(shí)習(xí)任務(wù)。學(xué)生在仿真操作過程中出現(xiàn)趕進(jìn)度、急于求成的現(xiàn)象。為了解決教學(xué)過程中存在的問題，需要對(duì)《仿真實(shí)習(xí)》課程進(jìn)行教學(xué)改革，以期提高教學(xué)效果。

2增加化工過程控制系統(tǒng)內(nèi)容

由于應(yīng)用化學(xué)、制藥工程專業(yè)的學(xué)生沒上過化工過程控制系統(tǒng)的內(nèi)容，化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生只有少部分學(xué)生選修過化工過程控制系統(tǒng)。學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的給定值、當(dāng)前值、調(diào)節(jié)閥的開度、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制這些內(nèi)容不理解，不能很好地設(shè)定調(diào)節(jié)器。而在仿真實(shí)習(xí)操作過程中需要充分了解化工過程控制系統(tǒng)的內(nèi)容，才能很好地進(jìn)行控制系統(tǒng)的投運(yùn)。因此，我們在課程教學(xué)中增加化工過程控制系統(tǒng)的內(nèi)容，并且所舉的例子是以仿真實(shí)習(xí)中的控制系統(tǒng)為例，比如65t/h鍋爐中的蒸汽壓力控制系統(tǒng)，合成氨轉(zhuǎn)化工段中汽包水位串級(jí)控制系統(tǒng)和石腦油流量、水蒸汽流量的比值控制系統(tǒng)。以控制系統(tǒng)流程圖、控制系統(tǒng)方塊圖來加以說明。教學(xué)中增加過程控制系統(tǒng)的內(nèi)容，使學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)仿真實(shí)習(xí)中出現(xiàn)的每個(gè)控制系統(tǒng)，了解每個(gè)控制系統(tǒng)的被控變量、執(zhí)行器以及調(diào)節(jié)器的投運(yùn)等，使學(xué)生在調(diào)節(jié)過程中得心應(yīng)手。

3增加AspenPlus流程模擬內(nèi)容

化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的目的是通過對(duì)某一化工系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，利用對(duì)數(shù)學(xué)模型的求解，研究這一化工系統(tǒng)的整體穩(wěn)態(tài)特性，即通過穩(wěn)態(tài)過程模擬，分析系統(tǒng)中各單元輸入、輸出物流，設(shè)備結(jié)構(gòu)產(chǎn)生和操作參數(shù)間的關(guān)系及對(duì)系統(tǒng)整體特性的影響。AspenPlus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國能源部20世紀(jì)70年代后期在麻省理工學(xué)院（MIT）組織的會(huì)戰(zhàn)，開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項(xiàng)目稱為“過程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”（AdvancedSystemforProcessEngineering，簡稱ASPEN），并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為AspenPlus[5]。該軟件經(jīng)過不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了多個(gè)版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬計(jì)。全球各大化工、石化、煉油等過程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司都是AspenPlus的用戶。仿真實(shí)習(xí)中增加自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新內(nèi)容——化工過程流程模擬軟件AspenPlus及其操作步驟。利用當(dāng)今最流行的AspenPlus軟件，學(xué)生可以自己組建一個(gè)生產(chǎn)流程、輸入物料組分、流量以及溫度、壓力、優(yōu)化等實(shí)驗(yàn)條件，通過計(jì)算得到結(jié)果，完全按照學(xué)生的意愿進(jìn)行。并舉了幾個(gè)例子（如：混合氣體的冷卻過程模擬實(shí)驗(yàn)、閃蒸過程模擬實(shí)驗(yàn)）介紹AspenPlus的功能，學(xué)生按照書上的步驟即可模擬運(yùn)行過程流程。這是對(duì)化工過程仿真的一個(gè)有益的補(bǔ)充，使學(xué)生能全面把握化工過程的仿真、流程模擬。

4集中授課模式改為分散授課模式

在課程改革之前，采用集中授課模式，該模式是采用教師集中授課，講授仿真實(shí)習(xí)界面的功能，三個(gè)仿真實(shí)習(xí)任務(wù)的目的、原理、流程走向、設(shè)備結(jié)構(gòu)，仿真操作的一些注意事項(xiàng)，評(píng)分考核等內(nèi)容，把所有的內(nèi)容講授完后，由學(xué)生自行操作，教師輔助指導(dǎo)。由于三個(gè)仿真實(shí)習(xí)任務(wù)的流程多而雜，相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)比較多，這種集中授課模式直接導(dǎo)致學(xué)生一下子難于掌握老師所講的所有內(nèi)容。當(dāng)學(xué)生做加熱爐仿真實(shí)習(xí)任務(wù)的時(shí)候，由于該任務(wù)比較簡單，流程也簡單易懂，可以很好地完成該項(xiàng)實(shí)習(xí)任務(wù)，但到65t/h時(shí)鍋爐和30萬t/a合成氨轉(zhuǎn)化工段的時(shí)候，由于這兩個(gè)仿真實(shí)習(xí)任務(wù)的內(nèi)容和難度加大，操作步驟也更加繁多，出現(xiàn)的問題也越多，對(duì)于老師課上所講的內(nèi)容學(xué)生操作時(shí)可能基本忘記，一些知識(shí)點(diǎn)也沒有記住，比如串級(jí)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，教師在課堂上演示了一遍，但是學(xué)生操作時(shí)仍舊忘記。集中授課模式還造成一些學(xué)生趕進(jìn)度，做完一個(gè)仿真實(shí)習(xí)任務(wù)后緊接著做下一個(gè)任務(wù)，對(duì)于具體的內(nèi)容不求甚解，應(yīng)付了事。通過課程改革，改變集中授課模式為分散授課模式。分散授課模式是指所有的課程內(nèi)容不是集中一次講完，而是分成幾次課程講授。第一次課講授仿真實(shí)習(xí)界面的功能、仿真操作的一些注意事項(xiàng)、評(píng)分考核、課程安排以及加熱爐仿真實(shí)習(xí)任務(wù)，用一個(gè)上午的時(shí)間講完，下午學(xué)生自行上機(jī)進(jìn)行加熱爐仿真操作，教師輔助指導(dǎo)，解答學(xué)生提出的問題。加熱爐的操作較為簡單，學(xué)生用一個(gè)下午的時(shí)間就能全部完成，而且得到的分?jǐn)?shù)都很高。第二天上午講授65t/h鍋爐仿真實(shí)習(xí)任務(wù)，講完課后學(xué)生可以立即進(jìn)行操作。由于該仿真實(shí)習(xí)操作步驟較多，調(diào)節(jié)起來比較繁瑣，該仿真實(shí)習(xí)任務(wù)我們安排兩天的時(shí)間做完。第四天上午講授30萬t/a合成氨轉(zhuǎn)化工段，講完后學(xué)生自行操作。這項(xiàng)實(shí)習(xí)任務(wù)的操作步驟更多，有氮循環(huán)、氨裂解、投油、加空氣、系統(tǒng)負(fù)荷逐漸上升等操作。一段轉(zhuǎn)化爐的溫度上升過程中，一爐轉(zhuǎn)化爐的煙氣溫度、對(duì)流段的各個(gè)換熱器的出口溫度也會(huì)隨之上升，容易超過限制溫度而報(bào)警，此時(shí)需要學(xué)生采取調(diào)節(jié)措施使溫度處于正常值。這些操作比較耗時(shí)，容易出錯(cuò)，我們安排3天的時(shí)間來完成該項(xiàng)仿真實(shí)習(xí)任務(wù)，由于電腦系統(tǒng)的保護(hù)作用，第2天學(xué)生重做的時(shí)候必須從頭來過，通過反復(fù)訓(xùn)練，使學(xué)生對(duì)過程了解透徹，達(dá)到熟能生巧的目的。第7天講授AspenPlus流程模擬軟件，學(xué)生自行練習(xí)。第8天上午考試。通過分散教學(xué)模式，學(xué)生有充裕的時(shí)間完成每一個(gè)任務(wù)，由于沒有新的任務(wù)等待，學(xué)生可以耐心地把當(dāng)前的任務(wù)做好，不急于求成。做完當(dāng)前的實(shí)習(xí)任務(wù)，時(shí)間充裕的學(xué)生還會(huì)把停車部分做完。對(duì)于實(shí)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題會(huì)耐心地尋求問題所在，從而解決問題。改革后的教學(xué)方式克服了學(xué)生調(diào)節(jié)時(shí)急躁的現(xiàn)象。在仿真操作過程中，不能為了追求速度而大幅度調(diào)整閥門。因?yàn)榛み^程操作是一個(gè)平穩(wěn)緩慢變化的過程，一個(gè)參數(shù)的細(xì)微變化有可能導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)的巨大變化，這對(duì)整個(gè)化工系統(tǒng)的承受能力是重大的考驗(yàn)。在仿真操作時(shí)，有時(shí)一些參數(shù)的變化不是特別靈敏，有一定的響應(yīng)時(shí)間，若調(diào)節(jié)時(shí)未見參數(shù)變化而加大開度，待響應(yīng)時(shí)降低開度，此時(shí)該參數(shù)將繼續(xù)上升而導(dǎo)致發(fā)生警報(bào)。這些都需要學(xué)生耐心的操作，才能保證系統(tǒng)不會(huì)大起大落。通過合理安排仿真實(shí)習(xí)時(shí)間，控制學(xué)生的操作進(jìn)度，使學(xué)生可以耐心、細(xì)心地完成所有的仿真實(shí)習(xí)內(nèi)容。仿真實(shí)習(xí)內(nèi)容分階段完成，保證所有學(xué)生都能按照規(guī)定的時(shí)間安排完成仿真實(shí)習(xí)任務(wù)，同時(shí)教師可以掌握所有學(xué)生的實(shí)習(xí)情況，對(duì)實(shí)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題統(tǒng)一講解。

5考核方式

我們從仿真操作、考試、報(bào)告三方面來衡量學(xué)生的仿真實(shí)習(xí)成績，通過權(quán)衡各項(xiàng)的難易程度，調(diào)整各項(xiàng)考核成績所占的比例。其中，加熱爐仿真操作占10%；鍋爐仿真操作占20%；合成氨轉(zhuǎn)化工段仿真操作占45%；考試是以開卷的形式，出一些選擇題來檢測學(xué)生對(duì)仿真實(shí)習(xí)操作的掌握程度，占15%；仿真實(shí)習(xí)報(bào)告主要是寫學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)的問題、如何解決問題以及實(shí)習(xí)的心得體會(huì)，占10%。調(diào)整后的考核方式更科學(xué)、合理。

6編寫適合自身教學(xué)模式的仿真實(shí)習(xí)教材

由于目前已出版的《化工仿真實(shí)習(xí)指南》中所介紹的仿真實(shí)習(xí)任務(wù)較多，新編的教材采用原教材中的三個(gè)仿真實(shí)習(xí)任務(wù)，并采用不同于原教材的編著方式，以學(xué)生最常見的實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)書的方式來編寫。教材內(nèi)容包括五個(gè)部分：仿真實(shí)習(xí)技術(shù)、智能控制（IPC）模式仿真實(shí)習(xí)界面、化工過程控制系統(tǒng)、智能控制（IPC）模式仿真實(shí)習(xí)、化工過程流程模擬。教材詳細(xì)介紹每個(gè)仿真實(shí)習(xí)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、基本原理、主要?shí)驗(yàn)設(shè)備、工藝流程簡介、流程圖說明、控制系統(tǒng)簡介、仿真實(shí)驗(yàn)操作步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄等內(nèi)容。增加了一些相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，比如：一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響因素，一段轉(zhuǎn)化爐、二段轉(zhuǎn)化爐的介紹等。由于原有教材中所敘述的一些設(shè)備在流程圖上沒有標(biāo)明，例如鍋爐中的省煤器、混合聯(lián)箱等，學(xué)生不能直觀地認(rèn)識(shí)設(shè)備在流程圖上所處的位置，不利于理解整個(gè)流程。我們把主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備以圖上標(biāo)示的方式標(biāo)出每個(gè)設(shè)備的名稱，使學(xué)生一目了然，如圖1所示30萬t/a合成氨轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)備圖。以操作流程框圖的方式把復(fù)雜繁多的步驟整理出來，使步驟清晰明了，如圖2所示30萬t/a合成氨轉(zhuǎn)化工段仿真操作框圖。增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容，根據(jù)不同的記錄時(shí)刻記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為考核學(xué)生的依據(jù)。本教材能使學(xué)生更全面地了解化工仿真實(shí)習(xí)、化工過程流程模擬的內(nèi)容，鍛煉了學(xué)生從化工專業(yè)角度思考問題，分析、綜合的能力。通過觀察、聯(lián)想、探索，提高學(xué)生的認(rèn)知能力，從直觀到思維上把握了化工過程仿真的屬性及其內(nèi)在聯(lián)系。

7結(jié)束語

我們對(duì)化工仿真實(shí)習(xí)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式、教材四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革，通過教學(xué)實(shí)踐，證明改革后的教學(xué)形式對(duì)于提高學(xué)生在仿真操作過程中的耐心和細(xì)心、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題具有一定的幫助，提高了仿真實(shí)習(xí)的成效，讓學(xué)生獲益匪淺。

作者：鄭秀玉李瓊單位：華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院