建设必要性

1 建设石油化工装备虚拟仿真实验教学中心的必要性

石油化工装备通常在高温高压条件下运行,介质大多易燃、易爆、有毒性和腐蚀性,这增加了石油化工装备安全运行的风险。因此,让石油化工装备产业链涉及的各专业本科生掌握石油化工装备的设计方法、制造技术、检测方法、性能测试方法,熟悉单体设备和整体装置的使用操作规范和具体要求都是非常必要的。显然,传统的真实实验教学模式在培养学生这些技能方面发挥了重要作用,但也暴露出一些不足之处,具体体现为:

(1)  带温带压等实验条件存在安全隐患

石油化工装备的很多真实实验教学项目涉及到高温高压等实验条件,如过程装备与控制工程专业的“压力容器爆破实验”,它是采用液压爆破的,而液压爆破释放的能量具有一定的危险性,需要在防护严格的爆破坑中进行,这无疑大大增加了真实实验教学难度。再比如,专业群中的很多实验实训项目,如各类切削加工、焊接等,存在着高速运动部件、高温等不安全因素,尽管实验过程中进行了相应的安全教育,设置了相应的防范措施,但如果学生不注意,老师没有照顾到,仍有可能造成人身伤害。因此,如何在不降低实验实训效果的前提下,最大程度地减少实验风险也是石油化工装备产业链专业群所要解决的重要课题。

2)介质毒性和腐蚀性有可能造成学生伤害和环境污染

石油化工装备实验项目中,很多实验介质都具有很大的毒性和强腐蚀性,产生的废液、废气等易造成环境污染。比如:我们考察石油化工加氢裂化装置所用的材料性能时,往往需要对材料的抗氢性能进行测试,而测试时为了提高氢扩散效果,往往需要用到浓硫酸,并以三氧化二砷作为氢的毒化剂,而浓硫酸属于强腐蚀性介质,三氧化二砷又具有非常大的毒性,它们都容易对学生造成伤害,因此,真实实验很难开展。

3)真实实验的综合训练效果不佳

真实实验教学项目教学内容相对较为单一,实验方法相对固定,学生实验时往往进行着重复性操作,实验的可变性和探索性相对较低。另外,各单一内容的真实实验项目之间关联性也相对较弱,对学生的综合能力训练不足。比如:购置虚实结合的过程装备综合实验平台,把换热器、泵、加热炉等设备综合到一起,通过对各设备参数的调控,实现整个系统的优化运行。

4)学生数量多,真实实验成本高

随着我国高等教育的改革,本科生招生规模不断扩大,参加实验的本科生数量不断增多。石油化工装备产业链专业群涉及八个专业,学生数量多,实验项目数量也很多,若每个实验都逐一开展、每个学生都亲自操作一遍,其实验成本将非常高昂。例如:上述的“压力容器爆破实验”就属于破坏性实验,仅以过程装备与控制工程专业学生而言,每年参加该实验的学生人数至少达200人,这无疑会大大增加实验教学成本。

5)现场实习效果不佳

学生到企业进行生产实习或认识实习时,存在着“设备内部工作情况看不见、工作原理不理解、操作过程摸不着”等问题,这使实习效果大打折扣,很难达到深化理论知识,理论联系实际的预期实习目的。例如:学生到石化公司生产实习,只能看到装置形貌,至于装置系统中介质的状态、设备的工作原理以及如何调控相关参数保证设备优化运行等诸多问题,都不能得到有效解决,生产实习效果不佳。

由上可见,传统的真实实验教学模式已经制约了石油化工装备实验实训的有效实施,已不能完全满足相关专业各课程的实验教学要求。虚拟仿真技术的出现,为改变上述不足提供了一个全新的解决途径。将虚拟仿真技术与实验设备相结合,从传统的单纯实物实训模式升级为“虚实结合、相互补充、能实不虚”的新型实验教学模式,可有效解决石油化工装备实验实训所面临的困境,也必将使人才的培养质量得到大幅度提升。

2 中心建设思路

石油化工装备虚拟仿真实验中心以全面提高大学生工程实践能力和创新能力为宗旨,按照“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想,坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则,以共享优质实验教学资源为核心,以建设信息化实验教学资源为重点,依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,发挥我校过程装备与控制工程、材料成型与控制工程、机械制造及自动化等学科专业优势,充分发挥企业开发实力、支持服务能力和企业现场环境,构建高度仿真的石油化工装备虚拟实验环境和实验对象,从而完成真实实验因为高污染、高成本、高消耗、高危险等所不能完成的实验教学任务,使学生在虚拟环境中开展实验,拓展实验教学范围,丰富实验教学内容,实现实验资源的校企共享,保证虚拟仿真实验教学资源的先进性和可持续发展。

3 中心建设的可行性

石油化工装备虚拟仿真实验教学中心在建设过程中,立足于发挥我校石油化工行业特色,依托虚拟实验、真实实验、借助各种仿真装备与多媒体技术,融合多种软件与数据库,对石油化工装备的各个真实环节进行模拟仿真和实践训练,构建“石油化工装备设计、制造与检测、安全评价和使用操作”四个仿真模块,形成“理论学习、现场认知、模拟仿真和工程实践”三个教学层次,采用“理论与实践、真实与虚拟、教学与科研、校内与校外”的“四结合”方法,形成了具有行业特色的“四层次、四模块、四结合”的虚拟仿真实验教学体系(如图1所示),实践表明,这种实验教学新体系提高了学生的工程能力,有助于培养学生的创新思维。

 

 

1虚拟仿真实验教学中心的四个层次

理论学习  学习过程装备与控制工程、机械设计制造及自动化、材料成型与控制工程、测控技术与仪器(无损检测)、石油化工工艺等专业的相关理论知识,了解相关设备、容器等的设计方法、制造方法、成型工艺、检测技术等内容,强化学生专业基本理论知识的掌握与理解,为后续学习和工作打牢基础。  

     

                  图1. 石油化工装备虚拟仿真实验教学体系

现场认知  到我校工程实践训练中心,以及到抚顺石化公司相关单位进行生产实习,认识压力容器、石化装备各相关设备,了解各设备的设计原理、运行参数和操作方法,了解设备制造方法和检测手段等,培养学生对石油化工装备的基本认知,深化理论内容。

模拟仿真  在完成理论与实际融合的基础上,借助大量仿真教学软件,在室内针对石油化工装备的设计、制造检测手段、性能测试方法以及如何进行操作等进行系统化的虚拟仿真练习,掌握与石油化工装备相关的实际操作技能,弥补在生产实践过程中不能动手操作等不足之处。

工程实训  借助企业真实现场设备和操作平台,将学生引入到生产企业进行实训,在现场操作工人的指导下,让学生利用已掌握的理论和模拟操作知识,对各个石油化工装备进行实际操作,使学生掌握各设备的使用技巧,了解注意事项,最终达到学生和企业技术人才的零距离衔接。、

2)虚拟仿真实验教学中心的四个模块

虚拟仿真实验教学中心结合我校石油化工特色和化工机械等学科和专业优势,结合市场对各专业学生技能需求,建立了石油化工装备设计、制造检测、性能测试和装备使用操作四个虚拟仿真实验实训模块。

3)虚拟仿真实验教学中心的四个结合

理论与实践相结合  将石油化工装备的理论知识学习与现场实验和生产实践相结合,以理论知识为指导,以实践强化理论知识为目标,实现理论与实践的结合统一。

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                 图2. 石油化工装备虚拟仿真实验教学中心开设的实验项目

真实与虚拟相结合  实验教学是提高学生各种能力的有效途径。虚拟仿真实验教学中将真实实验和虚拟实验结合起来,将模拟软件操作与中心实体仿真设备结合起来,从而使学生了解相关设备的运行状况和操作流程,实现了高度工业化仿真。

教学与科研相结合  虚拟仿真实验教学中心鼓励将科研项目转化为实验教学项目,科研开发的相关仿真教学装备与软件都很好地适应了教学需要,实现了产学研的紧密结合。例如:管建军博士已将自己科研开发的“无损检测管理系统”转化为了虚拟仿真实验教学中的相应的实验项目。

校内与校外相结合  与中国寰球工程公司辽宁分公司、中国石化抚顺分公司等单位联合,通过实验室共建、人才联合培养、技术合作开发等形式,共同开发虚拟仿真实验教学项目,共享教学资源,实现了中心、企业、社会三方的共建共赢。

 

 

 

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