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摘 要：针对本科实践教学中存在的问题，结合化工实验大赛提出了化工单元操作与虚拟仿真模式的改革新思路，旨在提高学生的实践能力、动手能力和解决问题的能力。为推动高等学校化工类“新工科”建设，教育部高等学校化工类专业教学指导委员会、中国化工教育协会从2017年开始，已连续成功举办了三届全国大学生化工实验大赛。主要包括理论知识竞赛、实验竞赛和化工单元仿真操作三部分考核内容。大赛不仅可以锻炼学生专业知识的综合运用能力，还能锻炼动手能力、分析和解决问题的能力。
关键词：化工实验大赛 单元操作 虚拟仿真 实训
中图分类号：G71 文献标识码：A
一、化工单元操作与仿真实训模式存在的问题
化工单元操作的实验部分在以往的教学过程中，学生们已经能够通过团队协作的方式来加以完成，且教学效果良好。但是实训操作部分一直是难题，这是由于大型的化工实训体系的建立受场地以及投入成本等诸多因素限制，目前很难实现。因此，理论和仿真体系的建立得到了广泛应用。2014年，渤海大学成立了“化学化工虚拟仿真实验教学示范中心”。学生可以在虚拟实验教学平台上，完成自主预习、操作练习、实验方案设计等内容。近年来，本校化学专业的发展趋势也正在由理科向工科方向转变，化工单元操作作为生产实践的重要组成部分，其相关的实验和仿真实训课程也占据了重要地位，将理论知识与实践进行结合，使学生对理论知识的理解不再抽象化，可以大大提高学生对化工类科目的学习兴趣，还能促进学生的创新意识和创新能力的培养。
然而，由于教学大纲、教学内容以及课时的限制，以往的单元操作实验和仿真实训课程一直分开进行。特别是仿真实训课程，学生主要通过学习软件的基本功能，根据软件中的提示，一个人完成整个流程的全部操作，若完全记住操作步骤与操作条件，就能很好地完成仿真作业并取得高分。但实际上学生缺少对操作更为深入的了解，比如操作参数如何确定，阀门开度如何把控，物料的流量如何取值，若出现故障如何排除与解决等等，学生对这些内容都没有很好的掌握。而且在实际的工厂生产过程中，面对的操作环境要更为复杂，各个车间及各个工种通常是共同协作才能完成一个流程或是产品的生产。学生在学习中机械性地对工艺流程进行熟悉，对课本上学到的理论知识虽说有了生动的了解，但对于实际运行中遇到的操作问题、设备故障问题、仪表操作问题等都是一知半解、一头雾水，而这些也正是化工实验大赛中对学生能力的考查项目。但是大部分学生参与比赛的积极性并不高，普遍表现出自信心不足的迹象。究其原因，是学生只有通过课本上学到的理论知识，而缺少实践经验。
二、化工单元操作及仿真实训模式的改革与实施
学生第一次接触大型仪器设备时普遍存在不敢用的问题，大部分学生对理论知识的重点、难点都能够做到熟练掌握，但一旦涉及实际操作，多少都出现了胆怯的心理。而化工单元操作本身实践性非常强，并且和化工厂的生产过程息息相关，势必会影响到学生将来的就业情况。
因此，一方面为了提高学生参加比赛的积极性，开阔学生的眼界，另一方面也为了培养学生的动手能力、团队协作能力及解决问题的能力，高校开设了基于实验大赛模式的化工单元操作及仿真实训的开放实验。该项目面向已经修完化工基础及化工原理理论课程的各个专业与年级，通过选课系统公开选课以及选择分组进行实验。开放实验主要是以学生为主导、教师辅助学生给予适当意见的方式，以充分调动学生的学习积极性。
本科教学中的化工实验，大多数都是验证性和综合性的实验，旨在加深学生对理论课程中学到的基本原理的理解，因此在设计实验项目时，实验目的、内容都与理论课相对应，操作也相对较为简单。学生对实验操作已有基础，因此在开放实验的项目设计环节，需紧密结合化工实验大赛的竞赛主旨，采用实验操作与仿真模拟相结合的方式，旨在着重培养学生的仪表操控能力，故障排除能力以及分析和解决问题的能力，实验操作项目安排如下：
（1）离心泵操作实验，主要内容包括离心泵的启动与关闭；离心泵发生气缚现象时如何补救；学会辨认管路中各种类的阀门、掌握各阀门的操作使用等。
（2）精馏塔操作实验，主要内容包括精馏操作回流比的确定与调节；发生液泛现象时如何补救；如何确定精馏塔的操作压力，压力过高时如何处理；如何确保塔顶产品的质量等。
（3）吸收塔操作实验，主要内容包括泛点的确定；如何保证吸收填料塔的正常操作；如何调节气体的流量；启动气泵时与启动水泵的区别等。
这样，学生对化工单元操作中比较典型的流体输送、精馏与吸收过程的仪表操作、输送设备的操作、操作条件以及故障排除等方面都有了动手操作的经验。
仿真实训主要包括精馏塔与吸收塔全流程操作过程的模拟，项目设计与实验操作部分的内容紧密结合。这部分主要包括实际生产过程中操作参数的选择、工艺流程的确定、仪表的操控以及故障排除、操作安全规程考查等方面的内容。由于是团队协作模式，学生在模拟训练的过程中，可以互相督促与讨论学习，针对某一操作车间还可以各自分配不同工种共同协作完成操作任务。不仅可使学生掌握化工生产中各单元的正常开停车操作、故障排除及突发事件的处理方法，还可以提高学生的参与度与积极性，为参加化工实验大赛打下良好的基础。
三、改革效果评价
由团队的组长负责整体统筹工作，所有学生在每个项目结束后，对操作与模拟过程中常见的问题通过组会的方式进行讨论，各组成员互相交流操作过程中常犯的错误以及尚未解决的问题，教师辅助学生给与适当的指导。最后，学生撰写总结报告，教师根据报告的质量以及学生的平时表现，以组为单位判定学生的成绩。
基于实验大赛的化工单元操作及仿真实训模式不仅锻炼了学生的实践能力、解决问题能力及团队协作能力，也使学生报名参加比赛的积极性明显提高，自信心得到了提升，眼界也更为开阔。参赛学生在2019年全国大学生化工实验大赛中分别取得了一等奖和二等奖的佳绩。
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关键词：化工实验大赛 单元操作 虚拟仿真 实训
中图分类号：G71 文献标识码：A
一、化工单元操作与仿真实训模式存在的问题
化工单元操作的实验部分在以往的教学过程中，学生们已经能够通过团队协作的方式来加以完成，且教学效果良好。但是实训操作部分一直是难题，这是由于大型的化工实训体系的建立受场地以及投入成本等诸多因素限制，目前很难实现。因此，理论和仿真体系的建立得到了广泛应用。2014年，渤海大学成立了“化学化工虚拟仿真实验教学示范中心”。学生可以在虚拟实验教学平台上，完成自主预习、操作练习、实验方案设计等内容。近年来，本校化学专业的发展趋势也正在由理科向工科方向转变，化工单元操作作为生产实践的重要组成部分，其相关的实验和仿真实训课程也占据了重要地位，将理论知识与实践进行结合，使学生对理论知识的理解不再抽象化，可以大大提高学生对化工类科目的学习兴趣，还能促进学生的创新意识和创新能力的培养。
然而，由于教学大纲、教学内容以及课时的限制，以往的单元操作实验和仿真实训课程一直分开进行。特别是仿真实训课程，学生主要通过学习软件的基本功能，根据软件中的提示，一个人完成整个流程的全部操作，若完全记住操作步骤与操作条件，就能很好地完成仿真作业并取得高分。但实际上学生缺少对操作更为深入的了解，比如操作参数如何确定，阀门开度如何把控，物料的流量如何取值，若出现故障如何排除与解决等等，学生对这些内容都没有很好的掌握。而且在实际的工厂生产过程中，面对的操作环境要更为复杂，各个车间及各个工种通常是共同协作才能完成一个流程或是产品的生产。学生在学习中机械性地对工艺流程进行熟悉，对课本上学到的理论知识虽说有了生动的了解，但对于实际运行中遇到的操作问题、设备故障问题、仪表操作问题等都是一知半解、一头雾水，而这些也正是化工实验大赛中对学生能力的考查项目。但是大部分学生参与比赛的积极性并不高，普遍表现出自信心不足的迹象。究其原因，是学生只有通过课本上学到的理论知识，而缺少实践经验。
二、化工单元操作及仿真实训模式的改革与实施
学生第一次接触大型仪器设备时普遍存在不敢用的问题，大部分学生对理论知识的重点、难点都能够做到熟练掌握，但一旦涉及实际操作，多少都出现了胆怯的心理。而化工单元操作本身实践性非常强，并且和化工厂的生产过程息息相关，势必会影响到学生将来的就业情况。
因此，一方面为了提高学生参加比赛的积极性，开阔学生的眼界，另一方面也为了培养学生的动手能力、团队协作能力及解决问题的能力，高校开设了基于实验大赛模式的化工单元操作及仿真实训的开放实验。该项目面向已经修完化工基础及化工原理理论课程的各个专业与年级，通过选课系统公开选课以及选择分组进行实验。开放实验主要是以学生为主导、教师辅助学生给予适当意见的方式，以充分调动学生的学习积极性。
本科教学中的化工实验，大多数都是验证性和综合性的实验，旨在加深学生对理论课程中学到的基本原理的理解，因此在设计实验项目时，实验目的、内容都与理论课相对应，操作也相对较为简单。学生对实验操作已有基础，因此在开放实验的项目设计环节，需紧密结合化工实验大赛的竞赛主旨，采用实验操作与仿真模拟相结合的方式，旨在着重培养学生的仪表操控能力，故障排除能力以及分析和解决问题的能力，实验操作项目安排如下：
（1）离心泵操作实验，主要内容包括离心泵的启动与关闭；离心泵发生气缚现象时如何补救；学会辨认管路中各种类的阀门、掌握各阀门的操作使用等。
（2）精馏塔操作实验，主要内容包括精馏操作回流比的确定与调节；发生液泛现象时如何补救；如何确定精馏塔的操作压力，压力过高时如何处理；如何确保塔顶产品的质量等。
（3）吸收塔操作实验，主要内容包括泛点的确定；如何保证吸收填料塔的正常操作；如何调节气体的流量；启动气泵时与启动水泵的区别等。
这样，学生对化工单元操作中比较典型的流体输送、精馏与吸收过程的仪表操作、输送设备的操作、操作条件以及故障排除等方面都有了动手操作的经验。
仿真实训主要包括精馏塔与吸收塔全流程操作过程的模拟，项目设计与实验操作部分的内容紧密结合。这部分主要包括实际生产过程中操作参数的选择、工艺流程的确定、仪表的操控以及故障排除、操作安全规程考查等方面的内容。由于是团队协作模式，学生在模拟训练的过程中，可以互相督促与讨论学习，针对某一操作车间还可以各自分配不同工种共同协作完成操作任务。不仅可使学生掌握化工生产中各单元的正常开停车操作、故障排除及突发事件的处理方法，还可以提高学生的参与度与积极性，为参加化工实验大赛打下良好的基础。
三、改革效果评价
由团队的组长负责整体统筹工作，所有学生在每个项目结束后，对操作与模拟过程中常见的问题通过组会的方式进行讨论，各组成员互相交流操作过程中常犯的错误以及尚未解决的问题，教师辅助学生给与适当的指导。最后，学生撰写总结报告，教师根据报告的质量以及学生的平时表现，以组为单位判定学生的成绩。
基于实验大赛的化工单元操作及仿真实训模式不仅锻炼了学生的实践能力、解决问题能力及团队协作能力，也使学生报名参加比赛的积极性明显提高，自信心得到了提升，眼界也更为开阔。参赛学生在2019年全国大学生化工实验大赛中分别取得了一等奖和二等奖的佳绩。
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