虛擬仿真在“鍋爐安全”實驗教學中的應用

李 席，朱林林，胡燕超，秦英月，李宗群,2，王傳虎,2

（1.安徽省硅基新材料工程實驗室，蚌埠學院，安徽蚌埠233030；2.蚌埠學院虛擬仿真實驗中心，安徽蚌埠233030）

鍋爐安全是特種設(shè)備安全教學體系中的重要組成部分，而特種設(shè)備安全又是應用型本科院校化工安全類專業(yè)的主干專業(yè)課。一方面，鍋爐廣泛應用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)部門和人民生活中，同時是受熱、承壓且具有爆炸風險的特種設(shè)備[1]。一旦發(fā)生事故，可致設(shè)備和建筑物損壞，人員傷亡及財產(chǎn)損失。另一方面鍋爐操作是一項綜合性較強的單元操作，涉及流體力學、傳熱、安全技術(shù)和安全管理、事故分析及處理等，系統(tǒng)性、理論性、實踐性強。受教學場地、條件保障等因素制約，一些應用型本科院校缺乏鍋爐相關(guān)設(shè)備和設(shè)施，化工安全類學生的實踐環(huán)節(jié)受到了很大的局限。而實踐環(huán)節(jié)又是化工安全類學生專業(yè)培養(yǎng)過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

因此，結(jié)合“鍋爐安全”實驗教學的特點，使用虛擬仿真教學系統(tǒng)貼近實戰(zhàn)教學培養(yǎng)學生的綜合能力尤為重要。通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和對象，讓學生通過網(wǎng)絡(luò)在虛擬環(huán)境中模擬實踐，有效地解決了實驗場地及設(shè)備不足的問題，拓展了教學空間，成為提高實踐教學質(zhì)量的新趨勢[2-3]。

1 應用型本科院校“鍋爐安全”傳統(tǒng)實驗教學的基本現(xiàn)狀

1.1 教學形式及教學內(nèi)容局限，教學效果不佳

“鍋爐安全”內(nèi)容實踐性較強，識記性內(nèi)容多，內(nèi)容展示手段較少，可供參考借鑒的資料匱乏。鍋爐異常事件的發(fā)生具有緊急性、不確定性和危險性，組織學生至突發(fā)事件現(xiàn)場進行實習實踐的可行性幾乎不存在[4]。現(xiàn)實條件致使傳統(tǒng)的教學形式基本為觀看影片、案例分析及討論，教學形式多樣性不足，難以調(diào)動學生的學習積極性，學生興趣低。此外，受制于課時，為了及時完成規(guī)定的教學計劃，教師教學節(jié)奏較快，教學內(nèi)容取舍性較重，部分內(nèi)容難以理解和記憶，學生課下要花費較多時間消化吸收[5-6]，一些學生甚至有厭學情緒。教學形式及教學內(nèi)容局限性致使學生的知識面和工程化能力等受到較大限制，遠遠無法滿足“新工科”對人才培養(yǎng)的需求。

1.2 教學資源短缺，理論與實踐脫節(jié)

較國內(nèi)外知名大學而言，地方應用型本科院校學校教育環(huán)境、人才培養(yǎng)模式、實踐條件保障等方面差距較大[7]。配備鍋爐、模擬器及安全附件等教學設(shè)備和設(shè)施費用昂貴，且鍋爐具有爆炸危險性。一些地方應用型本科院校在有限的教學資源條件下，沒有配備這些設(shè)施的能力，不具備鍋爐突發(fā)事件現(xiàn)場模擬條件。另外，在安全生產(chǎn)的高要求下，相關(guān)現(xiàn)代化、規(guī)模企業(yè)接納學生現(xiàn)場實習意愿不強[8]，學生實踐機會少，理論與實踐脫節(jié)，學生動手實踐能力的培養(yǎng)受限。

2 虛擬仿真在“鍋爐安全”實驗教學中的應用

2.1 擴大實驗教學范圍，培養(yǎng)綜合能力

“鍋爐安全”實驗教學主要基于我校虛擬仿真實驗中心的虛擬仿真技術(shù)完成的，“鍋爐安全”的虛擬仿真模型以65 t/h 電站過熱蒸汽鍋爐為基礎(chǔ)設(shè)計，裝置結(jié)構(gòu)和工藝流向清晰易見。

虛擬仿真實驗的教學內(nèi)容以企業(yè)的需求和學生的發(fā)展為出發(fā)點，采用了從認知到體驗，從易到難，從理論到實踐的教學方法，以企業(yè)的需求和學生的發(fā)展為出發(fā)點，構(gòu)建了多層次（鍋爐設(shè)備基本認知，鍋爐正常開車、運行和停車，鍋爐事故類型、分析及處理和設(shè)計創(chuàng)新性課題）層層遞進的實驗教學體系，可滿足不同層次、不同類型學生的學習及能力的培養(yǎng)需求。

在鍋爐正常開車、運行、停車和鍋爐事故類型、分析及處理模塊中，都強調(diào)了學生的自主學習意識，由學生自主選擇進行學習。以鍋爐單元操作的開車、正常運行、停車為例，學生要完成一個完整的鍋爐單元操作開車、維持正常運行和停車過程，需要完成如下程序：①開車前準備；②除氧器投運；③鍋爐上水；④燃料系統(tǒng)投運；⑤鍋爐點火；⑥鍋爐升壓；⑦鍋爐并汽；⑧鍋爐負荷提升；⑨汽壓及汽溫的調(diào)整；⑩鍋爐燃燒的調(diào)整；?鍋爐負荷降量；?關(guān)閉燃料系統(tǒng)；?停止汽包上水；?泄液。

其中，每個程序都需要學生進行多個步驟的操作。學生需要首先在軟件指導模式下完成一遍整個操作程序，還需要自主完成操作且系統(tǒng)評分需達到一定分數(shù)，才可以進入到下一模塊。通過這種方式，一方面加深學生對操作規(guī)程的熟悉程度，另一方面也有助于學生對鍋爐從開車到停車整個操作過程的理解。學生在進行其他類似模塊學習時也需要進行這些步驟的操作，一方面可以加強學生基礎(chǔ)實踐能力，另一方面也讓學生建立工程操作的概念，強化理論聯(lián)系實踐的認知。

結(jié)合學生興趣，讓學生主動參與設(shè)計創(chuàng)新性課題，可培養(yǎng)科研意識，鍛煉創(chuàng)新能力和寫作能力等。比如“管道天然氣泄漏的模擬分析”“鍋爐天然氣燃燒影響因素的模擬分析”，調(diào)動了學生參與意識和主觀能動性，不僅有利于學生更好地理解課程中的相關(guān)內(nèi)容，還可以作為學生的畢業(yè)論文題目，并以此為基礎(chǔ)，鼓勵撰寫成科技論文，目前已被學術(shù)期刊錄用、發(fā)表若干篇。

2.2 拓展傳統(tǒng)教學方式，提高實驗教學效果

以鍋爐單元操作為主線，結(jié)合計算機信息技術(shù)，將教室課堂教學拓展至“教室+實驗室+線上+線下”“工程化DCS控制及仿真模擬”有機結(jié)合起來的虛擬仿真實驗平臺。通過評分激發(fā)學生的學習積極性和主動性，提高實驗教學項目對學生的吸引力。

教學過程中采用線上交互式操作和線下教學相結(jié)合的方式。采用文字、圖片和三維動畫結(jié)合的方式展現(xiàn)，也可以加入視頻內(nèi)容，給學生視覺、聽覺多重沖擊，使學生得到更為真實的感受，從而調(diào)動學生學習主觀能動性。教師可結(jié)合學習通、QQ 等將虛擬仿真實驗系統(tǒng)使用過程中出現(xiàn)的問題進行在線統(tǒng)計，對于有針對性的問題，可在教學或課余時間進行講解與討論，實現(xiàn)虛擬實踐教學和課堂、實驗教學之間的良性互動，促進學生由單純的被動學習接受向探索的轉(zhuǎn)變。

2.3 突破時空限制，彌補實驗教學條件不足

在實際工礦企業(yè)鍋爐操作中，一些異常情況經(jīng)常會發(fā)生，如停電、熱蒸汽壓力過高、鍋爐滿水、鍋爐缺水等都會嚴重影響企業(yè)正常生產(chǎn)，甚至發(fā)生事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[9]。這些狀況是實際生產(chǎn)過程中要避免發(fā)生的，在實踐教學中，不可能直接讓學生進行直接的操作或體驗真實的事故及現(xiàn)場處置。

從化工鍋爐單元操作的實際出發(fā)，“鍋爐安全”實驗虛擬仿真平臺提供了鍋爐滿水、對流管損壞、二次燃燒、減溫器損壞、停電事故、鍋爐缺水和給水管損壞等豐富的鍋爐事故類型模塊，將學生在課堂及實踐教學中無法觀察到的現(xiàn)象或者實施有困難、高危、有毒、有害的單元操作及事故分析與處理采用DCS 控制和虛擬仿真的形式進行展現(xiàn)，彌補了傳統(tǒng)實驗教學條件的不足，豐富了教學資源。學生在電腦桌面上就可以模擬實驗操作，不受時空距離的限制[10-11]，可自主選擇需要被處理的異常情況，按照規(guī)定的緊急處理方案在虛擬仿真裝置上進行操作。通過對突發(fā)鍋爐異常事件進行模擬訓練，提高學生對突發(fā)事件的應急處置能力，提高學生的主觀能動性，提升學生就業(yè)競爭力。

2.4 教學成本低，實驗教學綠色化

安全、環(huán)保問題和不菲的實驗教學成本，長期困擾著高校特種設(shè)備乃至化工安全實驗教學。開設(shè)“鍋爐安全”虛擬仿真實驗，不僅滿足了學生實踐技能的培養(yǎng)要求，且不接觸實際的裝置和化學試劑，實驗非常安全，重復操作性強，一次性成本和維護成本均比較低，提高了教學安全性，符合實驗教學綠色化的發(fā)展方向[12]。

3 結(jié)束語

從應用型本科院校傳統(tǒng)鍋爐安全實驗教學基本現(xiàn)狀出發(fā)，分析了引入虛擬仿真進行課程教學的必要性，并在實驗教學中應用虛擬仿真教學系統(tǒng)，深受師生歡迎。學生實踐的同時規(guī)避了可能的危險，調(diào)動了學習積極性，激發(fā)了學習興趣，鍛煉了學生實驗設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，進而提高了課程的教學效果，為學習后續(xù)課程及工作奠定基礎(chǔ)。