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产学研在实验中“现身说法”

发布时间:2019-11-28来源:中国科学报 作者:记者 沈春蕾 程春生 通讯员 丁文婷点击率:

■本报记者 沈春蕾 程春生 通讯员 丁文婷

太原理工大学建设虚拟仿真实验室,不仅弥补了传统实验室不能实现的教学功能,同时还促进了该校产学研的紧密结合。

今年年初,教育部公布了2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定结果,来自太原理工大学的“矿用带式输送机械虚拟仿真实验”和“注塑成型机电液控制系统及工艺虚拟仿真实验”两个项目位列其中,成为继“煤基甲醇转化制芳烃(MTA)虚拟仿真实验系统”之后,该校的第二个和第三个国家级虚拟仿真实验教学项目。

日前,太原理工大学教务部部长孙桓五告诉《中国科学报》:“虚拟仿真实验室的建设,不仅弥补了传统实验不能实现的教学功能,而且为实验教学质量的提高提供了有效的解决方案,是太原理工大学产学研紧密结合的成果。”

课堂上的“智能化工厂”

化工生产过程工艺复杂,设备、机器、管道众多,处理的物料往往为危险性物质,且单元操作条件苛刻,在生产中存在诸多潜在风险因素,发生事故的可能性较其他行业更大,造成的后果也更为严重。

太原理工大学教授王俊文指出,由于以上一系列因素,高校化工专业近年来在不同程度出现了教学“书本化”、实验“形式化”、实习“仪式化”、实习与实际生产结合“松散浅”等现象。“煤基甲醇转化制芳烃(MTA)虚拟仿真实验系统”的建立是太原理工大学产学研紧密结合的一项科技成果。

“传统实验中面对化工生产实践中存在的许多极端条件下的工程问题,通常不允许学生亲自动手操作,学生更是只能把相关知识停留在浅层的记忆中。”该项目负责人王俊文说,“为了解决这一系列问题,我们在化工领域引入了虚拟仿真技术。”

据悉,“煤基甲醇转化制芳烃(MTA)虚拟仿真实验系统”是国家首批模拟仿真实验项目,使用虚拟现实、多媒体、人机互动、数据库和网络通信等技术,根据“能实不虚、虚实结合”和“以虚辅实”的原则,构建虚拟仿真软件及云平台,集成了当今化工产业领域常见的生产单元、化工前沿技术、人工智能、安全生产管理规范等要素,把传统的化工自动化生产过程虚拟仿真为“智能化工厂”。

王俊文介绍,在煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真工厂,学生们不仅可以在理解化工生产过程的同时开展设计验证,进行创新实验研究,还能模拟仿真极端极限条件下的反应状态,演练应急管理与处置,使学生通过课堂走进“真实工厂”。

目前,该项目已经在太原理工大学推广至制药工程、生物工程、过程装备与控制工程、矿物加工等相关专业,每年实际受益学生达3000余人。

足不出户实现井下环游

“矿用带式输送机械虚拟仿真实验”是矿山机械及其电气控制课程中的重要实验教学项目。太原理工大学教授寇子明指出,此前,这一实验教学项目所用设备规模大、实验成本高、实验环境恶劣、工况复杂多变,实验过程中无法详细了解设备运行工况,更无法在井下恶劣环境中进行切身体验,这些不利因素导致学生缺乏实际经验。

“尽管学生足够了解甚至熟悉事故的处理流程,但能否应对实际情况,仍是一个极大挑战。”为了解决这一难题,寇子明带领其团队开发了高逼真度的主煤流运输系统及其环境模型——矿用带式输送机械虚拟仿真实验平台。

寇子明介绍,该平台通过虚拟与模拟结合、动态与静态结合、实验与教学结合等一系列方法,不但克服了传统实验模式的不足,顺利进行了真实实验平台无法开展、复杂性较大、存在潜在危险和成本较高的实验,而且将多门交叉学科的实验内容及其综合应用高度集成,使学生能够在安全状况下了解、体验并处理危险,接触到真正的前沿研究课题。

从无到有,师生团队共同完成了该虚拟仿真实验平台项目。寇子明的学生孙福利说:“付出就会有收获,该实验平台的建成终于可以让每一位同学实现井下环游。”

将理论与实践结合

“不需要任何实验器材,只要一台电脑、一个账号、一个密码和一个程序,学生们就可以随时随地进行操作,更直观地了解设备的结构组成,更详细地掌握工艺控制过程。”太原理工大学教授权龙这样介绍其负责的注塑成型机电液控制系统及工艺虚拟仿真实验平台。“不用考虑模具是否足够、不用担心参数设置不合理产生缺陷制品等问题,学生们可以通过模拟不合理参数的设置造成产品缺陷,更好地掌握工艺参数对制品质量的影响。”

作为塑料成型的重要方法,注塑成型工艺的控制对获得理想的塑料制品至关重要。“在注塑成型工艺过程中,注射装置和合模装置的动作常常同时进行,有的动作时间非常短,在传统实验室条件下,很难做到同时全面观察、理解工艺过程。”权龙说,“注塑成型机电液控制系统及工艺虚拟仿真实验平台的建立,将理论知识与实践环节有机结合,可以模拟很多真实试验,生动展示各类机型的结构形式和运动过程,直观呈现机电液一体化控制过程和可视化塑料熔体在模具中的变化过程。”

权龙表示,该项目已建成结构认知、电液控制、工艺过程和工艺参数控制等四个仿真教学模块。使用该平台,学生们可以无时空限制地进行安全、可靠、经济的虚拟实验,熟练掌握设备的操作规程;研发设计人员可以了解机电液控制系统参数设计,探索优化设计方案;工艺编制人员可以在注塑制品生产之前模拟仿真确定工艺参数,优化工艺路线,项目服务人数超9000人次。

来源:《中国科学报》 (2019-11-28 第6版 转移转化)

链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/11/351516.shtm

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