化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法研究

岳瑋+王菊+李靖

摘 要： 自教育部2013年頒布《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》以來，徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院積極響應(yīng)教育部號(hào)召，已將虛擬仿真教學(xué)納入人才培養(yǎng)計(jì)劃和教學(xué)大綱中，并正在探索綠色化工虛擬仿真技術(shù)與化工學(xué)科課程整合的新方法、新思路，推進(jìn)“課堂-仿真-工廠”的具有一體化教育模式的改革與實(shí)踐，同時(shí)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中存在的不足進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真 化學(xué)化工 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

1.傳統(tǒng)化學(xué)化工專業(yè)實(shí)踐實(shí)習(xí)模式的弊端

由于化工過程的復(fù)雜性，化工類實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)的開展面臨一定的困難，主要是因?yàn)樾?nèi)實(shí)踐基地建設(shè)面臨很多問題：①化工生產(chǎn)裝置復(fù)雜龐大，購置具備完整功能的試驗(yàn)設(shè)備需要投入的資金較多，硬件維修場(chǎng)地的要求較高；②化工操作條件苛刻，如高溫高壓等，操作危險(xiǎn)性較高；③生產(chǎn)中所涉及的原料通常是易燃易爆有毒的化學(xué)試劑，對(duì)操作環(huán)境及周圍環(huán)境影響較大。而學(xué)生校外企業(yè)實(shí)踐也存在一些問題，由于化工企業(yè)的生產(chǎn)過程具有復(fù)雜性和一定的危險(xiǎn)性，在實(shí)習(xí)期間，一般不允許學(xué)生動(dòng)手操作，此外，化工設(shè)備自動(dòng)化程度高，很多生產(chǎn)過程看不見摸不著，實(shí)習(xí)效果差，致使單純的校外企業(yè)實(shí)踐很難達(dá)到預(yù)期的效果。

2.虛擬仿真在化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)是以三維立體模擬實(shí)驗(yàn)室代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，可進(jìn)行超越傳統(tǒng)實(shí)物的實(shí)驗(yàn)，使微觀實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、高成本實(shí)驗(yàn)等成為可能?？蛇M(jìn)行無限制、多樣式的重復(fù)操作，無污染、無浪費(fèi)。也可進(jìn)行交互操作訓(xùn)練，參與者與之進(jìn)行互動(dòng)，提高參與者的動(dòng)手能力及參與熱情，養(yǎng)成在以后工作、生活中成功運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)的習(xí)慣，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步與社會(huì)進(jìn)步的共同發(fā)展。

3.虛擬仿真教學(xué)資源在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

在化工原理、化工分離、精細(xì)化工工藝學(xué)、化工過程分析與模擬等化工專業(yè)基礎(chǔ)課、理論課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真教學(xué)資源，選取小班試點(diǎn)，逐步摸索“課堂-仿真”教學(xué)模式的教學(xué)方法，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，進(jìn)一步推廣到化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)的所有班級(jí)。

3.1仿真教學(xué)資源在理論教學(xué)的應(yīng)用。

虛擬仿真教學(xué)資源軟件功能的外延，影響與帶動(dòng)徐州工程學(xué)院工程類課程教學(xué)方法與模式變革。將虛擬仿真軟件所體現(xiàn)的教育思想、所提供的工程案例、逼真工作實(shí)景資源應(yīng)用到課程教學(xué)中，把理論課程中抽象的概念、復(fù)雜的問題以直觀的形式展現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生理解工程、了解工廠實(shí)際，推進(jìn)“課堂-仿真-工廠”的“一體化”教學(xué)模式的改革與實(shí)踐，形成獨(dú)特的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的新模式。在這樣理念的引導(dǎo)下，化工設(shè)計(jì)、精細(xì)化工工藝學(xué)、化工原理等課程的授課過程中引入各類仿真教學(xué)資源，仿佛“把工廠搬進(jìn)教室”、“把教室搬到工廠”。以精細(xì)化工工藝學(xué)課程為例，此課程將乙醛氧化制醋酸工藝仿真軟件提供的工程為案例展開教學(xué)，以正常初態(tài)工況為例講解工藝路線，以軟件提供的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)作為物料衡算的實(shí)例，以軟件提供的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為流程及操作參數(shù)優(yōu)化的實(shí)例，以軟件提供的真實(shí)工廠實(shí)景為資源彌補(bǔ)學(xué)生工廠實(shí)際認(rèn)知的不足，幫助學(xué)生理解設(shè)備與構(gòu)筑物、設(shè)備與管道的關(guān)系，認(rèn)識(shí)管廊、管架、設(shè)備、公用工程等外觀形貌，開展案例教學(xué)及情景教學(xué)。

3.2仿真教學(xué)資源在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

利用各類教學(xué)資源可開設(shè)30個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在化工原理實(shí)驗(yàn)真實(shí)操作前，要求學(xué)生先在網(wǎng)上虛擬進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，熟悉裝置、認(rèn)識(shí)流程及控制方案、在線預(yù)習(xí)、在線虛擬操作，在線形成預(yù)習(xí)成績，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)操作，學(xué)生實(shí)際操作的熟練程度與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率明顯上升，最后在相應(yīng)的仿真軟件上變換不同的參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排，“反芻”式的知識(shí)點(diǎn)鞏固，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，實(shí)驗(yàn)的綜合性、設(shè)計(jì)性明顯提高了，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新與設(shè)計(jì)能力明顯提高了。例如：甲醇合成與精制工藝，3D仿真該軟件以煤化工產(chǎn)業(yè)為背景，以真實(shí)化工廠甲醇項(xiàng)目為基礎(chǔ)，選取煤制甲醇工藝中合成氣制甲醇及甲醇精制部分進(jìn)行開發(fā)，可進(jìn)行四種初態(tài)六個(gè)事故工況及兩個(gè)安全事故仿真操作。該套仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程登錄，在線仿真3D實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)，在線評(píng)分與成績記載并利用，實(shí)現(xiàn)了在場(chǎng)景中設(shè)備內(nèi)部細(xì)節(jié)的描述。

3.3仿真教學(xué)資源在儀器分析實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析課程時(shí)，要進(jìn)行大量的儀器分析實(shí)驗(yàn)，由于條件所限，學(xué)校不可能購置所有昂貴的儀器分析設(shè)備，有些儀器比較貴重精密，如熒光光譜儀，紅外光譜儀可見-紫外分光光度計(jì)、分子熒光光度計(jì)、氣相色譜分析儀等，在以往的儀器分析實(shí)驗(yàn)中，由于儀器數(shù)量少，每次實(shí)驗(yàn)十幾名學(xué)生為一組，在使用時(shí)縮手縮腳，因而每次實(shí)驗(yàn)往往都由少數(shù)動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生操作，其他學(xué)生記錄數(shù)據(jù)或在旁邊觀望，達(dá)不到預(yù)期的效果。還有些學(xué)生對(duì)儀器掌握不熟練，容易誤操作而損壞儀器。使用大型儀器的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)就能較好地解決這個(gè)問題。學(xué)生利用虛擬仿真軟件就能夠?qū)W習(xí)儀器操作，且不必?fù)?dān)心對(duì)儀器造成損壞。建議學(xué)生先進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，了解具體的儀器構(gòu)造和使用方法，經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，等到真正掌握儀器操作技術(shù)，再到真實(shí)的儀器上操作，這樣才能取得更好的學(xué)習(xí)效果。

4.當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)了教育教學(xué)的發(fā)展與改革，給教學(xué)帶來便利。然而，當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中存在不少問題，尤其是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

4.1仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)困難，傳播不易。

在多媒體教學(xué)的今天，師生的地位發(fā)生了很大的改變，學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，而教師則是引導(dǎo)者和學(xué)習(xí)資源的建設(shè)者，這就要求教師具備豐富的教學(xué)理論、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及掌握一定的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作技術(shù)，但是，當(dāng)前絕大部分學(xué)校針對(duì)教師的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的培訓(xùn)都是以普及為主，使得許多教師在設(shè)計(jì)與開發(fā)方面存在困難。

4.2缺少及時(shí)的幫助與指導(dǎo)。

由于當(dāng)前開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的人員中很少是有經(jīng)驗(yàn)的教師，大部分都是專業(yè)的技術(shù)人員，他們往往對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠精通，這就導(dǎo)致他們?cè)陂_發(fā)的時(shí)候只是一味地追求對(duì)現(xiàn)實(shí)模擬的逼真度，將技術(shù)重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)的流程化、交互的自然化及界面的美觀化方面。所以，在開發(fā)過程中缺少實(shí)驗(yàn)技術(shù)的幫助與指導(dǎo)。

4.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的局限性。

仿真畢竟是虛擬的，因而存在一些局限性，目前化工仿真軟件操作界面通常為二維平面，無法產(chǎn)生真實(shí)的臨境感受；仿真訓(xùn)練時(shí)，學(xué)生按照操作規(guī)程機(jī)械地點(diǎn)擊按鈕，并不能像真實(shí)訓(xùn)練中真正的用手去操作、去連接、去傾倒，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能完成逼真的演示效果，對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)欠缺，所以仿真操作不能完全代替實(shí)際操作。

5.結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式在化學(xué)化工類實(shí)踐教學(xué)中取得了很好的教學(xué)效果，能較好地彌補(bǔ)以往實(shí)踐教學(xué)模式的不足，仿真教學(xué)畢竟是模擬真實(shí)的化工單元操作，而實(shí)際生產(chǎn)中的很多突發(fā)事件是不可能完全在電腦上模擬出來的，這就需要將仿真軟件和實(shí)踐操作有機(jī)結(jié)合起來，相互補(bǔ)充，取長補(bǔ)短，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，更好地適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯珂珂.虛擬仿真在化學(xué)化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探索與研究[J].安徽化工，2015.06.

[2]王菊.應(yīng)用型本科高校化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)探索[J].山東化工，2016，VOL45.

[3]田軼.化學(xué)工程與工藝虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015.07.

[4]唐向陽.建設(shè)高水平化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的思路與探索[J].高等理科教育，2015（06）.