化工原理實驗拆裝仿真軟件的開發(fā)和應(yīng)用

王 晟 居沈貴 薛 峰

(南京工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 210009)

化工原理作為化學(xué)工程及相關(guān)學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是理論聯(lián)系實踐的橋梁。該課程的實驗內(nèi)容不同于其他基礎(chǔ)課程，具有典型的工程特點，實驗過程中常常會遇到大量工程實際問題[1]。

按照《工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，對于實驗的要求是能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。面對學(xué)生人數(shù)較多，學(xué)時數(shù)偏少的矛盾，老師只能在課堂上簡要說明實驗?zāi)康?、原理和操作要求，不能做深入分析，而學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度普遍過于浮躁，面對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實驗儀器和繁雜的實驗操作步驟會產(chǎn)生畏難情緒，不愿意提前預(yù)習(xí)實驗[2-3]。于是各高校紛紛開發(fā)仿真軟件、拍攝實驗視頻和進行實驗設(shè)計教學(xué)等[4-5]，讓學(xué)生熟悉實驗流程，教學(xué)生如何進行操作，以達到面對實驗裝置能進行有效操作，提高動手能力的目的。于是多數(shù)學(xué)生在做實驗時只忙于“模仿操作”完成實驗，對實驗數(shù)據(jù)的處理也是按照教材的案例進行“模仿處理”，忽略了實驗設(shè)計、實驗裝置搭建和實驗安全等重要環(huán)節(jié)，最終導(dǎo)致整個實驗課程的學(xué)習(xí)僅限于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，不利于幫助學(xué)生樹立工程觀點，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析和解決問題的能力。為了改變這一現(xiàn)象，我校依托北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司進行了化工原理實驗拆裝仿真軟件的開發(fā)。

1 化工原理實驗拆裝仿真軟件架構(gòu)的設(shè)計

化工原理實驗拆裝仿真軟件為3D模擬仿真軟件，涵蓋了流體流動阻力測定實驗、離心泵性能曲線測定實驗、恒壓過濾常數(shù)測定實驗、固體流態(tài)化實驗、對流給熱系數(shù)測定實驗、填料吸收塔吸收實驗、精餾實驗和干燥速率曲線測定實驗八個化工原理核心實驗內(nèi)容，每個實驗包括實驗?zāi)康?、實驗原理、PID圖繪制、實驗裝置搭建、實驗核心裝置拆裝和原理展示、實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)處理及實驗報告生成七個部分。該軟件不僅涵蓋了傳統(tǒng)的實驗?zāi)康暮驮淼恼故竞筒僮鞑襟E仿真等模塊，而且增加了實驗所用主要設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的展示、實驗裝置的選擇、拆裝與搭建等模塊，還將化工制圖和化工安全生產(chǎn)技術(shù)等課程的內(nèi)容有機地結(jié)合起來，使得學(xué)生的能力培養(yǎng)形成一個體系。此外，軟件采用闖關(guān)的模式，增加了學(xué)習(xí)的趣味性，在每一關(guān)最后增設(shè)了思考題，讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進行復(fù)習(xí)和鞏固。軟件也可以根據(jù)學(xué)生仿真操作時閥門開度等參數(shù)的不同，對實驗數(shù)據(jù)進行模擬，有助于學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行綜合分析。該軟件的開發(fā)對于促進高校實驗教學(xué)課程改革具有重要的實踐價值。

2 化工原理實驗拆裝仿真軟件的制作

化工原理實驗拆裝仿真軟件分為教師站和學(xué)員站，分別滿足老師的教學(xué)要求和學(xué)員的學(xué)習(xí)要求。教師站包括練習(xí)和考試策略的生成，學(xué)員操作的實時監(jiān)控和外部干擾等。學(xué)員站包括2D界面和3D界面，作為軟件的主要學(xué)習(xí)和操作界面，還有智能評分系統(tǒng)，對學(xué)員的學(xué)習(xí)情況和實驗操作進行考核評分。

化工原理實驗拆裝仿真軟件中，每個實驗的實驗?zāi)康?、實驗原理、PID圖繪制、實驗操作視頻和思考題等為2D界面，通過嵌入和外部調(diào)出的方式增加到軟件里。Unity搭建的知識點學(xué)習(xí)大廳，用動畫展示了核心裝置的拆裝、工作原理以及安全知識，以幫助學(xué)生拓展學(xué)習(xí)。實驗裝置搭建、實驗步驟和數(shù)據(jù)處理部分為3D界面，首先以實際教學(xué)裝置為原型，通過3DMAX繪制和渲染實驗所用管道、閥門、儀表和控制面板等，在達到美術(shù)級效果的同時實現(xiàn)與實際教學(xué)裝置的完全匹配。接著采用Unity搭建3D界面，以實現(xiàn)第一視角的隨意走動和不同畫面之間的切換，方便學(xué)生完成設(shè)備選型和實驗操作等步驟。最后通過流程工業(yè)仿真平臺(PISP)將實驗數(shù)據(jù)和操作用數(shù)學(xué)建模的方式計算出來，在PISP平臺和Unity之間進行點值的互相調(diào)用，不僅可以實現(xiàn)實驗現(xiàn)象的模擬，而且可以進行數(shù)據(jù)處理和分析以生成實驗報告。

3 化工原理實驗拆裝仿真軟件的應(yīng)用

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，有利于建立以學(xué)生為中心，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。學(xué)生在任何時候都可以聯(lián)網(wǎng)通過化工原理實驗拆裝仿真軟件進行自主學(xué)習(xí)，通過闖關(guān)的形式學(xué)習(xí)實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗所用主要設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，繪制實驗工藝流程圖，進行實驗裝置的選擇與搭建，了解實驗安全注意事項，進行實驗操作和數(shù)據(jù)處理仿真，并完成每一關(guān)的思考題，對所學(xué)內(nèi)容進行復(fù)習(xí)鞏固。此外教師也可以通過軟件對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和實驗操作進行實時監(jiān)控和考核評分。這樣提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的參與度，使得學(xué)習(xí)輕松自由，有利于充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，可以解決實驗臺套數(shù)少無法滿足學(xué)生實踐能力培養(yǎng)需求的問題。該軟件使學(xué)生不需要進入實驗室就可以了解實驗的設(shè)計思想、實驗裝置的搭建、實驗流程和實驗步驟以及數(shù)據(jù)處理，減少了學(xué)生對實驗裝置和教師等教學(xué)資源的過度依賴，大幅度提升了教學(xué)質(zhì)量。

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，可以加強安全意識。學(xué)生利用該軟件完成實驗裝置的搭建后，就會進入安全知識環(huán)節(jié)，學(xué)生需要在高溫高壓等危險設(shè)備上貼上標(biāo)識，并學(xué)習(xí)安全操作知識，了解安全注意事項，以避免在實際操作中出現(xiàn)相應(yīng)安全性問題，降低操作過程的危險性。

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。在學(xué)生利用該軟件對實驗?zāi)康暮驮?、實驗工藝流程、實驗安全注意事項和實驗操作有了充分的了解，對實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理進行了充分的分析的基礎(chǔ)上，老師可以要求學(xué)生進行實驗參數(shù)的優(yōu)化，學(xué)生通過進行小組討論的形式確定實驗方案，在軟件上模擬操作，分析比較實驗結(jié)果，給出最優(yōu)化實驗方案。通過這一研究導(dǎo)向型的環(huán)節(jié)，可以引導(dǎo)學(xué)生拓展思維，形成自主創(chuàng)新能力。

4 結(jié)論

教育信息化和現(xiàn)代化是教育模式革新的重要途徑和手段，是教學(xué)資源開放共享和提高大學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的有效手段[6]。通過化工原理實驗拆裝仿真軟件的開發(fā)和應(yīng)用，可以有效地促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的操作能力和創(chuàng)新能力，加強學(xué)生的安全意識，為其他實踐類課程的教學(xué)模式改革提供借鑒和示范。