“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

牛古丹 楊秀春 鹿桂芳

摘? 要：傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段由于受到實(shí)驗(yàn)客觀條件的影響，很難讓每個(gè)學(xué)生獨(dú)立的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，影響了教學(xué)效果，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工原理實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用與實(shí)踐，既能較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的不足，又提高了高?；ぴ韺?shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高校;互聯(lián)網(wǎng)+;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);化工原理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）25-0096-03

Abstract： Affected by the objective conditions of experiments， it is very difficult for each student to complete the experiment task independently under the traditional experimental teaching methods of chemical engineering principles， which has influenced the teaching effect. With the application and practice of "Internet+" virtual simulation experiment in the experimental teaching of chemical engineering principles， the deficiencies of traditional experimental teaching methods can be made up， and the teaching quality of experimental courses in chemical engineering principles can be improved.

Keywords： colleges and universities; Internet+; virtual simulation experiment; experiment of chemical engineering principles

一、引入互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

化工原理實(shí)驗(yàn)是化工原理理論教學(xué)的補(bǔ)充、持續(xù)和優(yōu)化，通過化工原理實(shí)驗(yàn)，不僅能夠鞏固學(xué)生在理論方面的基本知識(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生分析問題與處理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高學(xué)生自助進(jìn)行科學(xué)研究的潛能，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新理念，使學(xué)生能夠樹立正確的工程觀點(diǎn)。由此可見化工原理實(shí)驗(yàn)在化工專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的人才培育方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也逐漸崛起，該技術(shù)把系統(tǒng)技術(shù)、相似原理、信息技術(shù)和其應(yīng)用范圍內(nèi)相關(guān)的專業(yè)技術(shù)為本原，將各種物理效應(yīng)和計(jì)算機(jī)設(shè)備為工具，采用系統(tǒng)模型對遐想中或是現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)開展試驗(yàn)探討的一項(xiàng)綜合性技術(shù)[2-3]。早在2012年易觀第五屆移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)上，于揚(yáng)在發(fā)言中第一次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念。于揚(yáng)認(rèn)為，不久的將來，“互聯(lián)網(wǎng)+”這個(gè)公式在我們所在行業(yè)的產(chǎn)品與服務(wù)中都會(huì)涉及到。2015年全國人民代表大會(huì)上，馬化騰提交了《關(guān)于以“互聯(lián)網(wǎng)+”為驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展的建議》的議案，他指出“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念是采用信息通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)平臺(tái)把傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各種類型的企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)而在其他領(lǐng)域建設(shè)一種全新的生態(tài)體系。2015年3月5日國家總理李克強(qiáng)在第十二屆全國人大三次會(huì)議的政府相關(guān)工作報(bào)告中，第一次提出開展“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃[4-6]。從2012年開始，我國的互聯(lián)網(wǎng)在教育方面就得到了迅猛發(fā)展，普及范圍十分廣泛，傳播速度非?？?。2017年我國驅(qū)動(dòng)了《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，同時(shí)以“平臺(tái)共享和項(xiàng)目開發(fā)”為特征的創(chuàng)新型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正在建設(shè)中[7]。而在高等教育的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，則仍是以虛擬仿真為主，基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)鮮有報(bào)道。構(gòu)建基于化工原理互聯(lián)網(wǎng)+仿真實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)中心，使學(xué)生能夠不受時(shí)空限制，進(jìn)行實(shí)際操作和研究，并與同學(xué)進(jìn)行信息共享，這是一項(xiàng)非常有價(jià)值的課題研究。

二、互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用與實(shí)踐

互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真是通過數(shù)字仿真技術(shù)、仿真工廠技術(shù)、多媒體技術(shù)、3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)app技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。教師和學(xué)生共用此平臺(tái)。教師可以通過知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、資料上傳、資源分配;通過理論學(xué)習(xí)，進(jìn)行題庫管理、題庫分配、理論考試管理、在線閱卷、統(tǒng)計(jì)分析;可以通過仿真學(xué)習(xí)，進(jìn)行考試管理、學(xué)習(xí)日志、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、在線答疑等;仿真課程可以進(jìn)行仿真課程管理、課程分配、成績管理和證書管理;還可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)管理，進(jìn)行學(xué)員信息查看和密碼修改;還可以通過通知公告、創(chuàng)建公告、發(fā)布公告、接受公告;還可以進(jìn)行個(gè)人信息管理密碼修改等。教師可以不受時(shí)空限制完成與學(xué)生的互動(dòng)，并能了解學(xué)生參與情況和實(shí)驗(yàn)的完成情況。學(xué)生則可以進(jìn)行以下情況學(xué)習(xí)（見圖1）。

圖1 學(xué)生進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容

學(xué)生進(jìn)行仿真操作之前，先要進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)安全知識(shí)的考核，二者考核合格之后，獲取虛擬仿真操作的證書，之后才能進(jìn)行仿真內(nèi)容的學(xué)習(xí)。學(xué)生進(jìn)行仿真內(nèi)容學(xué)習(xí)、操作、事故的緊急情況處理、數(shù)據(jù)報(bào)告處理、思考題回答，合格通過之后獲取實(shí)驗(yàn)操作證書，才能預(yù)約實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)操。如圖2所示。

（一）安全意識(shí)培訓(xùn)

通過3D動(dòng)畫的形式了解化工廠基本安全規(guī)范和技術(shù)要求，培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)和遇到安全事故處理問題的能力，包括練習(xí)和考核兩部分?？己耸悄M現(xiàn)實(shí)安全隱患，讓學(xué)生查找并解決問題，使學(xué)生有種身臨其境的感覺?？己瞬缓细裾卟荒苓M(jìn)入下一步的學(xué)習(xí)。通過這種3D形式的學(xué)習(xí)，使學(xué)生印象更加深刻，學(xué)習(xí)效果更加明顯。

（二）理論知識(shí)學(xué)習(xí)考核

學(xué)生通過安全知識(shí)培訓(xùn)之后，可以進(jìn)入理論知識(shí)的考核，理論試題是在題庫里隨機(jī)抽取，也可以是老師針對某一方面的內(nèi)容，有針對性的考核，考核結(jié)束后，進(jìn)行在線評(píng)分，系統(tǒng)直接出成績。學(xué)生理論考試通過之后，才能獲得進(jìn)入仿真練習(xí)的通行證。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

學(xué)生進(jìn)入仿真系統(tǒng)之后，可以根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度選取不同的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們選取的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，幾乎包括了化工原理所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分別是：1. 化工流動(dòng)過程綜合實(shí)驗(yàn);2. 離心泵特性曲線測定實(shí)驗(yàn);3. 汽-氣對流傳熱實(shí)驗(yàn);4. 填料吸收塔實(shí)驗(yàn);5. 精餾塔實(shí)驗(yàn);6. 干燥曲線和干燥速率曲線測定實(shí)驗(yàn);7. 萃取實(shí)驗(yàn);8. 恒壓過濾實(shí)驗(yàn);9. 液液萃取塔實(shí)驗(yàn);10. 攪拌器性能測定實(shí)驗(yàn);11. 流化床干燥實(shí)驗(yàn);12. 滲透蒸發(fā)膜分離實(shí)驗(yàn)。

（四）虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)踐

選擇實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入系統(tǒng)之后就進(jìn)入到了具體仿真操作界面。每個(gè)仿真項(xiàng)目都有相關(guān)內(nèi)容介紹，其中包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟等，涉及設(shè)備及某些復(fù)雜部件的工作原理，會(huì)插入有關(guān)的錄像資料，真實(shí)設(shè)備的照片等，如需演示，單機(jī)鼠標(biāo)左鍵，則在右側(cè)演示區(qū)，出現(xiàn)相關(guān)的三維動(dòng)畫演示。進(jìn)行仿真項(xiàng)目操作時(shí)，學(xué)生可以任意轉(zhuǎn)換DCS頁面和現(xiàn)場圖。每個(gè)操作的界面都十分簡潔，直觀呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生直接獲取數(shù)據(jù)，非常便捷，而且還具備放大局部效果的功能，使儀表及數(shù)據(jù)讀取清晰明了。

（五）互聯(lián)網(wǎng)+仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理，包括原始數(shù)據(jù)的記錄、運(yùn)算結(jié)果的生成、繪制曲線和圖表、實(shí)驗(yàn)分析、設(shè)備列表等最后生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。最初始的數(shù)據(jù)，由學(xué)生自助收集，軟件處理自動(dòng)生成原始表格，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，填寫在相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入框中，本界面中已輸入的數(shù)值為軟件默認(rèn)值，可對其進(jìn)行更改。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”按鈕即可獲得實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果。在“數(shù)據(jù)處理”區(qū)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果后，點(diǎn)擊“繪制”即可得曲線圖，生成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以直接打印出來，也可以存儲(chǔ)在電腦或U盤里。這一部分也可以由學(xué)生手動(dòng)計(jì)算完成。

（六）基本操作和綜合設(shè)計(jì)考核

可通過局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基本操作和綜合設(shè)計(jì)的在線測試考核，基本操作進(jìn)行虛擬仿真軟件中化工工藝及設(shè)備儀器儀表認(rèn)識(shí)、設(shè)備操作的開車、正常運(yùn)行，停車的考核，綜合設(shè)計(jì)進(jìn)行異常情況及事故的緊急處理，參數(shù)變化對實(shí)驗(yàn)過程的影響等考核，考核結(jié)束在線直接評(píng)分，扣分和得分情況一目了然，而且會(huì)指出錯(cuò)誤原因并給予糾正。這兩項(xiàng)考核合格之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)上傳到化工原理實(shí)驗(yàn)室，預(yù)約時(shí)間進(jìn)行化工原理實(shí)操實(shí)驗(yàn)。

三、互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)及不足

我們在開展傳統(tǒng)化工原理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過兩年時(shí)間的實(shí)踐，體會(huì)到互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入有如下優(yōu)點(diǎn)：

（一）節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)裝置費(fèi)用

眾所周之，實(shí)驗(yàn)?zāi)芗由顚W(xué)生對理論知識(shí)的理解和記憶，充分的實(shí)驗(yàn)對學(xué)生知識(shí)的掌握和綜合素質(zhì)的提高無疑是起到不可估量的作用，但是由于學(xué)校資金緊張，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地不充分，師資和課時(shí)有限，學(xué)生想要獨(dú)立完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)是很難實(shí)現(xiàn)的。而仿真實(shí)驗(yàn)的引入就解決了這樣的難題，既可以滿足每位同學(xué)一臺(tái)計(jì)算機(jī)，單獨(dú)操作，又可以多增加很多單元操作實(shí)驗(yàn)，而無需增加任何費(fèi)用，使教學(xué)效果明顯提高;同時(shí)可以進(jìn)行多終端仿真學(xué)習(xí)考核：移動(dòng)端、PC端、網(wǎng)頁端，真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，不受時(shí)間、空間限制。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)裝置，每年都需要較多的維修費(fèi)用，而仿真實(shí)驗(yàn)投資少，使用及維護(hù)方便。

（二）提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

首先，傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)室，只能開出七個(gè)實(shí)驗(yàn)，且每五人共用一臺(tái)設(shè)備，而仿真實(shí)驗(yàn)是每人一臺(tái)設(shè)備，必須自己親自動(dòng)手，完成全部過程才能得到理想的分?jǐn)?shù);其次由于資金和占地空間的緣故，原有學(xué)校只能安排學(xué)生做七個(gè)實(shí)驗(yàn)，而仿真實(shí)驗(yàn)可以做十三個(gè)，這就彌補(bǔ)缺少的實(shí)驗(yàn)。這對學(xué)生知識(shí)的掌握無疑起到了加強(qiáng)。另外，我們要求學(xué)生實(shí)操之前，先配以互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，進(jìn)行理論知識(shí)點(diǎn)、安全知識(shí)、基本操作和綜合設(shè)計(jì)的考核通關(guān)，全部合格獲取雙重證書，才能預(yù)約實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這就迫使學(xué)生必須自己獨(dú)立做好預(yù)習(xí)工作，強(qiáng)化了教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

（三）提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和設(shè)計(jì)能力

傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)課程對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)流程的講解都是在黑板上開展的，描述的不夠形象且十分呆板;然而互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真是一種全新的教學(xué)模式，它是針對于實(shí)際過程和流程創(chuàng)建的一種教學(xué)模型，通過卡通人物講解、VR實(shí)驗(yàn)等眾多新形勢的大眾化使用。模擬真實(shí)的化工生產(chǎn)過程，并將其實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場通過計(jì)算機(jī)再現(xiàn)于學(xué)生面前，這樣一種既生動(dòng)又形象的教學(xué)，使學(xué)生有種置身于其中的體驗(yàn)，更容易接受和理解，提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，強(qiáng)化了學(xué)生們的感性認(rèn)知，并減輕了教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)。通過虛擬仿真可以發(fā)現(xiàn)在使用過程中有可能出現(xiàn)的設(shè)備缺陷、故障或事故模式，以增強(qiáng)學(xué)生對設(shè)備設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)方式和關(guān)鍵部位的改進(jìn)或改善。

互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，作為一種新的教學(xué)模式，可給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來許多益處，但必須指出的是，仿真實(shí)驗(yàn)畢竟不是真正的實(shí)際對象的操作，本身有不可替代的局限性，會(huì)造成一定的負(fù)面影響。比如學(xué)生在使用仿真實(shí)驗(yàn)軟件的過程中，會(huì)淡化對基本訓(xùn)練和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，同時(shí)由于仿真實(shí)驗(yàn)的軟件過于智能化，對學(xué)生錯(cuò)誤和故障的排除，能及時(shí)提示，造成學(xué)生的過于依懶，減少了學(xué)生應(yīng)對突發(fā)事件、排除故障及對實(shí)驗(yàn)儀器的常規(guī)檢修的能力。

四、結(jié)束語

綜上所述，可以清晰的看出，在化工原理實(shí)驗(yàn)課上引入互聯(lián)網(wǎng)+仿真實(shí)驗(yàn)，能顯著提升教學(xué)效果。但仿真實(shí)驗(yàn)只是虛擬的，具有失真性，不可以全部代替親自動(dòng)手的實(shí)際實(shí)踐，如何提高二者的互補(bǔ)性，并找到仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的最佳結(jié)合點(diǎn)，還有待于我們繼續(xù)探索和完善。

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