探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在《化工原理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)中的應(yīng)用

孫智慧，楊連利，張衛(wèi)紅

(咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

化工原理課程是化工、材料、制藥等專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其工程性和實(shí)踐性較強(qiáng)。該課程教學(xué)環(huán)節(jié)主要分為兩部分，即理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其中化工原理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是在完成各單元操作理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上而開(kāi)展的，可使學(xué)生進(jìn)一步深刻理解和掌握典型化工單元操作中設(shè)備工作原理、操作過(guò)程及設(shè)計(jì)理念等。實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展，可使學(xué)生更好地理解和掌握課堂上所學(xué)的枯燥無(wú)味的理論知識(shí)，同時(shí)有助于提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力和各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維等[1]。

但是，隨著大學(xué)課程教學(xué)改革的深入，化工原理理論和實(shí)驗(yàn)課時(shí)都出現(xiàn)下調(diào)現(xiàn)象，任課教師為確保所學(xué)理論體系的完整性，平均課時(shí)所學(xué)知識(shí)量加大，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所講內(nèi)容不能很好地理解并掌握，另外，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量限制，學(xué)生只能分組輪流實(shí)驗(yàn)，如果出現(xiàn)設(shè)備故障等突發(fā)狀況，有些實(shí)驗(yàn)量并未達(dá)到課程任務(wù)要求，日積月累，學(xué)生很容易失去學(xué)習(xí)興趣。此外，化工原理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展也受到時(shí)間和空間教學(xué)資源的限制，部分實(shí)驗(yàn)只在特定條件下開(kāi)展。例如，篩板塔精餾實(shí)驗(yàn)，由于受時(shí)間和空間限制，往往要求學(xué)生測(cè)定精餾塔在全回流特定條件下的理論板數(shù)、總板效率，而關(guān)于回流比、溫度等條件改變對(duì)精餾塔精餾效果影響卻無(wú)從獲知，從而影響教學(xué)效果。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)因其"成本低、消耗少、零排放、易管理"等優(yōu)點(diǎn)而逐漸應(yīng)用到高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[2-3]。學(xué)生通過(guò)借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展化工原理實(shí)驗(yàn)，在各單元操作2D界面上熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工藝流程等，在3D界面上體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，操作虛擬設(shè)備，借助視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)上熟悉并掌握實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程[4]。

1 教學(xué)平臺(tái)簡(jiǎn)介

咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院已建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，該中心具備多套工藝仿真軟件，均由北京東方仿真公司開(kāi)發(fā)。其中也包括化工原理2D與3D仿真實(shí)驗(yàn)軟件，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列于表1中。例如，精餾塔精餾實(shí)驗(yàn)2D與3D仿真實(shí)驗(yàn)操作界面如圖1所示。在仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，教師通過(guò)教師站啟動(dòng)控制平臺(tái)，指定訓(xùn)練項(xiàng)目和訓(xùn)練室，學(xué)生按照教師指令在電腦上啟動(dòng)進(jìn)入學(xué)生端登陸窗口，進(jìn)入指定的仿真實(shí)訓(xùn)界面。教師通過(guò)教師機(jī)可以方便地監(jiān)控學(xué)生整個(gè)操作過(guò)程，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生理論掌握情況以及操作過(guò)程中存在的問(wèn)題。同時(shí)，教師也可以查看學(xué)生訓(xùn)練成績(jī)，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的整體訓(xùn)練效果。

表1 化工原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2 教學(xué)方法

按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生課堂上學(xué)習(xí)完化工原理理論知識(shí)后，接下來(lái)即將進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際設(shè)備操作。通常情況下，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)前，教師會(huì)依次給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作步驟及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等，然后才讓學(xué)生動(dòng)手操作。但由于學(xué)生缺乏實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到突發(fā)狀況時(shí)，難免會(huì)手忙腳亂，增大實(shí)驗(yàn)安全隱患。為使學(xué)生更好地掌握操作過(guò)程以及避免部分誤操作引起安全事故等突發(fā)狀況，此時(shí)化工原理仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以發(fā)揮很重要的作用。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以預(yù)先體驗(yàn)和熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境，熟悉和掌握操作步驟和實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等，通過(guò)實(shí)訓(xùn)可為實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作打好鋪墊[5-6]。

化工原理仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中2D畫(huà)面中完整呈現(xiàn)了單元操作的整個(gè)工藝流程，操作界面中標(biāo)注了設(shè)備名稱與位號(hào)，以及操作提示。例如在做精餾仿真實(shí)訓(xùn)時(shí)，學(xué)生首先可以通過(guò)仿真界面熟悉精餾塔的主要部件、閥門及其安裝位置、主要控制參數(shù)等；其次可以通過(guò)調(diào)整操作，實(shí)現(xiàn)全回流和部分回流，或者改變塔釜溫度或塔壓等工藝參數(shù)，可以直觀地觀察到操作條件改變時(shí)對(duì)塔頂和塔底產(chǎn)物濃度的影響規(guī)律。

化工原理仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中3D畫(huà)面模擬了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以真實(shí)感受到精餾單元中各設(shè)備擺放位置、物料出入口、閥門樣式及安裝位置、操作面板參數(shù)控制、機(jī)動(dòng)設(shè)備的啟停方式等。通過(guò)實(shí)訓(xùn)裝置開(kāi)車、正常運(yùn)行、停車后，可以很好地掌握整套裝置的運(yùn)行。此外，也可以直觀地感受到裝置在一些異常狀況下的現(xiàn)象。如此反復(fù)訓(xùn)練，可以對(duì)學(xué)生有效地強(qiáng)化工程實(shí)際運(yùn)行的感性認(rèn)知。

通過(guò)化工原理仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生由被動(dòng)實(shí)驗(yàn)變主動(dòng)實(shí)驗(yàn)，從開(kāi)車前準(zhǔn)備工作到順利停車，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都要親自操作。在裝置運(yùn)行過(guò)程中，如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，此時(shí)并沒(méi)有現(xiàn)成的解決方案供他們借鑒，學(xué)生必須自己分析、思索問(wèn)題產(chǎn)生的原因，進(jìn)而找到解決異常事故的方法。通過(guò)本環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也可以培養(yǎng)他們的自信心。此外，系統(tǒng)中設(shè)置了有關(guān)本次實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同學(xué)們要根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況對(duì)一些實(shí)驗(yàn)理論、操作異常等方面進(jìn)行綜合測(cè)試，從而進(jìn)一步鞏固理論和實(shí)操知識(shí)。以上方面均可以激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣[7]。

3 考核方式

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)數(shù)的限制及實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間的限制，造成學(xué)生無(wú)法參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每一環(huán)節(jié)，不僅影響整體教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也影響教師對(duì)學(xué)生整體素質(zhì)的考評(píng)。例如，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生往往以小組的形式共同操作某一單元裝置，所以無(wú)形中增大了對(duì)個(gè)人進(jìn)行考核測(cè)評(píng)的難度。因此，教師考核學(xué)生時(shí)往往主要通過(guò)課堂紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告這幾個(gè)方面綜合考評(píng)?；ぴ韺?shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)應(yīng)用后，有利于教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程與效果進(jìn)行監(jiān)控與評(píng)價(jià)，例如學(xué)生仿真實(shí)訓(xùn)時(shí)間、測(cè)評(píng)成績(jī)、操作過(guò)程等，仿真系統(tǒng)內(nèi)都有詳細(xì)的記錄，教師對(duì)學(xué)生的考核途徑也多樣化，從課前準(zhǔn)備、操作、實(shí)訓(xùn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)效果等多方面進(jìn)行綜合考評(píng)。

4 結(jié)語(yǔ)

化工原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)地還原實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以按照自己的想法或?qū)嶒?yàn)預(yù)案完成各類化工單元操作，通過(guò)反復(fù)實(shí)訓(xùn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種全新的新型高效教學(xué)模式，但不能完全代替實(shí)際設(shè)備操作過(guò)程，兩種教學(xué)模式應(yīng)有效結(jié)合，使學(xué)生各方面能力培養(yǎng)上發(fā)揮極佳效果。