基于“虛—實”組合教學(xué)在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗課中的應(yīng)用

代偉 王芳芳 滕波濤 朱鋼國

[ 摘 要 ] 以浙江師范大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)的實驗課為例，提出了運用“虛實相輔、虛中帶實、可實不虛”的新型教學(xué)模式，為優(yōu)化應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)的拓新性、實效性和多樣性以及提高“教—學(xué)”成效提供了新視野。

[ 關(guān)鍵詞 ] 實驗教學(xué);應(yīng)用化學(xué)專業(yè);虛擬仿真

[ 中圖分類號 ] G640 [ 文獻標(biāo)識碼 ] A [ 文章編號 ] 1005-4634（2018）03-0102-04

實驗教學(xué)在高校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中處于極其重要的地位。傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的局限性已經(jīng)嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，使得教學(xué)質(zhì)量面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種有效的補充，虛擬實驗教學(xué)已經(jīng)成為加強實踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗教學(xué)，而且可以克服傳統(tǒng)實驗的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實驗教學(xué)中存在的諸多問題[ 1，2 ]。如果能將虛擬仿真技術(shù)結(jié)合于實驗教學(xué)中，必將有效地彌補傳統(tǒng)教學(xué)過程中教學(xué)形式單一、學(xué)生自主動手操作能力差、學(xué)習(xí)效率低等問題，產(chǎn)生重要的實驗教學(xué)示范效應(yīng)。

1 “虛中有實”和“實中有虛”實驗教學(xué)構(gòu)思

遵循“虛實相輔、虛中帶實、可實不虛”的指導(dǎo)原則?！疤搶嵔Y(jié)合”可以解決如下問題。

1） 解決“想做而不能做”的實驗問題。例如，涉及到易燃易爆、高溫高壓類實驗。

2） 解決 “能做不愿做”的實驗問題。例如，浙江師范大學(xué)開設(shè)的化工原理實驗中的篩板精餾塔，此實驗在常壓操作狀態(tài)才能保證整個單元操作的正常性，因此需要塔頂設(shè)置常開狀態(tài)的放空閥。在虛擬實驗過程中，學(xué)生通過關(guān)閉放空閥加熱精餾塔就可以觀察到塔內(nèi)溫度持續(xù)增加甚至超過200 ℃，塔板也不會出現(xiàn)沸騰回流現(xiàn)象，并且塔內(nèi)蒸汽壓力越來越大，最終導(dǎo)致爆炸和設(shè)備報廢現(xiàn)象。以上實驗在現(xiàn)實中是不允許執(zhí)行的。

3） 解決“只看不能做”的實驗問題。對于大型精密貴重的科研儀器及裝置，學(xué)生必須經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)才能操作儀器，這導(dǎo)致絕大多數(shù)學(xué)生“只看不能做”，學(xué)生視野難以得到拓展[ 3，4 ]。例如，浙江師范大學(xué)開設(shè)的化工儀表及自動化實驗。實驗中的儀器使用部分必須先通過3D虛擬操作的考核，既能規(guī)范操作提高實驗成功率，又能了解儀器原理和維護，能夠處理可能遇到的常見問題。為了進一步豐富實驗教學(xué)的內(nèi)容，讓計算化學(xué)實驗成為綜合實驗的一部分，結(jié)合現(xiàn)有實驗，設(shè)計制作化學(xué)反應(yīng)計算與模擬實驗，使同學(xué)們能夠通過計算化學(xué)方法更深刻地掌握相關(guān)知識;通過虛擬仿真的形式，變枯燥為生動，變抽象為具體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其有效地掌握一定的理論計算化學(xué)的知識，階梯式深入思考，強化思維創(chuàng)新訓(xùn)練，拓寬知識數(shù)據(jù)庫，增強應(yīng)用化學(xué)實驗教學(xué)功效。

另外，“虛中有實”是教師提出實驗教學(xué)的又一特征，實現(xiàn)了科研成果帶動本科教學(xué)。實驗周期長，操作復(fù)雜，對學(xué)生綜合素質(zhì)要求高，實驗的成功率受到一定限制，學(xué)生對實驗的理解也不夠充分。結(jié)合現(xiàn)有材料化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)實驗，開發(fā)虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)實驗準(zhǔn)備、操作過程、產(chǎn)品分析檢測等完整實驗步驟的模擬，師生通過人機互動強化訓(xùn)練，精通實驗操作，大幅度提升真實實驗成功率。模擬中對所使用儀器原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示，標(biāo)準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)分析、處理、繪圖等，對學(xué)生深入理解實驗內(nèi)容、了解創(chuàng)新研究的意義很有幫助。 “虛—實”教學(xué)模式既可提高“教—學(xué)”效率，又可獲得直觀、真實和實用的效果，還能對不可視裝置的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設(shè)備作仿真實訓(xùn)。一方面可鍛煉學(xué)生操作、認(rèn)知和查檢的技能，另一方面可培養(yǎng)學(xué)生人機互動，自由“教—學(xué)”的能力[ 5，6 ]。

2 “虛—實”組合實驗教學(xué)類型

浙江師范大學(xué)應(yīng)用化學(xué)虛擬仿真實驗室建成于2016年，將“虛—實”結(jié)合的實驗教學(xué)用于認(rèn)知實習(xí)、仿真工廠實習(xí)、化工原理仿真實驗、化工儀表仿真實驗等。學(xué)院構(gòu)建了由展示型、仿真模擬型、實訓(xùn)工廠型、化工設(shè)計型、創(chuàng)新課題型等5層次“虛—實”實驗教學(xué)體系（如圖1所示）。

2.1 展示型

展示型“教—學(xué)”是借助“化工原理實驗”“化工儀表實驗”“反應(yīng)工程實驗”“基礎(chǔ)化學(xué)實驗”等多系列、多角度和多方位的仿真素材庫，以視頻、PPT、在線演示資料等展示真實教學(xué)過程。實施過程中，先通過虛擬仿真軟件深化理論知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力，獲得優(yōu)化運行參數(shù)，再通過實際實驗操作提升學(xué)生對儀器、工藝、原理和技術(shù)的認(rèn)知，提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

2.2 仿真模擬型

仿真模擬型利用計算流體力學(xué)技術(shù)和虛擬仿真實驗技術(shù)，對化工單元設(shè)備中介觀微粒、氣泡、液滴以及微元進行仿真，繪制出設(shè)備流場中的工藝參數(shù)的三維空間分布，優(yōu)化設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)，并進行流程的動態(tài)響應(yīng)測試、安全評價、事故訓(xùn)練等實踐訓(xùn)練，為化工過程的安全操作與經(jīng)濟運行提供參考。例如，丙烯高溫氯化混合反應(yīng)器仿真與優(yōu)化設(shè)計。針對高溫氯化法生產(chǎn)氯丙烯過程中存在的系統(tǒng)結(jié)焦嚴(yán)重、清焦周期過短、反應(yīng)收率低的問題，運用計算流體力學(xué)，結(jié)合湍流結(jié)構(gòu)理論和統(tǒng)計學(xué)理論，提出了流體多維變形擴散過程以及湍流剪切拉伸耦合的多尺度混合機理模型。通過將該理論模型與反應(yīng)動力學(xué)模型、流體力學(xué)輸運模型相結(jié)合，形成了反應(yīng)器的整體仿真與優(yōu)化設(shè)計平臺。運用該虛擬仿真平臺仿真模擬了丙烯高溫氯化混合反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、操作參數(shù)，獲得了濃度場、速度場和溫度場等的數(shù)據(jù)分布（如圖2所示），并探究出了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征、操作條件和操作方法等對反應(yīng)的不利影響因素，最終提出了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造方案。

2.3 實訓(xùn)工廠型

實訓(xùn)工廠型以“丙烯酸甲酯半實物虛擬仿真工廠”為例：以平湖石化現(xiàn)有的丙烯酸甲酯生產(chǎn)工廠為模板，等比例縮小生產(chǎn)裝置，將此生產(chǎn)工藝設(shè)備安裝進實驗室。采用真實工業(yè)閥門和儀表配合真實比例的仿真設(shè)備。裝置與丙烯酸甲酯3D仿真軟件完美融合，實現(xiàn)在線開停車、事故處理等實訓(xùn)操作，極大地優(yōu)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。師生利用實體設(shè)備和計算機進行DCS 控制風(fēng)格的仿真訓(xùn)練培訓(xùn)。學(xué)生可在局域網(wǎng)內(nèi)的學(xué)生工作站練習(xí)模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現(xiàn)象處理。教師可在局域網(wǎng)互聯(lián)的教師站實時規(guī)定或修改學(xué)生的培訓(xùn)內(nèi)容、組織考試、學(xué)生成績等，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)時學(xué)生無法親自動手操作的不足。圖3為丙烯酸甲酯 DCS 控制界面。借助高效仿真系統(tǒng)中的工藝流程、設(shè)備、分析數(shù)據(jù)等實時互動、交流，使師生在一種特殊的環(huán)境中產(chǎn)生了親臨真實企業(yè)的感受和體驗（見圖4）。

2.4 化工設(shè)計型

設(shè)計型“教—學(xué)”要求學(xué)生運用已學(xué)的四大化學(xué)和化工相關(guān)專業(yè)知識，根據(jù)指定的設(shè)計任務(wù)完成化工原理課程設(shè)計、車間設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及課堂小設(shè)計等環(huán)節(jié)。例如，在流體力學(xué)模擬仿真實驗中，由于化工原料及產(chǎn)品大多數(shù)是流體，并且在化工設(shè)計過程中需要應(yīng)用流體流動的基本原理，因此，流體流動問題顯得非常重要，具體表現(xiàn)如下：流體輸送過程中一般需要輸送設(shè)備，必須計算流體在流動過程中應(yīng)加入的外加功，為選擇輸送設(shè)備提供依據(jù);合理選擇和安裝測量儀表對管路或者設(shè)備內(nèi)的壓力、流速、流量等參數(shù)進行測定來控制生產(chǎn)過程;化工傳熱和傳質(zhì)是在流體流動的情況下進行，并與設(shè)備的操作效率和流體的流動狀況息息相關(guān)，這對設(shè)備選型設(shè)計具有重要意義。因此，通過流體力學(xué)虛擬仿真軟件（見圖5），便于學(xué)生深入學(xué)習(xí)流體輸送設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性，以便能根據(jù)輸送任務(wù)正確地選擇輸送設(shè)備的類型和規(guī)格，決定輸送機械在管路中的安裝位置，計算消耗功率，使輸送設(shè)備在高效率下可靠運轉(zhuǎn)，再根據(jù)虛擬仿真實驗的結(jié)果，在現(xiàn)場進行驗證（見圖6），使學(xué)生更好地掌握流體力學(xué)方面的知識。

2.5 創(chuàng)新課題型

針對學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生，教師可以通過創(chuàng)新課題型“教—學(xué)”提高其創(chuàng)新能力，鼓勵自主創(chuàng)新，解決若干具有挑戰(zhàn)性的問題。學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)科競賽、國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、浙江省新苗人才計劃等實現(xiàn)創(chuàng)新訓(xùn)練。例如，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，組成創(chuàng)新課題小組，完成了“基于 Aspen plus 軟件的環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝優(yōu)化計算”“平推流與全混流反應(yīng)器系統(tǒng)仿真開發(fā)”等項目;在題目為“針對某一含硫工業(yè)廢氣源設(shè)計一套深度脫硫并予以資源化利用的裝置”的2017年第十一屆全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽全國總決賽中，學(xué)院學(xué)生運用“虛—實”組合技術(shù)的作品“年產(chǎn)3 500 t牛磺酸項目”獲得了全國賽一等獎的好成績。圖7是學(xué)生的ASPEN全廠工藝流程圖。

3 結(jié)束語

強調(diào)“虛實相輔、虛中帶實、可實不虛”的新型培養(yǎng)模式，利用仿真軟件結(jié)合現(xiàn)實復(fù)雜實驗組合的教學(xué)手段，不僅能實現(xiàn)“教—學(xué)”的虛實對照，更能完美地實現(xiàn)真實實驗與虛擬實驗結(jié)果的一一對照和評定。對于簡單或已開設(shè)的實驗，可引導(dǎo)學(xué)生對比真實實驗與虛擬仿真結(jié)果，加深知識點的掌握，做到“能實不虛”;而對于復(fù)雜或沒有開設(shè)的實驗，則利用逼真的虛擬仿真結(jié)果生動地展現(xiàn)實驗過程，優(yōu)化整體教學(xué)內(nèi)容，讓師生對實驗數(shù)據(jù)和虛擬仿真的相輔相成作用有更深刻的認(rèn)識。

參考文獻

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Application of "virtual-reality" combination teaching in experimental courses of applied chemistry major

Dai Wei，Wang Fang-fang，Teng Bo-tao，Zhu Gang-guo

（College of Chemistry and Life Sciences， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321004，China）

Abstract Taking the experimental courses in applied chemistry specialty of Zhejiang Normal University as an example， the paper proposes the application of the new educational model of "real complements with virtual， reality in virtual， real deprived of virtual"， providing a new perspective for the optimization of the innovation， effectiveness and diversity of the applied chemistry experimental teaching and meanwhile improves the teaching-learning effectiveness.

Keywords experimental teaching; applied chemistry; virtual simulation