虛擬仿真技術在化工專業(yè)實踐教學中的應用研究

傅華　陳曉霞

摘 要：由于科學技術的迅速發(fā)展和人們對教育的重視程度提高，虛擬仿真技術在實踐教學過程中的運用越來越廣泛。在化工專業(yè)實踐教學中應用虛擬仿真技術可以使教學過程更加生動有趣，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維以及實踐能力方面具有十分重要的作用。因此，首先介紹了虛擬仿真技術的應用背景，其次分析了在化工專業(yè)實踐教學中應用虛擬仿真技術的意義，再次闡述了虛擬仿真技術在化工專業(yè)實踐教學中應用的問題，最后全面分析了虛擬仿真技術在不同化工專業(yè)實踐課程中的應用情況。

關鍵詞：虛擬仿真技術；化工專業(yè)；實踐教學

職業(yè)院?；I(yè)許多專業(yè)課程的實踐性與應用性非常強，因此，在實踐教學過程中著重培養(yǎng)學生的實踐應用能力以及創(chuàng)新能力至關重要。但是，目前化工專業(yè)的實踐教學還存在許多問題，比如部分實驗因存在安全風險或能源消耗過多等問題而難以進行；由于一些化工企業(yè)禁止化工專業(yè)的實習生動手操作，學生的實習效果不佳；企業(yè)因?qū)嵺`資源不足而不接收化工專業(yè)的實習生，導致化工專業(yè)學生的實踐鍛煉機會大大減少，實踐教學起不到實際效用。在教學中應用虛擬仿真技術模擬真實的實踐過程，可以在避免部分安全風險的同時強化學生的實踐操作能力。

1?虛擬仿真技術的應用背景

我國高度重視職業(yè)技術教育，尤其是對一些應用型學科，鼓勵職業(yè)院校培養(yǎng)更多社會以及化工企業(yè)需要的應用型人才，順應職業(yè)教育信息化時代的潮流，鼓勵使用虛擬仿真技術等現(xiàn)代教育技術，培養(yǎng)學生的獨立操作能力和實踐創(chuàng)新能力。在化工專業(yè)課程中，實踐操作類課程必不可少，應用虛擬仿真技術對化工專業(yè)的實踐教學具有明顯的效果，借助虛擬仿真技術模擬實際操作過程能讓學生身臨其境，幫助學生更快適應化工企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。

2?在化工專業(yè)實踐教學中應用虛擬仿真技術的重要意義

虛擬仿真技術就是通過一些技術手段對另一個真實的系統(tǒng)進行模仿，即在現(xiàn)實生活中通過計算機系統(tǒng)體驗虛擬世界。虛擬仿真可以模仿人們已知或未知的世界，使用者可以憑借各種感官感知虛擬世界。在化工實踐教學中應用虛擬仿真技術、創(chuàng)建虛擬仿真訓練實驗室，可以讓學生更加直觀地看到清晰的化學操作過程，教師也可以利用這種靈活、先進的教學方法將學生的學習興趣和注意力轉(zhuǎn)移到課堂中，并且提高學生的工程設計能力，培養(yǎng)學生的工程意識與工程思維。給予學生動手實踐操作的機會，可以讓學生更加了解和熟悉化工行業(yè)的生產(chǎn)過程，將知識變得更加具體形象，方便學生記憶，這對實踐教學具有重要意義[1]。

2.1? 提供個性化實踐教學，提高學生的實踐創(chuàng)新能力

在實踐教學中應用虛擬仿真技術的優(yōu)勢之一就是教師可以采用個性化的教學方案、學生可以定制更有興趣的實驗方案，充分發(fā)揮虛擬仿真技術的學習功能，讓學生真正掌握實驗技能。另外，互聯(lián)網(wǎng)相關技術的快速發(fā)展也進一步加快了虛擬仿真技術在化工實踐教學中的應用步伐，使虛擬仿真技術的應用不再受空間和時間的限制，這不僅在一定程度上提升了學生的學習和實驗研究效率，還提高了教師實踐教學的質(zhì)量，讓每個學生都能做自己感興趣并且對自己有幫助的實驗，給學生帶來良好的實踐體驗，讓學生在親自動手操作的過程中提高自己的實踐創(chuàng)新能力。

2.2? 突破傳統(tǒng)實驗教學資源的限制，實現(xiàn)綠色教學

虛擬仿真技術在化工專業(yè)實踐教學過程中的應用可以幫助教師和學生突破傳統(tǒng)實驗教學資源的限制，同時可以實現(xiàn)綠色教學。在實踐教學過程中，教師往往會用到很多大型化學實驗儀器設備。例如在進行藥物分析實驗的實踐教學中，經(jīng)常會用到高效液相色譜儀、核磁共振分析儀、質(zhì)譜儀、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等。由于這些大型儀器非常昂貴且實驗運行成本也非常高，不能使每個學生都有操作機會。另外，在藥物化學實驗過程中常常會用到一些有毒或有害化學試劑，稍有不慎就會對學生造成危害；實驗產(chǎn)生的垃圾處理成本也非常高，并且會對環(huán)境造成一定的污染。若在化工實踐教學中適當應用虛擬仿真技術，不僅能突破時間與空間的限制，大大降低實驗成本，還可以消除化學實驗對學生的安全隱患，減少對環(huán)境的污染，充分實現(xiàn)綠色教學。

2.3? 使實踐課堂充滿趣味，激發(fā)學生的學習熱情

在傳統(tǒng)的實踐教學過程中，教師通常采用現(xiàn)場講解化學操作實驗過程的教學方法，學生很少有動手操作的機會。在實踐教學中應用虛擬仿真技術可通過模擬真實的實驗操作，讓學生對化學實驗的操作過程產(chǎn)生切身的感受，豐富動畫和音頻效果，使學生更快樂地學習化學相關知識和化學實驗操作技能，增加化工專業(yè)實踐教學的趣味性，充分激發(fā)學生對化學知識的求知欲以及對實驗操作的好奇心，使學生掌握化學實驗操作技能[2]。

3?化工專業(yè)實踐教學過程中存在的問題

化工專業(yè)除了要讓學生掌握扎實的理論知識，還需要學生掌握一些基本的實驗技能與操作技巧。由于化工專業(yè)課程具有非常強的實踐性與應用性，其培養(yǎng)重點是提高學生的實踐創(chuàng)新能力，而化學實驗架起了知識理論與實踐操作的重要橋梁。由于近年來化工產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，化工產(chǎn)品的種類和數(shù)量不斷增加，其中不免有反應性和毒性較強的化學物質(zhì)，這給化工生產(chǎn)帶來了很大的安全風險。為了更好地保障化工生產(chǎn)人員的人身安全，進一步降低化工安全事故的發(fā)生概率，很多化工操作已經(jīng)高度自動化，減少了很多人工操作的環(huán)節(jié)。考慮到生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)過程的自動化，很多企業(yè)會拒絕實習生到化工現(xiàn)場觀摩學習，即使去了也鮮有機會動手操作，難以提高他們的動手操作能力和實踐應用能力。

3.1? 教師的實踐教學專業(yè)素養(yǎng)和實踐經(jīng)驗不足，難以滿足人才培養(yǎng)要求

在實踐教學過程中，利用一定的現(xiàn)代化多媒體教學手段對推動化工專業(yè)的實踐教學有積極影響。由于教師缺乏實踐教學專業(yè)素養(yǎng)和實踐經(jīng)驗，對化工行業(yè)中的技術更新與發(fā)展了解得不全面，工程技術和化工實踐能力不足，未能構(gòu)建完整的化學知識結(jié)構(gòu)體系、發(fā)揮實踐教學的最大作用，所以培養(yǎng)的化工專業(yè)人才不符合化工類企業(yè)對人才的真正要求。由于缺乏對人才培養(yǎng)要求的把握，在實踐教學中制定的課程教學目標會很難實現(xiàn)，不能滿足學生化工實踐能力培養(yǎng)的要求。

3.2? 實驗條件不足，存在安全風險

目前，很多工科院校的專業(yè)實踐課程仍然受到實驗場地、辦學經(jīng)費以及實驗成本的限制。例如在實驗室合成藥物時，學校只配備了一些簡單的玻璃儀器裝置，學生只能完成條件簡單的實驗，與實際的藥物生產(chǎn)有較大差距，不能滿足化工企業(yè)對應用技術型人才的真正需求。近年來，隨著學校實驗規(guī)模的不斷擴大，實驗成本逐漸增加，加上實驗條件不足，在開展部分藥物實驗時容易造成環(huán)境污染。在實驗過程中，還有可能會用到許多易爆炸、易燃燒、腐蝕性較強的化學藥劑，若是使用不當，很有可能發(fā)生爆炸等嚴重事故，威脅師生安全，也對學校造成一定的財產(chǎn)損失[3]。

3.3? 實踐教學內(nèi)容不夠豐富，阻礙學生的全面發(fā)展

雖然化工專業(yè)課程中有相當豐富的實踐內(nèi)容，但是學生在實驗課程中只能學到一些簡單的操作方法和技能，很難全面掌握化工生產(chǎn)過程中的知識與操作技能，全面發(fā)展受到阻礙。

4?虛擬仿真技術在不同化工專業(yè)實踐課程中的應用

隨著科技的進步，很多學校和專業(yè)開始在實踐教學中應用虛擬仿真技術，特別是在實踐性和應用性比較強的化工專業(yè)，對虛擬仿真技術的應用越來越多。由于化工專業(yè)涉及的知識比較抽象且范圍較廣，傳統(tǒng)的教學過程比較枯燥，將虛擬仿真技術應用到化工專業(yè)實踐教學中非常有必要。

4.1? 在原理教學中的應用

在化工實踐課程中，由于涉及的裝置設備較大、運行時間長、維修費用高，不利于提升實踐教學的效果。因此，教師可以在實踐教學中利用虛擬仿真技術，參考實際化工生產(chǎn)中的設備和流程，模擬生產(chǎn)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，為學生創(chuàng)建一個真實的化工環(huán)境，這樣不僅可以減少環(huán)境污染和原料消耗，還可以強化學生的動手操作能力、理論聯(lián)系實際的能力。另外，學?？梢越⒒嵺`教學資源庫，利用2D和3D動畫以及仿真實訓操作軟件等教學資源，在教學過程中生動形象地演示反應器的工作原理，輔助化工實踐教學，豐富教學內(nèi)容，提高實踐教學效果。教學資源庫的內(nèi)容如表1所示。

4.2? 在實驗教學中的應用

在實驗教學中，充分應用虛擬仿真技術可以豐富實驗教學內(nèi)容。在教學過程中，教師要認真篩選虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，將其作為真實實驗課程的重要補充，最大限度地完善化工專業(yè)教學體系。比如在開展二氧化碳的吸收與解析、精餾綜合拓展實驗以及化工流動過程綜合實驗時，利用3D虛擬仿真技術，將真實的數(shù)據(jù)庫作為實驗依據(jù)，最大限度地模擬真實的設備操作過程，使最后的仿真實驗結(jié)果無限接近真實的實驗結(jié)果。此外，仿真操作更容易改變實驗條件，獲取實驗結(jié)果和驗證課本結(jié)論的速度也更快。合理設置3D仿真實驗可以豐富實踐教學內(nèi)容，提升學生的實踐操作能力和化工理論掌握程度。

4.3? 在化工實習中的應用

由于化工專業(yè)的實踐性、操作性比較強，多數(shù)院校的化工專業(yè)都會安排學生進行定期實習，一般是由本專業(yè)的教師親自帶領學生進入化工企業(yè)觀摩實習。由于化工類企業(yè)環(huán)境和設備比較復雜，實習的學生只能觀看，而不能動手操作，只能看到化工設備以及操作的表象，不能真正理解其運行的實質(zhì)。在學生的實習過程中應用虛擬仿真技術，可以最大限度地避免學生實踐操作機會少的問題，也能發(fā)揮實習對學生的真正作用。例如在學習煤制烯烴工藝時，教師可以借助虛擬仿真軟件進行實踐教學，利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機互動等技術為學生構(gòu)建一個仿真教學系統(tǒng)，搭建一個虛擬仿真操作的獨立空間，讓學生在模擬仿真實習中獲得一定的現(xiàn)場化工實習經(jīng)驗[4]。另外，在合成氨的現(xiàn)場實習中，為了達到更好的實習效果，學生可以利用虛擬仿真技術先在校內(nèi)實習，借助3D仿真軟件了解合成氨氣的基本生產(chǎn)工藝，進一步鞏固氨工藝基礎知識，然后將問題帶到實習現(xiàn)場，加深對知識的印象。仿真模擬和真實實習相結(jié)合的模式可使實踐教學效果達到最佳。在實習過程中，讓學生對一些生產(chǎn)設備進行操作，能激發(fā)學生對化工工藝的學習熱情與興趣，使學生更深入地理解化工生產(chǎn)工藝及設備操作原理。同時，學生可以借助虛擬仿真技術模擬生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，提高學生處理生產(chǎn)工藝過程中突發(fā)事故的能力，從而達到最佳實習效果。

5?結(jié)語

化工專業(yè)特別注重教學的實踐性與應用性，傳統(tǒng)的實踐教學模式實驗條件不足，存在一定的安全風險，且實踐教學內(nèi)容不夠豐富，阻礙了學生的全面發(fā)展，也無法滿足人才發(fā)展的真正需要。在化工專業(yè)實踐教學中應用先進的虛擬仿真技術，可以在一定程度上彌補傳統(tǒng)實踐教學模式的不足，實現(xiàn)實踐教學資源的整合，為開展更加個性化的實踐教學創(chuàng)造條件，進一步提高學生的實踐創(chuàng)新能力與化工工藝應用能力，突破傳統(tǒng)實踐教學的資源限制，充分實現(xiàn)綠色教學，同時可以增加實踐教學的趣味性，激發(fā)學生對專業(yè)學習的興趣與熱情，使化工專業(yè)實踐教學效果達到最佳。

[參考文獻]

[1]聶麗蓉，盧明夏，李宗齊.虛擬仿真技術在化工與制藥類專業(yè)實踐教學中的應用[J].現(xiàn)代鹽化工，2021（6）：120-121.

[2]劉海，姜國平，靳菲，等.虛擬仿真技術在化工專業(yè)本科實訓教學中的應用研究[J].化學工程與裝備，2019（9）：285-288.

[3]王秀梅，劉丹丹，謝瓊妮，等.虛擬仿真技術在本科護理專業(yè)臨床接診病人實踐教學中的應用分析[J].廣西教育，2018（39）：181-182，188.

[4]吳鵬，何重璽，張立東，等.淺析虛擬仿真在化工專業(yè)實踐教學中的應用[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2016（31）：78.

Research on the application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major

Fu Hua， Chen Xiaoxia

（Yixing Higher Vocational and Technical School， Yixing 214200， China）

Abstract：Due to the rapid development of science and technology and the increasing emphasis on education， the application of virtual simulation technology in practical teaching is becoming increasingly widespread. The application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering majors can make the teaching process more vivid and interesting， and plays a very important role in cultivating students innovative thinking and practical abilities. Therefore， the background of applying virtual simulation technology was first introduced， followed by an analysis of the significance of applying virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major. The problems in the application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major were elaborated again， and finally， a comprehensive analysis of the application of virtual simulation technology in different practical courses of chemical engineering major was conducted.

Key words： virtual simulation technology; chemical engineering major; practical teaching