化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)探索

王彬 王曉琳

摘 要：文章以黑龍江大學(xué)為例，從化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的意義，闡述了化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的路徑，并提出了化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：化學(xué)化工；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）10-0038-02

1989年，美國弗吉尼亞大學(xué)威廉沃爾夫教授首次提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念[1]，由于其強(qiáng)大的應(yīng)用前景，各國均在大力開發(fā)，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，取得了喜人的進(jìn)展。在發(fā)達(dá)國家虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已經(jīng)普及，特別是科研實(shí)力雄厚的美國，在該領(lǐng)域的研究已占據(jù)領(lǐng)先地位。目前，世界各大院校和科研機(jī)構(gòu)爭先開展虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，也將其應(yīng)用到教學(xué)、科研工作中，如墨爾本大學(xué)建立的化工3D虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，是國際上一致認(rèn)同的化工工程教育的典范。在國內(nèi)，特別是高校，虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)越來越受到重視。目前，大部分高校已經(jīng)開發(fā)虛擬仿真技術(shù)，并將其應(yīng)用到教學(xué)和科研中，尤其是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面其發(fā)揮越來越重要的作用[2-5]。例如清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、陜西師范大學(xué)、常州大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等[6]。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，教育信息化受到了國家的高度重視，教育部在建設(shè)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出建設(shè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建議。黑龍江大學(xué)化學(xué)化工與材料學(xué)院以省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為依托，建立了化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、管理、平臺、教學(xué)和管理隊(duì)伍、管理體系進(jìn)行了初步的建設(shè)和探索。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的意義

為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號）精神[7]，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[8]，教育部自2013年將開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作作為高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容?；瘜W(xué)作為材料科學(xué)、納米科技、生物化學(xué)等科學(xué)的重要核心，被稱為“中心科學(xué)”。化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中起重要作用。但某些實(shí)驗(yàn)我們無法在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生開展，例如某些化學(xué)反應(yīng)速度很快，物質(zhì)間微觀作用機(jī)理，微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制無法用常規(guī)宏觀實(shí)驗(yàn)直接獲得，學(xué)生無法直接感知，學(xué)習(xí)抽象，不易理解，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和質(zhì)量。某些化學(xué)反應(yīng)需要在高溫高壓等苛刻條件下完成，也有些化學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)生成危害性物質(zhì)，容易產(chǎn)生環(huán)境污染和危害學(xué)生身體健康，都無法在實(shí)驗(yàn)室中正常開展。再如隨著化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，設(shè)備趨于巨大復(fù)雜化、高度密集化、控制自動(dòng)化，同時(shí)，化工生產(chǎn)過程存在高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等高危險(xiǎn)性。而在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很難達(dá)到實(shí)際化工企業(yè)的規(guī)模和效果，在一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能和影響了創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決傳統(tǒng)化學(xué)無法或者難以實(shí)現(xiàn)的過程，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能和學(xué)生創(chuàng)新能力。

二、化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)路徑

黑龍江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化建設(shè)，積極探索實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)改革與創(chuàng)新。早在1998年，以化學(xué)工程學(xué)科、“黑龍江省普通高校轉(zhuǎn)化的化工過程與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、中俄聯(lián)合國家級科技創(chuàng)新平臺和中俄聯(lián)合本科實(shí)驗(yàn)室等資源為依托，以學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息化平臺為基礎(chǔ)，與北京東方仿真公司合作開發(fā)了8個(gè)工藝流程仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，用于化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科教學(xué)。經(jīng)過多年的建設(shè)，開發(fā)了一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。近年來，黑龍江大學(xué)利用校內(nèi)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、信息與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)管理中心和信息現(xiàn)代教育技術(shù)中心等資源，充分發(fā)揮化學(xué)、教育技術(shù)、信息技術(shù)等學(xué)科的優(yōu)勢，2014年成立了化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，內(nèi)設(shè)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化工原理實(shí)驗(yàn)方面開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前的中心已初具規(guī)模，擁有專門的百余臺高性能計(jì)算機(jī)組成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，專門用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，服務(wù)于化學(xué)工程與工藝、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、高分子材料與工程、材料化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、制藥工程、生物工程、生物技術(shù)、食品科學(xué)與工程、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、植物保護(hù)、土木工程等7個(gè)二級學(xué)院的13個(gè)專業(yè)。

（一）加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教學(xué)平臺建設(shè)

化學(xué)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺擁有9個(gè)三維和2個(gè)二維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仿真效果逼真、交互功能強(qiáng)、可情景化參與、可實(shí)施評價(jià)。將化學(xué)實(shí)驗(yàn)中無法觀察的微觀作用機(jī)制和現(xiàn)象，通過虛實(shí)結(jié)合的形式展現(xiàn)給學(xué)生。構(gòu)建的大型科學(xué)儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對實(shí)體儀器操作和訓(xùn)練的有效補(bǔ)充和動(dòng)態(tài)化展示，消除了學(xué)生對科學(xué)研究的神秘感，提升了學(xué)生對科學(xué)研究過程的理解力，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化、手段現(xiàn)代化和結(jié)論科學(xué)化，讓學(xué)生在安全、環(huán)保、節(jié)能的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相近的體驗(yàn)，使教師獲得事半功倍的教學(xué)效果。

化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺現(xiàn)擁有一套化工單元實(shí)習(xí)仿真實(shí)驗(yàn)，其中包括15個(gè)基本單元操作；結(jié)合我省工業(yè)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)了常減壓虛擬現(xiàn)實(shí)仿真石油化工類和甲醇工藝仿真煤化工2個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)；與北京歐貝爾公司合作開發(fā)了合成氨三維虛擬仿真軟件。形成了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)時(shí)交互、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)運(yùn)化、沉浸感和趣味性強(qiáng)的化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。采用三維動(dòng)態(tài)過程高度模擬工廠實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所有操作站都實(shí)時(shí)模擬各種控制儀表的參數(shù)。克服了常規(guī)操作危險(xiǎn)性、功能單一、人機(jī)聯(lián)系差的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生動(dòng)手操作受限的不足，滿足了學(xué)生對工藝原理、操作環(huán)境、控制系統(tǒng)、故障處理的理解。

（二）注重虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心師資隊(duì)伍建設(shè)

中心實(shí)行主任負(fù)責(zé)制，由主任、秘書、專職、兼職實(shí)驗(yàn)教師和專職實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員組成一支相對穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理隊(duì)伍。經(jīng)過幾年來的教學(xué)運(yùn)行，中心已經(jīng)形成了由專職教師、專職實(shí)驗(yàn)技術(shù)管理人員、技術(shù)支持人員以及兼職教師所組成的，能覆蓋多個(gè)專業(yè)的教學(xué)、管理及開發(fā)的師資隊(duì)伍。管理人員相對固定，以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的正常運(yùn)行。專職、兼職教師共同負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)與全程教學(xué)，教學(xué)人員將會(huì)隨著以后課程項(xiàng)目的增加、變動(dòng)而改變，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，擇優(yōu)選擇。實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課程的準(zhǔn)備與安排，實(shí)驗(yàn)的日常管理，耗材的管理，小型實(shí)驗(yàn)儀器的維護(hù)工作。

三、化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)展望

教育部相繼批準(zhǔn)的國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中理工類占70%，化學(xué)化工類約7%，理工教育集中了大批優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，這也與理工類學(xué)科一直以來重視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)密不可分[9]。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享機(jī)制的建立和地方高校對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷投入，預(yù)計(jì)在今后幾年的建設(shè)工作中，批準(zhǔn)建設(shè)的部署和地方高校的比例將會(huì)增加到近1：1。黑龍江大學(xué)作為黑龍江省人民政府共建的有特色、高水平、現(xiàn)代化地方綜合性大學(xué)，應(yīng)該抓住發(fā)展機(jī)遇，利用現(xiàn)有化學(xué)學(xué)科優(yōu)勢，加大對化學(xué)化工類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)力度，學(xué)習(xí)先進(jìn)理念，早日進(jìn)入國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的行列。應(yīng)大力解決以下待解決的問題：（1）應(yīng)充分利用化學(xué)一級學(xué)科強(qiáng)大的科研優(yōu)勢，以及功能無機(jī)材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的科研成果，將其科研成果轉(zhuǎn)化成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。（2）加大與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)公司以及黑龍江省化工企業(yè)的合作，自主和合作開發(fā)符合學(xué)校自身和我省實(shí)際需求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。（3）加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化和信息化建設(shè)，優(yōu)化共享資源配置，健全合作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)平臺資源共享，加大中心的輻射作用。

經(jīng)過多年建設(shè)，化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已成為黑龍江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的重要建設(shè)組成部分，堅(jiān)持能實(shí)不虛的大方向，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力化學(xué)化工人才為建設(shè)目標(biāo)，按照“資源共享、學(xué)科融合、虛實(shí)結(jié)合”的建設(shè)理念，搭建了化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，建立了虛實(shí)交融、開放共享、綜合性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，制定和完善了中心管理體系和規(guī)章制度，建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)信息平臺，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的智能化和網(wǎng)絡(luò)化管理。中心將不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)，為國家建設(shè)培養(yǎng)優(yōu)秀的化學(xué)化工人才做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]費(fèi)克文，倪光峰，王伏玲.高校大型儀器設(shè)備開放共享實(shí)

踐與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，（9）.

[2]李亮亮，趙玉珍，李正操等.材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)

驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，（2）.

[3]萬堅(jiān)，宋丹丹，涂海洋等.在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中培

養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，（5）.

[4]余建星，趙偉，李輝等.深化實(shí)踐教學(xué)改革形成實(shí)踐育人

氛圍[J].中國高等教育，2012，（Z2）.

[5]梁芳，李國柱，肖文俊等.高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)資源利用效益評

價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)

版，2010，（4）.

[6]中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開放共

享平臺.[2016-05-18].http：//vcec.ustc.edu.cn.

[7]中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于全面提高高等教育

質(zhì)量的若干意見[Z].教高〔2012〕4號.

[8]中華人民共和國教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃

（2011—2020年）[Z].教技〔2012〕5號.

[9]徐進(jìn).2013年國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作

小結(jié)及2014年申報(bào)建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，（8）.