化學工程與工藝虛擬仿真實驗教學中心開放管理平臺建設探索——化工類專業實踐教學改革系列研究之三

梁　軍,劉勇平,劉　崢

(桂林理工大學　化學與生物工程學院,廣西　桂林　541004)

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化學工程與工藝虛擬仿真實驗教學中心開放管理平臺建設探索
——化工類專業實踐教學改革系列研究之三

梁軍,劉勇平,劉崢

(桂林理工大學化學與生物工程學院,廣西桂林541004)

以桂林理工大學化學工程與工藝虛擬仿真實驗教學中心開放管理平臺建設為例，介紹虛擬仿真實驗教學平臺建設的思路與內容。利用現代信息技術與互聯網技術，構建了具有教學資源管理模塊、實驗教學管理模塊、實驗室預約管理模塊的虛擬仿真實驗教學平臺。此平臺具有統一、開放、可擴充、可配置、跨區域共享的鮮明特色。為我校實驗教學網絡化、信息化進程的推進，創造新的教學思路和方法，推動創新人才培養和社會服務模式的改革奠定了堅實基礎。

虛擬仿真；網絡平臺；實踐教學；化學工程

2012年，為推動實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新,教育部下發了《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》(教高〔2012〕4號)和《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》等文件。信息化、互聯網+等概念作為現代化的教學理念和教學手段，逐漸在高等院校的教學、科研、管理等方面帶來改變，其中對傳統教學模式帶來的沖擊尤其明顯[1]。

互聯網+化學工程虛擬中心平臺建設，是利用信息通信技術以及互聯網平臺，使互聯網與傳統的化學工程實訓中心融合，創造新的教學思路和方法，推動創新人才培養、科研組織和社會服務模式的提高。例如：依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。虛擬仿真實驗教學中心能夠實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高?；驑O端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目[2]。

一、當前高?；瘜W工程與工藝實驗室管理平臺建設存在的問題

1.開放性不夠。很多化學工程與工藝中心管理平臺的功能僅側重于實驗預約和登記，僅僅解決了教學組織的部分問題。而對于課程建設、課程學習、交流互動、教學評價等內容都有很多不足，各教學環節未能形成統一的整體，不能充分發揮平臺的最大效益。

2.資源共享不足。當前高等教育重復課程多，教學資源重復建設比例大，很多優秀資源僅僅集中在教育經驗非常豐富的優秀教師、名師手里，廣大新進高校教師獲得起來非常困難，同時也不能保證所有的學生都學習到優秀教師的授課資源。很容易形成信息孤島，達不到共建共享的目的。同時很多老師把精品課程當做科研項目執行，做完之后能持續應用到教學一線的非常有限。造成了資源的極大浪費。所以在線教學資源的整合還是有非常有必要的，而互聯網+開放管理平臺在資源共享方面有著得天獨厚的優勢。

3.針對性不強。化學工程特色顯著，強調化學反應、化工單元操作、化工過程與設備、工藝過程系統模擬優化等知識貫穿結合，使學生具有設計、優化與管理能力。目前的化學工程虛擬中心，除了理論課程基本上可以在網上進行之外，專業實驗、實踐性教學環節在管理平臺上的整合還非常欠缺。

4.互聯網作用發揮不夠?；ヂ摼W具有不受空間限制進行信息傳遞，信息交換更新速度快，具有互動性，使用成本低，趨向于個性化發展等特點。很多化工虛擬中心平臺信息更新慢，互動性不強，不能滿足學生個性化需求等[3]。

二、化學工程與工藝虛擬仿真實驗教學中心開放管理平臺建設

依托桂林理工大學校園網，基于J2EE架構的B/S結構系統的解決方案，系統用戶角色包括學生、教師、教務員、實驗室管理員、系統管理員等角色。搭建一種多層次彈性可分的虛擬仿真實驗教學平臺。突破傳統實驗教學中的時間和空間約束，使學生可以在任何時間、任何地點開展虛擬仿真實驗，體現教學平臺的統一、開放、創新、可擴充、可配置，跨區域共享的鮮明特色(見圖1)。

圖1　虛擬仿真實驗教學中心開放管理平臺功能概況圖

1. 教學資源管理模塊

本模塊是一個開放的虛擬實驗教學資源管理平臺，可實現對實驗教學資源：各種虛擬實驗、仿真軟件和演示動畫的上傳、發布和管理?；瘜W工程與工藝虛擬仿真實驗中心的教學資源包括以下六大主要內容:

工科基礎化學仿真實驗: 近年來我院老師采用HTML+ASP+flash等技術制作的基于Web平臺的網絡系統，自主開發了“普通化學”(含實驗)、“物理化學”(含實驗)、“儀器分析”(含實驗)、“大學化學”(含實驗)、“化工原理”、“理論電化學”等13門課程的多媒體教學課件。課件中包含理論教學、實驗教學(仿真實驗和模擬實驗)、教學積件(教學動畫、3D分子庫和動態圖表)和在線測試幾大模塊。課件多次參加全國、廣西區的多媒體課件大賽，獲全國多媒體課件大賽一等獎6項，二等獎1項，最佳教學設計獎1項；省級多媒體教育教學軟件大賽一等獎 3項，二等獎 2項。

化工原理單元操作仿真實驗: 化工單元操作主要有柏努利方程實驗、雷諾實驗、化工流動過程多功能綜合實驗、多功能吸收與解吸實驗、多功能傳熱實驗、多功能液固分離實驗的實體與3D仿真操作軟件。

化工工藝虛擬仿真實訓: 包含常規化工產品生產的化工設備、工藝虛擬仿真，如合成氨系統、苯胺2D和3D系統，可直接服務開設合成氨廠、苯胺生產工廠仿真實訓、工藝運行調試實訓實驗和各化工設備操作等仿真實驗項目。依托合成氨教學項目模擬動畫庫建成合成氨典型工藝虛擬實訓實驗室；依托苯胺生產線建立苯胺生產3D虛擬仿真系統；可以根據仿真系統模擬裝置工藝條件，再現生產中的各種現象，如開、停車，正常生產工況，生產過程中出現異常工況的處置。

微型化工工廠仿真實訓: 中心建立的苯加氫制備環己酮裝置實體，與虛擬仿真軟件相結合的大型化工工廠實體教學資源，化工工藝流程基于動態模擬技術，有真實的裝置實體，模擬生產時不進真實工藝原料，依據電信號的變化來判斷、調節工藝參數的變化，模擬裝置工藝條件，再現生產中的各種現象。對該生產裝置全部設備和生產工藝均制備專用二維碼，使學生可以通過手機很方便學習各種設備的使用、維護、操作工藝條件等，將化工設備和化工工廠裝進學生的口袋。

大型儀器仿真實驗: 開發的大型儀器原理解析、使用規范、故障分析處理等多方面的仿真教學及訓練系統開發。目前有X-射線單晶衍射儀、X-射線粉末衍射儀、熱重-紅外聯用分析儀、原子吸收光譜儀、紫外-可見分光光度計、氣相色譜、液相色譜等10余臺大型精密儀器的脫機模擬操作軟件。

化工安全事件應急處理與虛擬仿真實驗: 通過虛擬仿真手段，模擬危險化學品泄漏事故應急處置、化工生產過程安全事故處理方法及大型高危化工企業安全模擬管理及應急等，設置交互動作，同時制作常見實驗室事故的應急預案演練動畫，易燃、易爆等化學品安全存放方法模擬軟件，培養學生對化工安全的認識和事故應急處理能力。能夠實現生產安全理論系統學習、生產安全操作與應急演練、現場許可作業培訓、化工安全技能競賽和技能鑒定等多種培訓功能。

2．實驗教學管理模塊

教師根據教務處的開課計劃，進行典型實驗庫的維護、實驗安排、查看學生實驗進展、批改實驗結果及實驗報告、統計并發布實驗成績。學生根據任課教師的要求，進行實驗預習，進入實驗室完成實驗，提交實驗報告。實驗教學管理的主要功能有(見圖2)：

實驗庫管理: 維護各門課程實物實驗和虛擬實驗的典型實驗，提供增、刪、查、改操作。

實驗安排：進行相應課程虛擬實驗教學安排和實物實驗的教學安排。

考勤管理：對參與實驗的學生進行簽到簽離，考查學生的出勤情況。

虛擬實驗：學生根據實驗要求，完成驗證性虛擬實驗，或者進行設計性和創新性實驗。

實物實驗：根據教師的實驗要求，完成相應的實驗任務并提交實驗結果和實驗報告。

實驗批改：針對實驗結果和實驗報告進行相應的自動批改、人工批改及評價。

成績導出：按照實驗課程匯總成績并輸出，或提供數據接口給教務部門的成績管理系統。

圖2　實驗教學管理流程

3． 實驗室預約管理模塊

在本模塊中，學生可根據自己的興趣愛好，提交實驗預約以及工位預約，進行個性化實驗。也可以向實驗室提出設備借出申請。教師也可以組織興趣小組預約實驗室來開展課外實驗，同時也可以向實驗室提出設備借出申請。實驗室預約管理模塊的主要功能如下(見圖3)：

實驗室信息管理：實驗室管理員對實驗室及工位、設備相關信息進行增、刪、查、改；實時監控實驗室畫面。

實驗預約：學生通過系統查詢可預約的實驗，預約實驗。

預約工位：預約實物實驗室的工位及設備，預約成功后前往實驗室做實驗。

設備借出：通過系統查詢可以外借的設備，申請及歸還設備登記。

預約實驗室：通過系統預約申請整個實驗室開展相應的實驗教學。

實驗室預約審核：教務員對教師提出的實驗室的預約申請進行查詢及審核。

設備借出審核：實驗室管理員查詢以及審核實驗設備的借出與歸還狀態。

實驗室使用率：統計各個實驗室課時使用、工位預約、實驗室預約情況。

圖3　實驗室預約業務流程

三、結語

桂林理工大學化學工程與工藝虛擬仿真平臺的建設，推動了我校實驗教學網絡化、信息化的進程，對深化虛擬仿真實驗教學內容的深刻改革具有重要的現實意義。

1. 基于網絡的虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺具有安全性、開放性、可擴展性、標準化、易操作的特點。降低對真實裝置和設備的依賴，避免高危實驗、實訓等帶來的隱患，解決學生實際生產實習不能動手操作等困難，無污染、低運行成本、易管理，最大限度發揮了互聯網+、信息化的特性，符合教學信息化的趨勢，為新時期下化工教育教學帶來新的變化。

2. 多種角色用戶身份管理，多種業務權限配置，增強學生、教師、教務人員、實驗室管理人員之間的信息傳輸，實現高效、靈活的實驗室信息化管理。學生可以自主安排學習計劃，提升學習效率，不受時間空間和地域等限制。學生自主靈活參與實驗，充分發揮學生的主觀能動性，個性化的協同分組學習提高了學生的團隊合作能力和創新能力的培養。

3. 平臺運行可以輻射周邊院校和地方性煉化企業。服務于兄弟院?；瘜W化工專業學校，同時也可以為地方性企業做員工培訓，帶來良好的社會效益和經濟效益。實現校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享，符合虛擬中心建設共建共享的理念。

(責任編輯：夏璐)

[1]李平， 毛昌杰， 徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013 (11) ：5-8.

[2]唐向陽，馬驍飛，郭翠梨，等. 建設高水平“化學化工虛擬仿真實驗教學中心”的思路與探索[J].高等理科教育，2015(6):102-106.

[3]楊南粵，李爭名，戚宇恒.一站式虛擬實驗平臺的設計與建設[J]. 中國教育信息化,2016(7):74-77.

Exploration of the Construction of Chemical Engineering and Technology Virtual Simulation Experiment Teaching Center Open Management Platform——the thirdseries of chemical-industry type professional practice teaching reform research

LIANG jun，LIU Yong-ping，LIU zheng

(College of Chemistry and Bioengineering ,Guilin University of technology,Guilin 541004,China)

Taking the construction of open management platform of the chemical engineering and technology virtual simulation experiment teaching center of Guilin University of Technology as an example, the idea and content of the virtual simulation experiment teaching platform construction is introduced. Using the modern information technology and Internet technology, the virtual simulation experiment teaching platform is constructed, which contains teaching resource management module, the experimental teaching management module and the laboratory reservation management module .This platform has distinctive features: unified, exoteric, expandable, configurable, transregional sharing. It lays solid foundation of propelling web based and informationized instruction of experimental teaching, creating new teaching methods, promoting the training of innovative talent and reforming of social work mode.

virtual simulation;network platform;practical teaching;chemical engineering

G647

A

1671-9719(2016)9-0025-03

梁軍 (1969- ),男,廣東高州人，教授，碩士研究生導師，研究方向為教育管理。

2016-05-30

2016-06-13

廣西高等教育教學改革工程重點項目“基于廣西石化產業發展的化學工程與工藝專業實踐教學體系研究與實踐”(2015JGZ129)。