化學化工虛擬仿真實驗室構建和實現方法研究

岳瑋+王菊+李靖

摘 要： 自教育部2013年頒布《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》以來，徐州工程學院化學化工學院積極響應教育部號召，已將虛擬仿真教學納入人才培養計劃和教學大綱中，并正在探索綠色化工虛擬仿真技術與化工學科課程整合的新方法、新思路，推進“課堂-仿真-工廠”的具有一體化教育模式的改革與實踐，同時對虛擬仿真實驗過程中存在的不足進行分析和探討。

關鍵詞： 虛擬仿真 化學化工 實驗室建設

1.傳統化學化工專業實踐實習模式的弊端

由于化工過程的復雜性，化工類實訓實踐教學的開展面臨一定的困難，主要是因為校內實踐基地建設面臨很多問題：①化工生產裝置復雜龐大，購置具備完整功能的試驗設備需要投入的資金較多，硬件維修場地的要求較高；②化工操作條件苛刻，如高溫高壓等，操作危險性較高；③生產中所涉及的原料通常是易燃易爆有毒的化學試劑，對操作環境及周圍環境影響較大。而學生校外企業實踐也存在一些問題，由于化工企業的生產過程具有復雜性和一定的危險性，在實習期間，一般不允許學生動手操作，此外，化工設備自動化程度高，很多生產過程看不見摸不著，實習效果差，致使單純的校外企業實踐很難達到預期的效果。

2.虛擬仿真在化學化工實驗中的優勢

虛擬仿真化學化工實驗是以三維立體模擬實驗室代替傳統的實驗室，可進行超越傳統實物的實驗，使微觀實驗、危險性實驗、高成本實驗等成為可能。可進行無限制、多樣式的重復操作，無污染、無浪費。也可進行交互操作訓練，參與者與之進行互動，提高參與者的動手能力及參與熱情，養成在以后工作、生活中成功運用現代技術的習慣，進一步實現技術進步與社會進步的共同發展。

3.虛擬仿真教學資源在教學各個環節中的應用

在化工原理、化工分離、精細化工工藝學、化工過程分析與模擬等化工專業基礎課、理論課和實驗教學中引入虛擬仿真教學資源，選取小班試點，逐步摸索“課堂-仿真”教學模式的教學方法，總結經驗與教訓，進一步推廣到化學工程與工藝、應用化學等專業的所有班級。

3.1仿真教學資源在理論教學的應用。

虛擬仿真教學資源軟件功能的外延，影響與帶動徐州工程學院工程類課程教學方法與模式變革。將虛擬仿真軟件所體現的教育思想、所提供的工程案例、逼真工作實景資源應用到課程教學中，把理論課程中抽象的概念、復雜的問題以直觀的形式展現給學生，幫助學生理解工程、了解工廠實際，推進“課堂-仿真-工廠”的“一體化”教學模式的改革與實踐，形成獨特的工程應用型人才培養的新模式。在這樣理念的引導下，化工設計、精細化工工藝學、化工原理等課程的授課過程中引入各類仿真教學資源，仿佛“把工廠搬進教室”、“把教室搬到工廠”。以精細化工工藝學課程為例，此課程將乙醛氧化制醋酸工藝仿真軟件提供的工程為案例展開教學，以正常初態工況為例講解工藝路線，以軟件提供的穩態數據作為物料衡算的實例，以軟件提供的動態數據作為流程及操作參數優化的實例，以軟件提供的真實工廠實景為資源彌補學生工廠實際認知的不足，幫助學生理解設備與構筑物、設備與管道的關系，認識管廊、管架、設備、公用工程等外觀形貌，開展案例教學及情景教學。

3.2仿真教學資源在化工原理實驗教學中的應用。

利用各類教學資源可開設30個實驗項目。在化工原理實驗真實操作前，要求學生先在網上虛擬進入實驗室，熟悉裝置、認識流程及控制方案、在線預習、在線虛擬操作，在線形成預習成績，再到實驗室進行真實操作，學生實際操作的熟練程度與數據的準確率明顯上升，最后在相應的仿真軟件上變換不同的參數，進行實驗數據的優化。這樣的實驗教學安排，“反芻”式的知識點鞏固，強化了實驗教學效果，實驗的綜合性、設計性明顯提高了，學生的學習興趣、創新與設計能力明顯提高了。例如：甲醇合成與精制工藝，3D仿真該軟件以煤化工產業為背景，以真實化工廠甲醇項目為基礎，選取煤制甲醇工藝中合成氣制甲醇及甲醇精制部分進行開發，可進行四種初態六個事故工況及兩個安全事故仿真操作。該套仿真實驗平臺建設實現了遠程登錄，在線仿真3D實驗與實習，在線評分與成績記載并利用，實現了在場景中設備內部細節的描述。

3.3仿真教學資源在儀器分析實驗中的應用。

學生學習儀器分析課程時，要進行大量的儀器分析實驗，由于條件所限，學校不可能購置所有昂貴的儀器分析設備，有些儀器比較貴重精密，如熒光光譜儀，紅外光譜儀可見-紫外分光光度計、分子熒光光度計、氣相色譜分析儀等，在以往的儀器分析實驗中，由于儀器數量少，每次實驗十幾名學生為一組，在使用時縮手縮腳，因而每次實驗往往都由少數動手能力強的學生操作，其他學生記錄數據或在旁邊觀望，達不到預期的效果。還有些學生對儀器掌握不熟練，容易誤操作而損壞儀器。使用大型儀器的虛擬仿真實驗教學就能較好地解決這個問題。學生利用虛擬仿真軟件就能夠學習儀器操作，且不必擔心對儀器造成損壞。建議學生先進行虛擬實驗操作，了解具體的儀器構造和使用方法，經過反復練習，等到真正掌握儀器操作技術，再到真實的儀器上操作，這樣才能取得更好的學習效果。

4.當前虛擬現實技術在化工實驗教學中的不足

虛擬仿真技術促進了教育教學的發展與改革，給教學帶來便利。然而，當前虛擬現實技術在教學中存在不少問題，尤其是在實驗教學中。

4.1仿真實驗開發困難，傳播不易。

在多媒體教學的今天，師生的地位發生了很大的改變，學生成為學習的主體，而教師則是引導者和學習資源的建設者，這就要求教師具備豐富的教學理論、實踐經驗及掌握一定的仿真實驗設計制作技術，但是，當前絕大部分學校針對教師的計算機應用能力的培訓都是以普及為主，使得許多教師在設計與開發方面存在困難。

4.2缺少及時的幫助與指導。

由于當前開發虛擬實驗的人員中很少是有經驗的教師，大部分都是專業的技術人員，他們往往對實驗教學不夠精通，這就導致他們在開發的時候只是一味地追求對現實模擬的逼真度，將技術重點放在實驗的流程化、交互的自然化及界面的美觀化方面。所以，在開發過程中缺少實驗技術的幫助與指導。

4.3虛擬仿真實驗的局限性。

仿真畢竟是虛擬的，因而存在一些局限性，目前化工仿真軟件操作界面通常為二維平面，無法產生真實的臨境感受；仿真訓練時，學生按照操作規程機械地點擊按鈕，并不能像真實訓練中真正的用手去操作、去連接、去傾倒，虛擬仿真實驗只能完成逼真的演示效果，對學生動手操作能力的培養欠缺，所以仿真操作不能完全代替實際操作。

5.結語

虛擬仿真實驗與真實實訓相結合的實踐教學模式在化學化工類實踐教學中取得了很好的教學效果，能較好地彌補以往實踐教學模式的不足，仿真教學畢竟是模擬真實的化工單元操作，而實際生產中的很多突發事件是不可能完全在電腦上模擬出來的，這就需要將仿真軟件和實踐操作有機結合起來，相互補充，取長補短，從而培養學生的綜合素質，更好地適應新形勢的發展需要。

參考文獻：

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