化學化工虛擬仿真教學在應用化學專業培養中的應用

王永壘+方紅霞+李海云

摘要：虛擬仿真教學是近年來發展的一種新型教學模式，是現有教學體系的一種補充和完善。針對當前地方性高校黃山學院向應用性轉型過程中，結合校級重點學科應用化學專業的虛擬仿真實驗教學環節進行分析，通過理論教學、實驗教學及虛擬仿真教學的優勢互補，從而將應用化學專業學生培養成具有較強實踐應用能力的專業技術人才。

關鍵詞：應用化學；虛擬仿真；應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）14-0178-02

應用化學專業是培養具備化學方面的基礎知識、基本理論、基本技能以及相關的工程技術知識和較強的實驗技能，具有化學基礎研究和應用基礎研究方面的科學思維和科學實驗訓練，能在科研機構、高等學校及企事業單位等從事科學研究、教學工作及管理工作的高級專門人才[1，2]。對學生的理論知識、實驗技能及應用能力都有較高的要求。

目前，理論知識的學習仍主要集中在課堂教學環節完成，這是學生集中學習知識最為有效的方法，其優勢是知識傳授速度快，效率高，可以根據學生的情況來制定教學內容，目標清晰；不足之處是課堂教學環節對學生的實驗技能及應用能力培養欠缺，而對應用能力要求較高的應用化學專業，實踐教學在學生能力的培養方面變得越來越重要。實踐教學[3]是培養高素質人才的重要實踐環節，它是學生鞏固和加深對理論知識的理解，鍛煉在實踐中發現問題、分析問題和解決問題的能力。

應用化學專業實踐教學平臺主要包括基礎實驗教學平臺、專業實驗教學平臺、化學化工虛擬仿真平臺等。其中，基礎實驗教學平臺由基礎化學實驗和專業基礎實驗組成，從功能上可實現真實實驗的預習、操作規范及真實實驗評價等，通過該平臺，打牢了應用化學專業學生的基礎化學和化工實驗技能。專業實驗教學平臺[4]是由各個專業對應的專業實驗組成的教學資源，從功能上可實現真實實驗的預習、產品設計、合成、虛擬操作及考核，著力提高學生的設計和流程協作能力。虛擬仿真教學資源包括基本技能、實驗訓練、及生產實習實訓對應的教學資源組成，從功能上可實現工藝流程與裝置學習、內操實習及外操實習，各模塊同樣包含演示、操作和考核功能，該平臺能夠有效的提高學生的專業設計、裝置操作、系統調控等方面的綜合能力。虛擬仿真實驗教學平臺的建設，實現了從基礎化學實驗、專業基礎實習、仿真實習一體化的虛擬仿真實驗教學。

隨著高校招生人數增加，實驗場地的資金投入、實驗過程中的安全性考慮等因素的制約，導致實際的實驗設備及場地和實驗要求之間的矛盾，如相對復雜的工程類實驗項目由于場地、產品處理、廢物排放等一系列問題在大多數學校也無法真實再現，這使得學生直觀地了解化工設備、生產工序及其自動化控制等方面的能力存在嚴重不足。然而，隨著計算機技術的發展，這些項目都能夠以虛擬仿真教學的形式嵌入到新型的教學模式中去，虛擬仿真教學[5，6]對于培養學生的實踐能力、研究能力、創新能力和綜合素質等方面有著獨特的作用，對于融合理論教學及實驗教學，提升學生的應用能力具有不可替代的作用。

近幾年來，我校化學化工虛擬仿真實驗教學中心在化學化工專業課程的實驗教學中，逐漸推廣計算機及虛擬仿真軟件的使用，現有機房面積200m2，擁有完善的多媒體教學環境，配備先進的電腦主機、服務器、交換機、存儲設備、掃描儀等電子設備，終端計算機達到了80余臺，能夠運行專業的化學化工虛擬仿真軟件，配備了合成氨全工段、二甲醚全工段、均苯四甲酸二酐全工段、十五種常見的化工單元操作工段、藥物制劑技術（GMP）等虛擬仿真軟件系統，總資產達到200萬元以上，通過利用化學化工動態的虛擬仿真技術，很好的實現與現有實驗項目的互相補充，提高了應用化學專業的學生解決化學實驗及工程問題的能力。目前，中心所有軟件教學資源均面向校內用戶免費開放，正在建設針對校外用戶的有償開發使用，以便更好地使教學資源服務于社會。另外，結合應用化學專業的發展方向，化學化工虛擬仿真實驗教學中心已經招標采購聚氯乙烯全工段仿真工藝軟件等，這些軟件的使用將不斷完善和豐富虛擬仿真的課程內容建設，提升虛擬仿真平臺對學生的鍛煉效果。

目前，應用化學專業已經采用暑假小學期的模式進行虛擬仿真開課，開課時間在大三的下學期，仿真實驗內容及教學目的為：（1）單元操作虛擬仿真實驗項目，其教學目的是利用虛擬仿真軟件將復雜的化學工業中的典型單元操作進行訓練，如有機合成單元、實驗技能單元、萃取塔單元、固定床單元、管式加熱爐單元、罐區單元、鍋爐單元、間歇反應釜單元、精餾塔單元、離心泵單元、列管換熱器單元、流化床單元、吸收解吸單元、壓縮機單元、液位控制單元、真空系統操作單元、二氧化碳壓縮機仿真單元等；（2）開設化工工藝虛擬仿真實驗，如合成氨全工段仿真，包括合成氨轉化工段、合成氨凈化工段、氨合成工段等、均苯四甲酸二酐全工段仿真，包括氧化工段、水解工段、精制工段及干燥工段等，合成二甲醚全工段仿真等項目，目的是通過仿真操作，使學生對裝置的工藝流程，正常工況的工藝參數范圍，控制系統的原理，閥門及關鍵操作點的作用以及開車、停車規程等更加詳細的了解，并掌握典型化工生產過程的開車、停車、運行和排除事故的能力。在虛擬仿真學習過程中，學生變成了學習的主體。學生可以根據自己的具體情況有選擇地學習，如自行設計實驗不同的開、停車方案，實驗復雜控制方案、優化操作方案等。學生可以設定各種事故和極限運行狀態，提高學生分析能力和在復雜情況下的決策能力，使學生對涉及到的專業知識能夠進行靈活的應用，從而提高學生綜合分析問題的能力，培養學生工程理念，學會用工程方法思考、解決問題。

化學化工虛擬仿真是利用計算機創建可視化的實驗操作環境，通過提供簡單通用的遠程交互界面，準確模擬實際狀態及儀器工作狀態，能正確分析判斷用戶的操作流程，具有仿真性、交互性和實效性，應用化學專業學生通過對虛擬仿真實驗系統的反復多次模擬操作，加深對實驗原理及操作步驟的理解，還可節省大量時間進行綜合性、設計性、探究性實驗，這為學生綜合能力、創新精神和創新能力的培養提供了強有力的保證，極大地提升了應用化學專業學生對知識的應用能力及綜合能力。

化學化工虛擬仿真實驗教學中心以提高學生綜合素質、創新精神及能力培養為重點，以全面提高學生創新精神和實踐能力為宗旨，以資源共享為核心，建立信息化實驗教學模式。目前，中心每年面向全校應用化學、化學工程與工藝、制藥工程、材料科學與工程、食品工程、環境工程、生物技術等8個專業約900名學生開放運行。

在后續建設工作中，化學化工虛擬仿真實驗教學中心將不斷完善課程體系與管理制度，充分發揮本中心在實驗教學改革中的示范引領作用，從而提高學生的實踐及創新能力，優化在線管理平臺，擴大資源共享的程度，提高化學化工虛擬仿真實驗教學的整體影響力，更好地發揮其在人才培養中的作用。

參考文獻：

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[2]魏子棟，魏錫文，黎學明，楊明莉.應用化學專業人才培養模式研究[J].重慶大學學報，2003，9（6）：169-170.

[3]李杰，王俊，李翠勤，王鑒，張榮明.應用化學專業創新型實驗教學體系構建研究[J].教育教學論壇，2014，（13）：261-262.

[4]王永壘，方紅霞，李海云.應用化學專業實驗的過程引導研究[J].黃山學院學報，2015，17（3）：125-126.

[5]陳國輝，劉有才，劉士軍，韓響玲，滿瑞林，鐘宏.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：169-172.

[6]周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育，2015，（9）：5-11.

Abstract：In recent years，virtual simulation teaching is a new teaching model，which is a supplement for the existing teaching system. In view of the transition process of the current local universities Huangshan to the application，combined with the virtual simulation teaching of applied chemistry specialty，through complementary advantages of theoretical teaching，experimental teaching and virtual simulation teaching，thereby it will apply students developing into a professional and technical personnel with strong practical application.

Key words：applied chemistry；virtual simulation；application