基于“虛—實”組合教學在應用化學專業實驗課中的應用

代偉 王芳芳 滕波濤 朱鋼國

[ 摘 要 ] 以浙江師范大學應用化學專業開設的實驗課為例，提出了運用“虛實相輔、虛中帶實、可實不虛”的新型教學模式，為優化應用化學專業實驗教學的拓新性、實效性和多樣性以及提高“教—學”成效提供了新視野。

[ 關鍵詞 ] 實驗教學;應用化學專業;虛擬仿真

[ 中圖分類號 ] G640 [ 文獻標識碼 ] A [ 文章編號 ] 1005-4634（2018）03-0102-04

實驗教學在高校應用化學專業的學生培養環節中處于極其重要的地位。傳統實驗教學存在的局限性已經嚴重影響了學生的學習成效，使得教學質量面臨著嚴峻的挑戰。隨著信息技術的發展，作為傳統實驗教學的一種有效的補充，虛擬實驗教學已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替傳統的實驗教學，而且可以克服傳統實驗的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實驗教學中存在的諸多問題[ 1，2 ]。如果能將虛擬仿真技術結合于實驗教學中，必將有效地彌補傳統教學過程中教學形式單一、學生自主動手操作能力差、學習效率低等問題，產生重要的實驗教學示范效應。

1 “虛中有實”和“實中有虛”實驗教學構思

遵循“虛實相輔、虛中帶實、可實不虛”的指導原則?！疤搶嵔Y合”可以解決如下問題。

1） 解決“想做而不能做”的實驗問題。例如，涉及到易燃易爆、高溫高壓類實驗。

2） 解決 “能做不愿做”的實驗問題。例如，浙江師范大學開設的化工原理實驗中的篩板精餾塔，此實驗在常壓操作狀態才能保證整個單元操作的正常性，因此需要塔頂設置常開狀態的放空閥。在虛擬實驗過程中，學生通過關閉放空閥加熱精餾塔就可以觀察到塔內溫度持續增加甚至超過200 ℃，塔板也不會出現沸騰回流現象，并且塔內蒸汽壓力越來越大，最終導致爆炸和設備報廢現象。以上實驗在現實中是不允許執行的。

3） 解決“只看不能做”的實驗問題。對于大型精密貴重的科研儀器及裝置，學生必須經過系統培訓才能操作儀器，這導致絕大多數學生“只看不能做”，學生視野難以得到拓展[ 3，4 ]。例如，浙江師范大學開設的化工儀表及自動化實驗。實驗中的儀器使用部分必須先通過3D虛擬操作的考核，既能規范操作提高實驗成功率，又能了解儀器原理和維護，能夠處理可能遇到的常見問題。為了進一步豐富實驗教學的內容，讓計算化學實驗成為綜合實驗的一部分，結合現有實驗，設計制作化學反應計算與模擬實驗，使同學們能夠通過計算化學方法更深刻地掌握相關知識;通過虛擬仿真的形式，變枯燥為生動，變抽象為具體，激發學生的學習興趣，使其有效地掌握一定的理論計算化學的知識，階梯式深入思考，強化思維創新訓練，拓寬知識數據庫，增強應用化學實驗教學功效。

另外，“虛中有實”是教師提出實驗教學的又一特征，實現了科研成果帶動本科教學。實驗周期長，操作復雜，對學生綜合素質要求高，實驗的成功率受到一定限制，學生對實驗的理解也不夠充分。結合現有材料化學和化學生物學實驗，開發虛擬仿真實驗平臺，實現實驗準備、操作過程、產品分析檢測等完整實驗步驟的模擬，師生通過人機互動強化訓練，精通實驗操作，大幅度提升真實實驗成功率。模擬中對所使用儀器原理和內部結構的展示，標準的實驗數據分析、處理、繪圖等，對學生深入理解實驗內容、了解創新研究的意義很有幫助。 “虛—實”教學模式既可提高“教—學”效率，又可獲得直觀、真實和實用的效果，還能對不可視裝置的結構原理和不可重組的精密設備作仿真實訓。一方面可鍛煉學生操作、認知和查檢的技能，另一方面可培養學生人機互動，自由“教—學”的能力[ 5，6 ]。

2 “虛—實”組合實驗教學類型

浙江師范大學應用化學虛擬仿真實驗室建成于2016年，將“虛—實”結合的實驗教學用于認知實習、仿真工廠實習、化工原理仿真實驗、化工儀表仿真實驗等。學院構建了由展示型、仿真模擬型、實訓工廠型、化工設計型、創新課題型等5層次“虛—實”實驗教學體系（如圖1所示）。

2.1 展示型

展示型“教—學”是借助“化工原理實驗”“化工儀表實驗”“反應工程實驗”“基礎化學實驗”等多系列、多角度和多方位的仿真素材庫，以視頻、PPT、在線演示資料等展示真實教學過程。實施過程中，先通過虛擬仿真軟件深化理論知識的學習，培養學生獨立思考的能力，獲得優化運行參數，再通過實際實驗操作提升學生對儀器、工藝、原理和技術的認知，提高發現、分析和解決問題的能力。

2.2 仿真模擬型

仿真模擬型利用計算流體力學技術和虛擬仿真實驗技術，對化工單元設備中介觀微粒、氣泡、液滴以及微元進行仿真，繪制出設備流場中的工藝參數的三維空間分布，優化設備的型式與結構，并進行流程的動態響應測試、安全評價、事故訓練等實踐訓練，為化工過程的安全操作與經濟運行提供參考。例如，丙烯高溫氯化混合反應器仿真與優化設計。針對高溫氯化法生產氯丙烯過程中存在的系統結焦嚴重、清焦周期過短、反應收率低的問題，運用計算流體力學，結合湍流結構理論和統計學理論，提出了流體多維變形擴散過程以及湍流剪切拉伸耦合的多尺度混合機理模型。通過將該理論模型與反應動力學模型、流體力學輸運模型相結合，形成了反應器的整體仿真與優化設計平臺。運用該虛擬仿真平臺仿真模擬了丙烯高溫氯化混合反應器的結構型式、操作參數，獲得了濃度場、速度場和溫度場等的數據分布（如圖2所示），并探究出了反應器結構特征、操作條件和操作方法等對反應的不利影響因素，最終提出了反應器的結構優化改造方案。

2.3 實訓工廠型

實訓工廠型以“丙烯酸甲酯半實物虛擬仿真工廠”為例：以平湖石化現有的丙烯酸甲酯生產工廠為模板，等比例縮小生產裝置，將此生產工藝設備安裝進實驗室。采用真實工業閥門和儀表配合真實比例的仿真設備。裝置與丙烯酸甲酯3D仿真軟件完美融合，實現在線開停車、事故處理等實訓操作，極大地優化了學生的學習興趣。師生利用實體設備和計算機進行DCS 控制風格的仿真訓練培訓。學生可在局域網內的學生工作站練習模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現象處理。教師可在局域網互聯的教師站實時規定或修改學生的培訓內容、組織考試、學生成績等，彌補了傳統教學時學生無法親自動手操作的不足。圖3為丙烯酸甲酯 DCS 控制界面。借助高效仿真系統中的工藝流程、設備、分析數據等實時互動、交流，使師生在一種特殊的環境中產生了親臨真實企業的感受和體驗（見圖4）。

2.4 化工設計型

設計型“教—學”要求學生運用已學的四大化學和化工相關專業知識，根據指定的設計任務完成化工原理課程設計、車間設計、畢業設計以及課堂小設計等環節。例如，在流體力學模擬仿真實驗中，由于化工原料及產品大多數是流體，并且在化工設計過程中需要應用流體流動的基本原理，因此，流體流動問題顯得非常重要，具體表現如下：流體輸送過程中一般需要輸送設備，必須計算流體在流動過程中應加入的外加功，為選擇輸送設備提供依據;合理選擇和安裝測量儀表對管路或者設備內的壓力、流速、流量等參數進行測定來控制生產過程;化工傳熱和傳質是在流體流動的情況下進行，并與設備的操作效率和流體的流動狀況息息相關，這對設備選型設計具有重要意義。因此，通過流體力學虛擬仿真軟件（見圖5），便于學生深入學習流體輸送設備的基本結構、工作原理及特性，以便能根據輸送任務正確地選擇輸送設備的類型和規格，決定輸送機械在管路中的安裝位置，計算消耗功率，使輸送設備在高效率下可靠運轉，再根據虛擬仿真實驗的結果，在現場進行驗證（見圖6），使學生更好地掌握流體力學方面的知識。

2.5 創新課題型

針對學有余力的優秀學生，教師可以通過創新課題型“教—學”提高其創新能力，鼓勵自主創新，解決若干具有挑戰性的問題。學生參加創新創業學科競賽、國家大學生創新創業訓練、浙江省新苗人才計劃等實現創新訓練。例如，學生在教師的指導下，組成創新課題小組，完成了“基于 Aspen plus 軟件的環氧丙烷生產工藝優化計算”“平推流與全混流反應器系統仿真開發”等項目;在題目為“針對某一含硫工業廢氣源設計一套深度脫硫并予以資源化利用的裝置”的2017年第十一屆全國大學生化工設計競賽全國總決賽中，學院學生運用“虛—實”組合技術的作品“年產3 500 t?；撬犴椖俊鲍@得了全國賽一等獎的好成績。圖7是學生的ASPEN全廠工藝流程圖。

3 結束語

強調“虛實相輔、虛中帶實、可實不虛”的新型培養模式，利用仿真軟件結合現實復雜實驗組合的教學手段，不僅能實現“教—學”的虛實對照，更能完美地實現真實實驗與虛擬實驗結果的一一對照和評定。對于簡單或已開設的實驗，可引導學生對比真實實驗與虛擬仿真結果，加深知識點的掌握，做到“能實不虛”;而對于復雜或沒有開設的實驗，則利用逼真的虛擬仿真結果生動地展現實驗過程，優化整體教學內容，讓師生對實驗數據和虛擬仿真的相輔相成作用有更深刻的認識。

參考文獻

[ 1 ] 宋建爭，李建軍，張永強.化工虛擬仿真實驗教學探索與實踐[ J ].教學研究，2014，37（ 3）：107-109.

[ 2 ] 許亞嵐，羅雄麟.優化實踐教學體系，培養復合型人才[ J ].實驗室研究與探索，2013（ 32）：175-177.

[ 3 ] 曾芬芳.虛擬現實技術[ M ].上海：上海交通大學出版社，1977.

[ 4 ] 張亞濤，張文輝，陳衛航.化工類專業化工設計教學的改革與實踐[ J ].化工高等教育，2010（ 5）：50-52.

[ 5 ] 孫小琴.基于理論與實踐一體化導向的化工教學設計探析[ J ].化學教育，2015（ 10）：61-64.

[ 6 ] 胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[ J ].實驗室研究與探索，2015，34（ 2）：140-201.

Application of "virtual-reality" combination teaching in experimental courses of applied chemistry major

Dai Wei，Wang Fang-fang，Teng Bo-tao，Zhu Gang-guo

（College of Chemistry and Life Sciences， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321004，China）

Abstract Taking the experimental courses in applied chemistry specialty of Zhejiang Normal University as an example， the paper proposes the application of the new educational model of "real complements with virtual， reality in virtual， real deprived of virtual"， providing a new perspective for the optimization of the innovation， effectiveness and diversity of the applied chemistry experimental teaching and meanwhile improves the teaching-learning effectiveness.

Keywords experimental teaching; applied chemistry; virtual simulation