化工原理實驗拆裝仿真軟件的開發和應用

王 晟 居沈貴 薛 峰

(南京工業大學 化工學院，江蘇 南京 210009)

化工原理作為化學工程及相關學科的一門重要專業基礎課，是理論聯系實踐的橋梁。該課程的實驗內容不同于其他基礎課程，具有典型的工程特點，實驗過程中常常會遇到大量工程實際問題[1]。

按照《工程認證標準》，對于實驗的要求是能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據并通過信息綜合得到合理有效的結論。面對學生人數較多，學時數偏少的矛盾，老師只能在課堂上簡要說明實驗目的、原理和操作要求，不能做深入分析，而學生的學習態度普遍過于浮躁，面對結構復雜的實驗儀器和繁雜的實驗操作步驟會產生畏難情緒，不愿意提前預習實驗[2-3]。于是各高校紛紛開發仿真軟件、拍攝實驗視頻和進行實驗設計教學等[4-5]，讓學生熟悉實驗流程，教學生如何進行操作，以達到面對實驗裝置能進行有效操作，提高動手能力的目的。于是多數學生在做實驗時只忙于“模仿操作”完成實驗，對實驗數據的處理也是按照教材的案例進行“模仿處理”，忽略了實驗設計、實驗裝置搭建和實驗安全等重要環節，最終導致整個實驗課程的學習僅限于培養學生的操作能力，不利于幫助學生樹立工程觀點，培養學生理論聯系實際、分析和解決問題的能力。為了改變這一現象，我校依托北京東方仿真軟件技術有限公司進行了化工原理實驗拆裝仿真軟件的開發。

1 化工原理實驗拆裝仿真軟件架構的設計

化工原理實驗拆裝仿真軟件為3D模擬仿真軟件，涵蓋了流體流動阻力測定實驗、離心泵性能曲線測定實驗、恒壓過濾常數測定實驗、固體流態化實驗、對流給熱系數測定實驗、填料吸收塔吸收實驗、精餾實驗和干燥速率曲線測定實驗八個化工原理核心實驗內容，每個實驗包括實驗目的、實驗原理、PID圖繪制、實驗裝置搭建、實驗核心裝置拆裝和原理展示、實驗步驟和實驗數據處理及實驗報告生成七個部分。該軟件不僅涵蓋了傳統的實驗目的和原理的展示和操作步驟仿真等模塊，而且增加了實驗所用主要設備內部結構和工作原理的展示、實驗裝置的選擇、拆裝與搭建等模塊，還將化工制圖和化工安全生產技術等課程的內容有機地結合起來，使得學生的能力培養形成一個體系。此外，軟件采用闖關的模式，增加了學習的趣味性，在每一關最后增設了思考題，讓學生對所學內容進行復習和鞏固。軟件也可以根據學生仿真操作時閥門開度等參數的不同，對實驗數據進行模擬，有助于學生對實驗數據進行綜合分析。該軟件的開發對于促進高校實驗教學課程改革具有重要的實踐價值。

2 化工原理實驗拆裝仿真軟件的制作

化工原理實驗拆裝仿真軟件分為教師站和學員站，分別滿足老師的教學要求和學員的學習要求。教師站包括練習和考試策略的生成，學員操作的實時監控和外部干擾等。學員站包括2D界面和3D界面，作為軟件的主要學習和操作界面，還有智能評分系統，對學員的學習情況和實驗操作進行考核評分。

化工原理實驗拆裝仿真軟件中，每個實驗的實驗目的、實驗原理、PID圖繪制、實驗操作視頻和思考題等為2D界面，通過嵌入和外部調出的方式增加到軟件里。Unity搭建的知識點學習大廳，用動畫展示了核心裝置的拆裝、工作原理以及安全知識，以幫助學生拓展學習。實驗裝置搭建、實驗步驟和數據處理部分為3D界面，首先以實際教學裝置為原型，通過3DMAX繪制和渲染實驗所用管道、閥門、儀表和控制面板等，在達到美術級效果的同時實現與實際教學裝置的完全匹配。接著采用Unity搭建3D界面，以實現第一視角的隨意走動和不同畫面之間的切換，方便學生完成設備選型和實驗操作等步驟。最后通過流程工業仿真平臺(PISP)將實驗數據和操作用數學建模的方式計算出來，在PISP平臺和Unity之間進行點值的互相調用，不僅可以實現實驗現象的模擬，而且可以進行數據處理和分析以生成實驗報告。

3 化工原理實驗拆裝仿真軟件的應用

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，有利于建立以學生為中心，促進學生自主學習的教學模式。學生在任何時候都可以聯網通過化工原理實驗拆裝仿真軟件進行自主學習，通過闖關的形式學習實驗目的、實驗原理、實驗所用主要設備內部結構和工作原理，繪制實驗工藝流程圖，進行實驗裝置的選擇與搭建，了解實驗安全注意事項，進行實驗操作和數據處理仿真，并完成每一關的思考題，對所學內容進行復習鞏固。此外教師也可以通過軟件對學生的學習情況和實驗操作進行實時監控和考核評分。這樣提高了學生自主學習的參與度，使得學習輕松自由，有利于充分調動學生學習的積極性和主動性。

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，可以解決實驗臺套數少無法滿足學生實踐能力培養需求的問題。該軟件使學生不需要進入實驗室就可以了解實驗的設計思想、實驗裝置的搭建、實驗流程和實驗步驟以及數據處理，減少了學生對實驗裝置和教師等教學資源的過度依賴，大幅度提升了教學質量。

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，可以加強安全意識。學生利用該軟件完成實驗裝置的搭建后，就會進入安全知識環節，學生需要在高溫高壓等危險設備上貼上標識，并學習安全操作知識，了解安全注意事項，以避免在實際操作中出現相應安全性問題，降低操作過程的危險性。

利用化工原理實驗拆裝仿真軟件，可以提高學生的創新能力。在學生利用該軟件對實驗目的和原理、實驗工藝流程、實驗安全注意事項和實驗操作有了充分的了解，對實驗現象和數據處理進行了充分的分析的基礎上，老師可以要求學生進行實驗參數的優化，學生通過進行小組討論的形式確定實驗方案，在軟件上模擬操作，分析比較實驗結果，給出最優化實驗方案。通過這一研究導向型的環節，可以引導學生拓展思維，形成自主創新能力。

4 結論

教育信息化和現代化是教育模式革新的重要途徑和手段，是教學資源開放共享和提高大學生培養質量的有效手段[6]。通過化工原理實驗拆裝仿真軟件的開發和應用，可以有效地促進學生自主學習，提升學生的操作能力和創新能力，加強學生的安全意識，為其他實踐類課程的教學模式改革提供借鑒和示范。