化学化工虚拟仿真实验室构建和实现方法研究

摘 要： 自教育部2013年颁布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》以来，徐州工程学院化学化工学院积极响应教育部号召，已将虚拟仿真教学纳入人才培养计划和教学大纲中，并正在探索绿色化工虚拟仿真技术与化工学科课程整合的新方法、新思路，推进“课堂-仿真-工厂”的具有一体化教育模式的改革与实践，同时对虚拟仿真实验过程中存在的不足进行分析和探讨。

关键词： 虚拟仿真 化学化工 实验室建设

1.传统化学化工专业实践实习模式的弊端

由于化工过程的复杂性，化工类实训实践教学的开展面临一定的困难，主要是因为校内实践基地建设面临很多问题：①化工生产装置复杂庞大，购置具备完整功能的试验设备需要投入的资金较多，硬件维修场地的要求较高；②化工操作条件苛刻，如高温高压等，操作危险性较高；③生产中所涉及的原料通常是易燃易爆有毒的化学试剂，对操作环境及周围环境影响较大。而学生校外企业实践也存在一些问题，由于化工企业的生产过程具有复杂性和一定的危险性，在实习期间，一般不允许学生动手操作，此外，化工设备自动化程度高，很多生产过程看不见摸不着，实习效果差，致使单纯的校外企业实践很难达到预期的效果。

2.虚拟仿真在化学化工实验中的优势

虚拟仿真化学化工实验是以三维立体模拟实验室代替传统的实验室，可进行超越传统实物的实验，使微观实验、危险性实验、高成本实验等成为可能。可进行无限制、多样式的重复操作，无污染、无浪费。也可进行交互操作训练，参与者与之进行互动，提高参与者的动手能力及参与热情，养成在以后工作、生活中成功运用现代技术的习惯，进一步实现技术进步与社会进步的共同发展。

3.虚拟仿真教学资源在教学各个环节中的应用

在化工原理、化工分离、精细化工工艺学、化工过程分析与模拟等化工专业基础课、理论课和实验教学中引入虚拟仿真教学资源，选取小班试点，逐步摸索“课堂-仿真”教学模式的教学方法，总结经验与教训，进一步推广到化学工程与工艺、应用化学等专业的所有班级。

3.1仿真教学资源在理论教学的应用。

虚拟仿真教学资源软件功能的外延，影响与带动徐州工程学院工程类课程教学方法与模式变革。将虚拟仿真软件所体现的教育思想、所提供的工程案例、逼真工作实景资源应用到课程教学中，把理论课程中抽象的概念、复杂的问题以直观的形式展现给学生，帮助学生理解工程、了解工厂实际，推进“课堂-仿真-工厂”的“一体化”教学模式的改革与实践，形成独特的工程应用型人才培养的新模式。在这样理念的引导下，化工设计、精细化工工艺学、化工原理等课程的授课过程中引入各类仿真教学资源，仿佛“把工厂搬进教室”、“把教室搬到工厂”。以精细化工工艺学课程为例，此课程将乙醛氧化制醋酸工艺仿真软件提供的工程为案例展开教学，以正常初态工况为例讲解工艺路线，以软件提供的稳态数据作为物料衡算的实例，以软件提供的动态数据作为流程及操作参数优化的实例，以软件提供的真实工厂实景为资源弥补学生工厂实际认知的不足，帮助学生理解设备与构筑物、设备与管道的关系，认识管廊、管架、设备、公用工程等外观形貌，开展案例教学及情景教学。

3.2仿真教学资源在化工原理实验教学中的应用。

利用各类教学资源可开设30个实验项目。在化工原理实验真实操作前，要求学生先在网上虚拟进入实验室，熟悉装置、认识流程及控制方案、在线预习、在线虚拟操作，在线形成预习成绩，再到实验室进行真实操作，学生实际操作的熟练程度与数据的准确率明显上升，最后在相应的仿真软件上变换不同的参数，进行实验数据的优化。这样的实验教学安排，“反刍”式的知识点巩固，强化了实验教学效果，实验的综合性、设计性明显提高了，学生的学习兴趣、创新与设计能力明显提高了。例如：甲醇合成与精制工艺，3D仿真该软件以煤化工产业为背景，以真实化工厂甲醇项目为基础，选取煤制甲醇工艺中合成气制甲醇及甲醇精制部分进行开发，可进行四种初态六个事故工况及两个安全事故仿真操作。该套仿真实验平台建设实现了远程登录，在线仿真3D实验与实习，在线评分与成绩记载并利用，实现了在场景中设备内部细节的描述。

3.3仿真教学资源在仪器分析实验中的应用。

学生学习仪器分析课程时，要进行大量的仪器分析实验，由于条件所限，学校不可能购置所有昂贵的仪器分析设备，有些仪器比较贵重精密，如荧光光谱仪，红外光谱仪可见-紫外分光光度计、分子荧光光度计、气相色谱分析仪等，在以往的仪器分析实验中，由于仪器数量少，每次实验十几名学生为一组，在使用时缩手缩脚，因而每次实验往往都由少数动手能力强的学生操作，其他学生记录数据或在旁边观望，达不到预期的效果。还有些学生对仪器掌握不熟练，容易误操作而损坏仪器。使用大型仪器的虚拟仿真实验教学就能较好地解决这个问题。学生利用虚拟仿真软件就能够学习仪器操作，且不必担心对仪器造成损坏。建议学生先进行虚拟实验操作，了解具体的仪器构造和使用方法，经过反复练习，等到真正掌握仪器操作技术，再到真实的仪器上操作，这样才能取得更好的学习效果。

4.当前虚拟现实技术在化工实验教学中的不足

虚拟仿真技术促进了教育教学的发展与改革，给教学带来便利。然而，当前虚拟现实技术在教学中存在不少问题，尤其是在实验教学中。

4.1仿真实验开发困难，传播不易。

在多媒体教学的今天，师生的地位发生了很大的改变，学生成为学习的主体，而教师则是引导者和学习资源的建设者，这就要求教师具备丰富的教学理论、实践经验及掌握一定的仿真实验设计制作技术，但是，当前绝大部分学校针对教师的计算机应用能力的培训都是以普及为主，使得许多教师在设计与开发方面存在困难。

4.2缺少及时的帮助与指导。

由于当前开发虚拟实验的人员中很少是有经验的教师，大部分都是专业的技术人员，他们往往对实验教学不够精通，这就导致他们在开发的时候只是一味地追求对现实模拟的逼真度，将技术重点放在实验的流程化、交互的自然化及界面的美观化方面。所以，在开发过程中缺少实验技术的帮助与指导。

4.3虚拟仿真实验的局限性。

仿真毕竟是虚拟的，因而存在一些局限性，目前化工仿真软件操作界面通常为二维平面，无法产生真实的临境感受；仿真训练时，学生按照操作规程机械地点击按钮，并不能像真实训练中真正的用手去操作、去连接、去倾倒，虚拟仿真实验只能完成逼真的演示效果，对学生动手操作能力的培养欠缺，所以仿真操作不能完全代替实际操作。

5.结语

虚拟仿真实验与真实实训相结合的实践教学模式在化学化工类实践教学中取得了很好的教学效果，能较好地弥补以往实践教学模式的不足，仿真教学毕竟是模拟真实的化工单元操作，而实际生产中的很多突发事件是不可能完全在电脑上模拟出来的，这就需要将仿真软件和实践操作有机结合起来，相互补充，取长补短，从而培养学生的综合素质，更好地适应新形势的发展需要。

参考文献：

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