虛擬仿真在化學(xué)化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探索與研究

侯珂珂

（許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南許昌461000）

1 引言

實(shí)踐教學(xué)是鞏固和加深對(duì)理論知識(shí)認(rèn)識(shí)的有效途徑，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動(dòng)手能力的重要平臺(tái)。對(duì)于以培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才為宗旨的應(yīng)用型本科院校來(lái)說(shuō)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)尤為重要，但在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，由于受到實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件、安全等方面的因素制約，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)過(guò)程和效果還不盡如人意[1-3]。為了適應(yīng)二十一世紀(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的要求，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，改革實(shí)踐教學(xué)方式方法，國(guó)家教育部高教司于2013年下文在全國(guó)構(gòu)建國(guó)家級(jí)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[4]。因此，開(kāi)展虛擬仿真在化學(xué)化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探索具有重要的意義。

2 高校化學(xué)化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

由于化工過(guò)程的復(fù)雜性，化工類(lèi)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展面臨著重重困難，究其原因主要是校內(nèi)實(shí)踐基地建設(shè)面臨很多問(wèn)題：①化工生產(chǎn)裝置復(fù)雜龐大，購(gòu)置具備完整功能的試驗(yàn)設(shè)備需要投入的資金較多，硬件、維修場(chǎng)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(xiǎn)性較高；③生產(chǎn)中所涉及的原料通常是易燃、易爆、有毒的化學(xué)試劑，對(duì)操作環(huán)境及周?chē)h(huán)境影響較大。

而學(xué)生校外企業(yè)實(shí)踐也存在一些問(wèn)題。由于化工企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程具有復(fù)雜性和一定的危險(xiǎn)性，在實(shí)習(xí)期間，一般不允許學(xué)生動(dòng)手操作；開(kāi)車(chē)、停車(chē)操作不會(huì)由于學(xué)生的訓(xùn)練而隨意進(jìn)行；工廠是以完成生產(chǎn)任務(wù)、獲得經(jīng)濟(jì)效益和保證安全為目的，不會(huì)因?qū)W生的介入而調(diào)整生產(chǎn)工藝條件。此外，化工設(shè)備自動(dòng)化程度高，很多生產(chǎn)過(guò)程看不見(jiàn)、摸不著，實(shí)習(xí)效果差，致使單純的校外企業(yè)實(shí)踐很難達(dá)到預(yù)期的效果。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[5]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于形象逼真，給枯燥的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了生機(jī)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)資源更加豐富，學(xué)習(xí)形式更加多樣化，現(xiàn)已成為教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有如下幾個(gè)特點(diǎn)[5-8]：

（1）使學(xué)生學(xué)習(xí)更具沉浸性。虛擬仿真平臺(tái)可模擬生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、液位、組成等數(shù)據(jù)的生成或變化，使學(xué)生得到非常逼真的操作環(huán)境，在近似真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中去認(rèn)識(shí)，操作其中的虛擬設(shè)備，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)過(guò)程。

（2）交互性。仿真軟件具有較強(qiáng)交互性，提供快門(mén)設(shè)定、工況凍結(jié)、成績(jī)?cè)u(píng)定、事故設(shè)置、報(bào)警記錄等各項(xiàng)功能，在虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以利用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或其它物理設(shè)備操作虛擬設(shè)備，而虛擬設(shè)備同樣會(huì)像現(xiàn)實(shí)中一樣表現(xiàn)出其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生體驗(yàn)到身臨其境的感覺(jué)。

（3）開(kāi)放性。由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以以WEB的方式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)完成，不受時(shí)間、空間的制約，在寢室、校園內(nèi)或家中隨時(shí)、隨地通過(guò)用戶(hù)名和密碼登錄系統(tǒng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（4）擴(kuò)展性?？梢詫?duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行靈活配置和組合，而且相關(guān)軟件升級(jí)和更新方便，學(xué)生能夠?qū)μ摂M設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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，并非3D仿真，缺乏立體感，無(wú)法產(chǎn)生真實(shí)的臨境感受；仿真訓(xùn)練時(shí)，學(xué)生按照操作規(guī)程機(jī)械地點(diǎn)擊按鈕，并不能像真實(shí)訓(xùn)練中真正的用手去抓，去連接，去傾倒。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能完成逼真的演示效果，對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)欠缺，所以仿真操作不能完全代替實(shí)際操作。

4 虛擬仿真在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

鑒于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及其局限性，通過(guò)對(duì)近年來(lái)本科院?；ゎ?lèi)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析及我校的實(shí)際情況，我們構(gòu)建了虛擬仿真與真實(shí)訓(xùn)練相結(jié)合、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)與校外企業(yè)實(shí)訓(xùn)基地相結(jié)合的化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)模式，上述方式有機(jī)結(jié)合，相互促進(jìn)，共同強(qiáng)化提高學(xué)生的實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

目前我院利用400萬(wàn)元資金建設(shè)了化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心、校內(nèi)化工類(lèi)工程實(shí)訓(xùn)基地，把學(xué)院實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)提升到了一個(gè)新的高度。校內(nèi)化工類(lèi)工程實(shí)訓(xùn)基地以實(shí)際化工生產(chǎn)工藝為模板，百余件工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)，把生產(chǎn)自動(dòng)控制技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

上述實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)完成后，已用于2011級(jí)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)三個(gè)班77人的化工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)及虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)踐課程教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果：①增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣：虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)采用二維可視動(dòng)畫(huà)技術(shù)展現(xiàn)了設(shè)備、儀表、化工單元過(guò)程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，形象直觀，使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大大提高；②提升了學(xué)生的職業(yè)技能：上述實(shí)踐教學(xué)模式彌補(bǔ)了企業(yè)實(shí)習(xí)只能看不能動(dòng)，不能參與生產(chǎn)與管理的弊端，真正實(shí)現(xiàn)了從操作到管理系統(tǒng)工程的訓(xùn)練。

上述虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用后，我們對(duì)77名學(xué)生進(jìn)行調(diào)查顯示，幾乎一致認(rèn)為該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)能顯著提高動(dòng)手實(shí)踐能力及其職業(yè)素養(yǎng)。

5 結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式在化學(xué)化工類(lèi)實(shí)踐教學(xué)中取得了很好的教學(xué)效果，能較好地彌補(bǔ)以往實(shí)踐教學(xué)模式的不足，明顯增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，不僅解決了實(shí)訓(xùn)中學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少、不能隨意開(kāi)停車(chē)及事故處理操作等問(wèn)題，而且促使學(xué)生更系統(tǒng)全面地掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

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[4]中華人民共和國(guó)教育部高等教育司.關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].教高司函[2013]94號(hào)，2013-08-13.

[5]吳新華，萬(wàn)強(qiáng).虛擬實(shí)驗(yàn)在高校教學(xué)中的應(yīng)用[J].萍鄉(xiāng)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013，30（6）：91-94.

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[8]周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008，22（5）：106-109.□