化學(xué)工程與工藝虛擬仿真實驗教學(xué)中心開放管理平臺建設(shè)探索——化工類專業(yè)實踐教學(xué)改革系列研究之三

梁　軍,劉勇平,劉　崢

(桂林理工大學(xué)　化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西　桂林　541004)

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化學(xué)工程與工藝虛擬仿真實驗教學(xué)中心開放管理平臺建設(shè)探索
——化工類專業(yè)實踐教學(xué)改革系列研究之三

梁軍,劉勇平,劉崢

(桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西桂林541004)

以桂林理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝虛擬仿真實驗教學(xué)中心開放管理平臺建設(shè)為例，介紹虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的思路與內(nèi)容。利用現(xiàn)代信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了具有教學(xué)資源管理模塊、實驗教學(xué)管理模塊、實驗室預(yù)約管理模塊的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。此平臺具有統(tǒng)一、開放、可擴(kuò)充、可配置、跨區(qū)域共享的鮮明特色。為我校實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化、信息化進(jìn)程的推進(jìn)，創(chuàng)造新的教學(xué)思路和方法，推動創(chuàng)新人才培養(yǎng)和社會服務(wù)模式的改革奠定了堅實基礎(chǔ)。

虛擬仿真；網(wǎng)絡(luò)平臺；實踐教學(xué)；化學(xué)工程

2012年，為推動實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新,教育部下發(fā)了《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》(教高〔2012〕4號)和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》等文件。信息化、互聯(lián)網(wǎng)+等概念作為現(xiàn)代化的教學(xué)理念和教學(xué)手段，逐漸在高等院校的教學(xué)、科研、管理等方面帶來改變，其中對傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來的沖擊尤其明顯[1]。

互聯(lián)網(wǎng)+化學(xué)工程虛擬中心平臺建設(shè)，是利用信息通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)平臺，使互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的化學(xué)工程實訓(xùn)中心融合，創(chuàng)造新的教學(xué)思路和方法，推動創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科研組織和社會服務(wù)模式的提高。例如：依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真實驗教學(xué)中心能夠?qū)崿F(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗項目[2]。

一、當(dāng)前高?；瘜W(xué)工程與工藝實驗室管理平臺建設(shè)存在的問題

1.開放性不夠。很多化學(xué)工程與工藝中心管理平臺的功能僅側(cè)重于實驗預(yù)約和登記，僅僅解決了教學(xué)組織的部分問題。而對于課程建設(shè)、課程學(xué)習(xí)、交流互動、教學(xué)評價等內(nèi)容都有很多不足，各教學(xué)環(huán)節(jié)未能形成統(tǒng)一的整體，不能充分發(fā)揮平臺的最大效益。

2.資源共享不足。當(dāng)前高等教育重復(fù)課程多，教學(xué)資源重復(fù)建設(shè)比例大，很多優(yōu)秀資源僅僅集中在教育經(jīng)驗非常豐富的優(yōu)秀教師、名師手里，廣大新進(jìn)高校教師獲得起來非常困難，同時也不能保證所有的學(xué)生都學(xué)習(xí)到優(yōu)秀教師的授課資源。很容易形成信息孤島，達(dá)不到共建共享的目的。同時很多老師把精品課程當(dāng)做科研項目執(zhí)行，做完之后能持續(xù)應(yīng)用到教學(xué)一線的非常有限。造成了資源的極大浪費(fèi)。所以在線教學(xué)資源的整合還是有非常有必要的，而互聯(lián)網(wǎng)+開放管理平臺在資源共享方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。

3.針對性不強(qiáng)?；瘜W(xué)工程特色顯著，強(qiáng)調(diào)化學(xué)反應(yīng)、化工單元操作、化工過程與設(shè)備、工藝過程系統(tǒng)模擬優(yōu)化等知識貫穿結(jié)合，使學(xué)生具有設(shè)計、優(yōu)化與管理能力。目前的化學(xué)工程虛擬中心，除了理論課程基本上可以在網(wǎng)上進(jìn)行之外，專業(yè)實驗、實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)在管理平臺上的整合還非常欠缺。

4.互聯(lián)網(wǎng)作用發(fā)揮不夠?；ヂ?lián)網(wǎng)具有不受空間限制進(jìn)行信息傳遞，信息交換更新速度快，具有互動性，使用成本低，趨向于個性化發(fā)展等特點。很多化工虛擬中心平臺信息更新慢，互動性不強(qiáng)，不能滿足學(xué)生個性化需求等[3]。

二、化學(xué)工程與工藝虛擬仿真實驗教學(xué)中心開放管理平臺建設(shè)

依托桂林理工大學(xué)校園網(wǎng)，基于J2EE架構(gòu)的B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的解決方案，系統(tǒng)用戶角色包括學(xué)生、教師、教務(wù)員、實驗室管理員、系統(tǒng)管理員等角色。搭建一種多層次彈性可分的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的時間和空間約束，使學(xué)生可以在任何時間、任何地點開展虛擬仿真實驗，體現(xiàn)教學(xué)平臺的統(tǒng)一、開放、創(chuàng)新、可擴(kuò)充、可配置，跨區(qū)域共享的鮮明特色(見圖1)。

圖1　虛擬仿真實驗教學(xué)中心開放管理平臺功能概況圖

1. 教學(xué)資源管理模塊

本模塊是一個開放的虛擬實驗教學(xué)資源管理平臺，可實現(xiàn)對實驗教學(xué)資源：各種虛擬實驗、仿真軟件和演示動畫的上傳、發(fā)布和管理?；瘜W(xué)工程與工藝虛擬仿真實驗中心的教學(xué)資源包括以下六大主要內(nèi)容:

工科基礎(chǔ)化學(xué)仿真實驗: 近年來我院老師采用HTML+ASP+flash等技術(shù)制作的基于Web平臺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，自主開發(fā)了“普通化學(xué)”(含實驗)、“物理化學(xué)”(含實驗)、“儀器分析”(含實驗)、“大學(xué)化學(xué)”(含實驗)、“化工原理”、“理論電化學(xué)”等13門課程的多媒體教學(xué)課件。課件中包含理論教學(xué)、實驗教學(xué)(仿真實驗和模擬實驗)、教學(xué)積件(教學(xué)動畫、3D分子庫和動態(tài)圖表)和在線測試幾大模塊。課件多次參加全國、廣西區(qū)的多媒體課件大賽，獲全國多媒體課件大賽一等獎6項，二等獎1項，最佳教學(xué)設(shè)計獎1項；省級多媒體教育教學(xué)軟件大賽一等獎 3項，二等獎 2項。

化工原理單元操作仿真實驗: 化工單元操作主要有柏努利方程實驗、雷諾實驗、化工流動過程多功能綜合實驗、多功能吸收與解吸實驗、多功能傳熱實驗、多功能液固分離實驗的實體與3D仿真操作軟件。

化工工藝虛擬仿真實訓(xùn): 包含常規(guī)化工產(chǎn)品生產(chǎn)的化工設(shè)備、工藝虛擬仿真，如合成氨系統(tǒng)、苯胺2D和3D系統(tǒng)，可直接服務(wù)開設(shè)合成氨廠、苯胺生產(chǎn)工廠仿真實訓(xùn)、工藝運(yùn)行調(diào)試實訓(xùn)實驗和各化工設(shè)備操作等仿真實驗項目。依托合成氨教學(xué)項目模擬動畫庫建成合成氨典型工藝虛擬實訓(xùn)實驗室；依托苯胺生產(chǎn)線建立苯胺生產(chǎn)3D虛擬仿真系統(tǒng)；可以根據(jù)仿真系統(tǒng)模擬裝置工藝條件，再現(xiàn)生產(chǎn)中的各種現(xiàn)象，如開、停車，正常生產(chǎn)工況，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常工況的處置。

微型化工工廠仿真實訓(xùn): 中心建立的苯加氫制備環(huán)己酮裝置實體，與虛擬仿真軟件相結(jié)合的大型化工工廠實體教學(xué)資源，化工工藝流程基于動態(tài)模擬技術(shù)，有真實的裝置實體，模擬生產(chǎn)時不進(jìn)真實工藝原料，依據(jù)電信號的變化來判斷、調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的變化，模擬裝置工藝條件，再現(xiàn)生產(chǎn)中的各種現(xiàn)象。對該生產(chǎn)裝置全部設(shè)備和生產(chǎn)工藝均制備專用二維碼，使學(xué)生可以通過手機(jī)很方便學(xué)習(xí)各種設(shè)備的使用、維護(hù)、操作工藝條件等，將化工設(shè)備和化工工廠裝進(jìn)學(xué)生的口袋。

大型儀器仿真實驗: 開發(fā)的大型儀器原理解析、使用規(guī)范、故障分析處理等多方面的仿真教學(xué)及訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)。目前有X-射線單晶衍射儀、X-射線粉末衍射儀、熱重-紅外聯(lián)用分析儀、原子吸收光譜儀、紫外-可見分光光度計、氣相色譜、液相色譜等10余臺大型精密儀器的脫機(jī)模擬操作軟件。

化工安全事件應(yīng)急處理與虛擬仿真實驗: 通過虛擬仿真手段，模擬危險化學(xué)品泄漏事故應(yīng)急處置、化工生產(chǎn)過程安全事故處理方法及大型高?；て髽I(yè)安全模擬管理及應(yīng)急等，設(shè)置交互動作，同時制作常見實驗室事故的應(yīng)急預(yù)案演練動畫，易燃、易爆等化學(xué)品安全存放方法模擬軟件，培養(yǎng)學(xué)生對化工安全的認(rèn)識和事故應(yīng)急處理能力。能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)安全理論系統(tǒng)學(xué)習(xí)、生產(chǎn)安全操作與應(yīng)急演練、現(xiàn)場許可作業(yè)培訓(xùn)、化工安全技能競賽和技能鑒定等多種培訓(xùn)功能。

2．實驗教學(xué)管理模塊

教師根據(jù)教務(wù)處的開課計劃，進(jìn)行典型實驗庫的維護(hù)、實驗安排、查看學(xué)生實驗進(jìn)展、批改實驗結(jié)果及實驗報告、統(tǒng)計并發(fā)布實驗成績。學(xué)生根據(jù)任課教師的要求，進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)，進(jìn)入實驗室完成實驗，提交實驗報告。實驗教學(xué)管理的主要功能有(見圖2)：

實驗庫管理: 維護(hù)各門課程實物實驗和虛擬實驗的典型實驗，提供增、刪、查、改操作。

實驗安排：進(jìn)行相應(yīng)課程虛擬實驗教學(xué)安排和實物實驗的教學(xué)安排。

考勤管理：對參與實驗的學(xué)生進(jìn)行簽到簽離，考查學(xué)生的出勤情況。

虛擬實驗：學(xué)生根據(jù)實驗要求，完成驗證性虛擬實驗，或者進(jìn)行設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗。

實物實驗：根據(jù)教師的實驗要求，完成相應(yīng)的實驗任務(wù)并提交實驗結(jié)果和實驗報告。

實驗批改：針對實驗結(jié)果和實驗報告進(jìn)行相應(yīng)的自動批改、人工批改及評價。

成績導(dǎo)出：按照實驗課程匯總成績并輸出，或提供數(shù)據(jù)接口給教務(wù)部門的成績管理系統(tǒng)。

圖2　實驗教學(xué)管理流程

3． 實驗室預(yù)約管理模塊

在本模塊中，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛好，提交實驗預(yù)約以及工位預(yù)約，進(jìn)行個性化實驗。也可以向?qū)嶒炇姨岢鲈O(shè)備借出申請。教師也可以組織興趣小組預(yù)約實驗室來開展課外實驗，同時也可以向?qū)嶒炇姨岢鲈O(shè)備借出申請。實驗室預(yù)約管理模塊的主要功能如下(見圖3)：

實驗室信息管理：實驗室管理員對實驗室及工位、設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行增、刪、查、改；實時監(jiān)控實驗室畫面。

實驗預(yù)約：學(xué)生通過系統(tǒng)查詢可預(yù)約的實驗，預(yù)約實驗。

預(yù)約工位：預(yù)約實物實驗室的工位及設(shè)備，預(yù)約成功后前往實驗室做實驗。

設(shè)備借出：通過系統(tǒng)查詢可以外借的設(shè)備，申請及歸還設(shè)備登記。

預(yù)約實驗室：通過系統(tǒng)預(yù)約申請整個實驗室開展相應(yīng)的實驗教學(xué)。

實驗室預(yù)約審核：教務(wù)員對教師提出的實驗室的預(yù)約申請進(jìn)行查詢及審核。

設(shè)備借出審核：實驗室管理員查詢以及審核實驗設(shè)備的借出與歸還狀態(tài)。

實驗室使用率：統(tǒng)計各個實驗室課時使用、工位預(yù)約、實驗室預(yù)約情況。

圖3　實驗室預(yù)約業(yè)務(wù)流程

三、結(jié)語

桂林理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝虛擬仿真平臺的建設(shè)，推動了我校實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的進(jìn)程，對深化虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容的深刻改革具有重要的現(xiàn)實意義。

1. 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗教學(xué)管理和共享平臺具有安全性、開放性、可擴(kuò)展性、標(biāo)準(zhǔn)化、易操作的特點。降低對真實裝置和設(shè)備的依賴，避免高危實驗、實訓(xùn)等帶來的隱患，解決學(xué)生實際生產(chǎn)實習(xí)不能動手操作等困難，無污染、低運(yùn)行成本、易管理，最大限度發(fā)揮了互聯(lián)網(wǎng)+、信息化的特性，符合教學(xué)信息化的趨勢，為新時期下化工教育教學(xué)帶來新的變化。

2. 多種角色用戶身份管理，多種業(yè)務(wù)權(quán)限配置，增強(qiáng)學(xué)生、教師、教務(wù)人員、實驗室管理人員之間的信息傳輸，實現(xiàn)高效、靈活的實驗室信息化管理。學(xué)生可以自主安排學(xué)習(xí)計劃，提升學(xué)習(xí)效率，不受時間空間和地域等限制。學(xué)生自主靈活參與實驗，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，個性化的協(xié)同分組學(xué)習(xí)提高了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3. 平臺運(yùn)行可以輻射周邊院校和地方性煉化企業(yè)。服務(wù)于兄弟院?；瘜W(xué)化工專業(yè)學(xué)校，同時也可以為地方性企業(yè)做員工培訓(xùn)，帶來良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。實現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實驗教學(xué)資源共享，符合虛擬中心建設(shè)共建共享的理念。

(責(zé)任編輯：夏璐)

[1]李平， 毛昌杰， 徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013 (11) ：5-8.

[2]唐向陽，馬驍飛，郭翠梨，等. 建設(shè)高水平“化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心”的思路與探索[J].高等理科教育，2015(6):102-106.

[3]楊南粵，李爭名，戚宇恒.一站式虛擬實驗平臺的設(shè)計與建設(shè)[J]. 中國教育信息化,2016(7):74-77.

Exploration of the Construction of Chemical Engineering and Technology Virtual Simulation Experiment Teaching Center Open Management Platform——the thirdseries of chemical-industry type professional practice teaching reform research

LIANG jun，LIU Yong-ping，LIU zheng

(College of Chemistry and Bioengineering ,Guilin University of technology,Guilin 541004,China)

Taking the construction of open management platform of the chemical engineering and technology virtual simulation experiment teaching center of Guilin University of Technology as an example, the idea and content of the virtual simulation experiment teaching platform construction is introduced. Using the modern information technology and Internet technology, the virtual simulation experiment teaching platform is constructed, which contains teaching resource management module, the experimental teaching management module and the laboratory reservation management module .This platform has distinctive features: unified, exoteric, expandable, configurable, transregional sharing. It lays solid foundation of propelling web based and informationized instruction of experimental teaching, creating new teaching methods, promoting the training of innovative talent and reforming of social work mode.

virtual simulation;network platform;practical teaching;chemical engineering

G647

A

1671-9719(2016)9-0025-03

梁軍 (1969- ),男,廣東高州人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為教育管理。

2016-05-30

2016-06-13

廣西高等教育教學(xué)改革工程重點項目“基于廣西石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的化學(xué)工程與工藝專業(yè)實踐教學(xué)體系研究與實踐”(2015JGZ129)。