化學(xué)化工虛擬仿真教學(xué)在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)中的應(yīng)用

王永壘+方紅霞+李海云

摘要：虛擬仿真教學(xué)是近年來(lái)發(fā)展的一種新型教學(xué)模式，是現(xiàn)有教學(xué)體系的一種補(bǔ)充和完善。針對(duì)當(dāng)前地方性高校黃山學(xué)院向應(yīng)用性轉(zhuǎn)型過(guò)程中，結(jié)合校級(jí)重點(diǎn)學(xué)科應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，通過(guò)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而將應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)成具有較強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力的專業(yè)技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用化學(xué)；虛擬仿真；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）14-0178-02

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)是培養(yǎng)具備化學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論、基本技能以及相關(guān)的工程技術(shù)知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技能，具有化學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的科學(xué)思維和科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，能在科研機(jī)構(gòu)、高等學(xué)校及企事業(yè)單位等從事科學(xué)研究、教學(xué)工作及管理工作的高級(jí)專門(mén)人才[1，2]。對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能及應(yīng)用能力都有較高的要求。

目前，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)仍主要集中在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)完成，這是學(xué)生集中學(xué)習(xí)知識(shí)最為有效的方法，其優(yōu)勢(shì)是知識(shí)傳授速度快，效率高，可以根據(jù)學(xué)生的情況來(lái)制定教學(xué)內(nèi)容，目標(biāo)清晰；不足之處是課堂教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能及應(yīng)用能力培養(yǎng)欠缺，而對(duì)應(yīng)用能力要求較高的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生能力的培養(yǎng)方面變得越來(lái)越重要。實(shí)踐教學(xué)[3]是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，它是學(xué)生鞏固和加深對(duì)理論知識(shí)的理解，鍛煉在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)主要包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、化學(xué)化工虛擬仿真平臺(tái)等。其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)組成，從功能上可實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、操作規(guī)范及真實(shí)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)等，通過(guò)該平臺(tái)，打牢了應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)化學(xué)和化工實(shí)驗(yàn)技能。專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[4]是由各個(gè)專業(yè)對(duì)應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)組成的教學(xué)資源，從功能上可實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、合成、虛擬操作及考核，著力提高學(xué)生的設(shè)計(jì)和流程協(xié)作能力。虛擬仿真教學(xué)資源包括基本技能、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、及生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)對(duì)應(yīng)的教學(xué)資源組成，從功能上可實(shí)現(xiàn)工藝流程與裝置學(xué)習(xí)、內(nèi)操實(shí)習(xí)及外操實(shí)習(xí)，各模塊同樣包含演示、操作和考核功能，該平臺(tái)能夠有效的提高學(xué)生的專業(yè)設(shè)計(jì)、裝置操作、系統(tǒng)調(diào)控等方面的綜合能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)習(xí)、仿真實(shí)習(xí)一體化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

隨著高校招生人數(shù)增加，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的資金投入、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全性考慮等因素的制約，導(dǎo)致實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)要求之間的矛盾，如相對(duì)復(fù)雜的工程類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由于場(chǎng)地、產(chǎn)品處理、廢物排放等一系列問(wèn)題在大多數(shù)學(xué)校也無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)，這使得學(xué)生直觀地了解化工設(shè)備、生產(chǎn)工序及其自動(dòng)化控制等方面的能力存在嚴(yán)重不足。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這些項(xiàng)目都能夠以虛擬仿真教學(xué)的形式嵌入到新型的教學(xué)模式中去，虛擬仿真教學(xué)[5，6]對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著獨(dú)特的作用，對(duì)于融合理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的應(yīng)用能力具有不可替代的作用。

近幾年來(lái)，我?；瘜W(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在化學(xué)化工專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，逐漸推廣計(jì)算機(jī)及虛擬仿真軟件的使用，現(xiàn)有機(jī)房面積200m2，擁有完善的多媒體教學(xué)環(huán)境，配備先進(jìn)的電腦主機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、掃描儀等電子設(shè)備，終端計(jì)算機(jī)達(dá)到了80余臺(tái)，能夠運(yùn)行專業(yè)的化學(xué)化工虛擬仿真軟件，配備了合成氨全工段、二甲醚全工段、均苯四甲酸二酐全工段、十五種常見(jiàn)的化工單元操作工段、藥物制劑技術(shù)（GMP）等虛擬仿真軟件系統(tǒng)，總資產(chǎn)達(dá)到200萬(wàn)元以上，通過(guò)利用化學(xué)化工動(dòng)態(tài)的虛擬仿真技術(shù)，很好的實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的互相補(bǔ)充，提高了應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)及工程問(wèn)題的能力。目前，中心所有軟件教學(xué)資源均面向校內(nèi)用戶免費(fèi)開(kāi)放，正在建設(shè)針對(duì)校外用戶的有償開(kāi)發(fā)使用，以便更好地使教學(xué)資源服務(wù)于社會(huì)。另外，結(jié)合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的發(fā)展方向，化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已經(jīng)招標(biāo)采購(gòu)聚氯乙烯全工段仿真工藝軟件等，這些軟件的使用將不斷完善和豐富虛擬仿真的課程內(nèi)容建設(shè)，提升虛擬仿真平臺(tái)對(duì)學(xué)生的鍛煉效果。

目前，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)已經(jīng)采用暑假小學(xué)期的模式進(jìn)行虛擬仿真開(kāi)課，開(kāi)課時(shí)間在大三的下學(xué)期，仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及教學(xué)目的為：（1）單元操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其教學(xué)目的是利用虛擬仿真軟件將復(fù)雜的化學(xué)工業(yè)中的典型單元操作進(jìn)行訓(xùn)練，如有機(jī)合成單元、實(shí)驗(yàn)技能單元、萃取塔單元、固定床單元、管式加熱爐單元、罐區(qū)單元、鍋爐單元、間歇反應(yīng)釜單元、精餾塔單元、離心泵單元、列管換熱器單元、流化床單元、吸收解吸單元、壓縮機(jī)單元、液位控制單元、真空系統(tǒng)操作單元、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)仿真單元等；（2）開(kāi)設(shè)化工工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如合成氨全工段仿真，包括合成氨轉(zhuǎn)化工段、合成氨凈化工段、氨合成工段等、均苯四甲酸二酐全工段仿真，包括氧化工段、水解工段、精制工段及干燥工段等，合成二甲醚全工段仿真等項(xiàng)目，目的是通過(guò)仿真操作，使學(xué)生對(duì)裝置的工藝流程，正常工況的工藝參數(shù)范圍，控制系統(tǒng)的原理，閥門(mén)及關(guān)鍵操作點(diǎn)的作用以及開(kāi)車、停車規(guī)程等更加詳細(xì)的了解，并掌握典型化工生產(chǎn)過(guò)程的開(kāi)車、停車、運(yùn)行和排除事故的能力。在虛擬仿真學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生變成了學(xué)習(xí)的主體。學(xué)生可以根據(jù)自己的具體情況有選擇地學(xué)習(xí)，如自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不同的開(kāi)、停車方案，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜控制方案、優(yōu)化操作方案等。學(xué)生可以設(shè)定各種事故和極限運(yùn)行狀態(tài)，提高學(xué)生分析能力和在復(fù)雜情況下的決策能力，使學(xué)生對(duì)涉及到的專業(yè)知識(shí)能夠進(jìn)行靈活的應(yīng)用，從而提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程理念，學(xué)會(huì)用工程方法思考、解決問(wèn)題。

化學(xué)化工虛擬仿真是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，通過(guò)提供簡(jiǎn)單通用的遠(yuǎn)程交互界面，準(zhǔn)確模擬實(shí)際狀態(tài)及儀器工作狀態(tài)，能正確分析判斷用戶的操作流程，具有仿真性、交互性和實(shí)效性，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生通過(guò)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的反復(fù)多次模擬操作，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的理解，還可節(jié)省大量時(shí)間進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性、探究性實(shí)驗(yàn)，這為學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了強(qiáng)有力的保證，極大地提升了應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力及綜合能力。

化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以提高學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新精神及能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以資源共享為核心，建立信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。目前，中心每年面向全校應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、制藥工程、材料科學(xué)與工程、食品工程、環(huán)境工程、生物技術(shù)等8個(gè)專業(yè)約900名學(xué)生開(kāi)放運(yùn)行。

在后續(xù)建設(shè)工作中，化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將不斷完善課程體系與管理制度，充分發(fā)揮本中心在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的示范引領(lǐng)作用，從而提高學(xué)生的實(shí)踐及創(chuàng)新能力，優(yōu)化在線管理平臺(tái)，擴(kuò)大資源共享的程度，提高化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體影響力，更好地發(fā)揮其在人才培養(yǎng)中的作用。

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Abstract：In recent years，virtual simulation teaching is a new teaching model，which is a supplement for the existing teaching system. In view of the transition process of the current local universities Huangshan to the application，combined with the virtual simulation teaching of applied chemistry specialty，through complementary advantages of theoretical teaching，experimental teaching and virtual simulation teaching，thereby it will apply students developing into a professional and technical personnel with strong practical application.

Key words：applied chemistry；virtual simulation；application