化工類虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

代方方，費貴強，李 磊，姜 靜

化工類虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

代方方，費貴強，李 磊，姜 靜

（陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021）

以陜西科技大學化工虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐為例，介紹了化工類虛擬仿真實驗教學體系的構建、教學資源的具體內(nèi)容以及中心的教學特色。以輔助教學平臺、專業(yè)基礎平臺和工程實踐平臺為主體，構建了多層次、遞進式的虛擬仿真教學體系和三梯度、“軟硬結合”的實踐教學模式。虛擬仿真實驗教學體系和模式的建設與實踐，提升了學生專業(yè)實踐能力和解決復雜問題的能力。

化工；教學體系；教學平臺；虛擬仿真

信息技術的不斷發(fā)展，正在促進著教育領域的深刻變革。根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》要求[1]，人才培養(yǎng)必須以強化實踐教學為著力點，必須以信息技術的應用作為提高教學質(zhì)量的重要手段[2]。實踐教學尤其是實驗教學，對于化工與制藥類相關專業(yè)至關重要，是培養(yǎng)學生動手能力和提高學生綜合素質(zhì)的關鍵教育環(huán)節(jié)[3]。虛擬仿真實驗教學項目作為實驗教學的組成部分，更加強調(diào)信息化技術在實驗教學中的應用[4-5]。自2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，已遴選出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，并計劃到2020年遴選出1000項示范性虛擬仿真實驗教學項目[2]，這些工作取得了積極的反響和良好的效果[6-8]。

隨著虛擬仿真實驗教學中心的建設成果不斷顯現(xiàn)，“虛實結合”的新型教學模式已經(jīng)充分展示出其特有的優(yōu)勢[9-10]。在國家“雙一流”建設和陜西省四個“一流”建設政策背景下，陜西科技大學加強實驗室硬件、軟件建設，優(yōu)化教學資源勢在必行。進一步建設虛擬仿真實驗教學中心，對于提高人才質(zhì)量，支撐學科建設發(fā)展，提升學科綜合實力和影響具有重要 意義。

1 實踐教學體系構建

幾年來，經(jīng)過不斷的探索與發(fā)展，陜西科技大學化工虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱中心）按照“成本低、消耗少、零排放、易管理”的建設思路，根據(jù)“虛實結合、相互補充、能實不虛、科技融合”的建設原則，通過實驗教學與優(yōu)勢學科相結合，實驗教學與實習實訓相結合，實驗教學與科研項目相結合，形成“線上線下一體化，軟件硬件相結合”的多層次、遞進式的虛擬仿真實驗教學體系，實現(xiàn)了“教學、培訓、研究、交流”的功能。虛擬仿真實驗資源的應用基本解決了實物裝置占地面積大、維護費用高、利用率偏低、數(shù)量不足以及“三廢”污染等問題[11-12]，有效解決了學生實際動手難的問題。

中心依托我校工科化學教學示范中心、化學工程實驗/實訓平臺和我校化學工程與技術的學科優(yōu)勢建立，并與化工大類實驗教學、化學工程實訓形成一體，承擔著全?；ご箢惐究粕⒙毥躺把芯可幕瘜W工程實驗教學和基本技能實訓任務，兼顧科研中試、產(chǎn)品轉化等工作。在中心建設的過程中，構建了與實體實驗/實習緊密結合的專業(yè)實驗與虛擬仿真實驗教學體系，主要包括3大部分，即輔助教學平臺、專業(yè)基礎虛擬仿真平臺和工程實踐虛擬仿真平臺，如圖1所示。該體系從軟件到硬件、從線上到線下、從教學到實訓實習，基本涵蓋化工專業(yè)的知識內(nèi)容，通過虛擬仿真平臺即互聯(lián)網(wǎng)在線培訓系統(tǒng)與實際化工生產(chǎn)技術相結合的方式，實現(xiàn)了化工人才培養(yǎng)要求，尤其是對工程實踐能力的要求。

圖1 化工虛擬仿真實驗教學體系

2 教學平臺資源建設

2.1 輔助教學平臺

2.1.1 化工設備3D培訓系統(tǒng)

本系統(tǒng)將抽象的、無法直接觀察的化工設備技術形象化、具體化，基于豐富的表現(xiàn)力和良好的交互性，通過3D動畫、視頻、圖片等多媒體技術，使傳統(tǒng)教學過程中抽象知識轉變?yōu)樾蜗笥洃?，有效激發(fā)了學生的學習興趣，提升了學習效果，使學生能夠深刻掌握相關專業(yè)知識。

2.1.2 典型事故案例分析課件

2016年11月，國家安監(jiān)總局、教育部聯(lián)合要求，在全國相關高校和?？茖W校將化工安全生產(chǎn)課程設為必修課。為響應國家號召，我院對“化工環(huán)保與安全”專業(yè)課程的知識進行擴充，在虛擬仿真平臺開設了“典型事故案例分析”課程。該部分內(nèi)容包含28個課件，每個課件的時長為2~5 min，每個課件包含培訓內(nèi)容有裝置簡介、事故經(jīng)過、直接原因、間接原因和測試題等5部分內(nèi)容。以動畫、錄像、圖片等形式講述分析了化工生產(chǎn)中的一些常見的違規(guī)行為導致的事故。事故類型具有典型性，與工廠生產(chǎn)實際緊密契合。

2.1.3 知識點管理系統(tǒng)

知識點管理系統(tǒng)基于先進的設計和開發(fā)理念，以專業(yè)知識點和素材管理為核心，既可以實現(xiàn)對知識點、素材全面高效的管理，同時可使學生方便快捷地瀏覽訪問素材，實現(xiàn)了知識點的統(tǒng)一有效管理和安全便捷的傳播。服務器端能夠?qū)⑽倚，F(xiàn)有的分散的培訓素材（含視頻、圖片、動畫、文檔等）以知識點的形式統(tǒng)一存放、安全管理，并利用各類網(wǎng)絡以Web方式對外發(fā)布。

2.2 專業(yè)基礎虛擬仿真平臺

2.2.1 化工單元操作虛擬仿真系統(tǒng)

化工原理是化工大類本科生重要的專業(yè)基礎課。該課程涉及面廣、知識點多，學生普遍反映知識散而難理解?；谖以夯瘜W工程實驗/實訓平臺，設計出了與該平臺配套的化工原理虛擬仿真實驗，并與實體實驗形成互補關系，真正遵循了“虛實結合，以虛輔實”的原則。

化工單元操作虛擬仿真系統(tǒng)主要開設了10個專業(yè)基礎實驗，如表1所示，覆蓋了所有的典型化工單元操作。針對不同專業(yè)方向的學生，選做與本學科密切相關的實驗。系統(tǒng)中實驗室按照美國工程技術認證標準布置，以高校實驗室設備為原型進行建模，設備還原度非常高。學生可根據(jù)任務系統(tǒng)的提示獨立完成整個實驗操作，并可以進行反復練習。評分系統(tǒng)對學生的實驗操作步驟和思考題完成情況作出整體評價，并給出最終成績。該系統(tǒng)旨在提高分析問題和解決問題的能力，并培養(yǎng)學生團結協(xié)作的精神，從而提高學生綜合能力。

2.2.2 大型分析儀器仿真軟件

儀器分析是分析化學的重要分支，是現(xiàn)代分析測試的重要手段，很多理工科專業(yè)都開設了“儀器分析”課程。儀器分析教學任務是讓學生掌握分析儀器的原理、結構以及熟練地進行儀器操作、數(shù)據(jù)處理等。目前，傳統(tǒng)的儀器分析教學主要存在以下問題：（1）儀器設備數(shù)量有限，多數(shù)儀器造價昂貴；（2）儀器分析實驗課教學課時有限，無法保證學習效果；（3）實驗耗材消耗量大，帶來環(huán)境污染；（4）學生缺乏實踐經(jīng)驗，畢業(yè)后到工作崗位無法立刻上崗[13]。

為了解決上述問題，建設了與傳統(tǒng)教學互補的分析儀器虛擬仿真培訓軟件。軟件界面采用3D建模，高度還原分析儀器實驗室場景，為學生提供一個立體化、沉浸式學習平臺。場景中嵌入豐富的交互操作，學生可以進行如樣品配制、儀器開機、樣品測定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等一系列操作；還可以自由設置樣品濃度、分析方法，并可得到與之相符的實驗結果，滿足進階學習的需求。輔以大量的多媒體素材，如結構原理動畫、真人操作視頻等，豐富培訓內(nèi)容，使學生全方位學習儀器分析知識。同時支持網(wǎng)絡模式運行，便于組織學生培訓及各種考核競技活動。旨在使學生通過反復練習與觀摩，熟練進行各種常規(guī)分析儀器的操作及項目檢測，為我校儀器分析課程提供一個經(jīng)濟、高效的模擬實訓及考核平臺。

2.3 工程實踐虛擬仿真平臺

2.3.1 化工過程操作虛擬仿真系統(tǒng)

化工過程操作虛擬仿真系統(tǒng)共包含6個單元的化工過程操作（見表1），基本涵蓋了化工行業(yè)中重要的基礎操作，有助于學生了解基本操作原理和專業(yè)設備，掌握化工操作和提升工程實踐能力。

系統(tǒng)所用工況均來自具體工藝實例，內(nèi)部運算模型準確穩(wěn)定。在滿足軟件操作的前提下，軟件3D場景仿真度高，力求還原真實現(xiàn)場，特別對細節(jié)考慮周到。例如，車間管道布置布局和管道顏色等均按照相關工藝標準設計。

2.3.2 煤化工虛擬仿真實訓

煤化工虛擬仿真軟件包含甲醇生產(chǎn)工藝認識實習仿真實訓和甲醇生產(chǎn)工藝生產(chǎn)實習仿真實訓兩部分，均采用最經(jīng)典的煤化工生產(chǎn)工藝。

（1）甲醇生產(chǎn)工藝認識實習仿真實訓。認識實習知識點范圍包含甲醇生產(chǎn)的工業(yè)背景以及廠區(qū)情況介紹、甲醇工藝原理相關內(nèi)容、化工相關的硬件設備知識、安全急救知識、儀表自動化知識等。

（2）甲醇生產(chǎn)工藝生產(chǎn)實習仿真實訓。生產(chǎn)實習虛擬仿真實訓包含四塔甲醇精餾工段和魯奇甲醇合成工段操作。中控操作站擁有和真實DCS一致的邏輯控制程序，更可靠、更逼真。系統(tǒng)場景中，與實際生產(chǎn)裝置的比例為1∶1的設備裝置區(qū)，可以使學生更快更準確地熟悉設備裝置、工藝流程及操作。軟件充分參考真實車間設置與布局，比如中控臺、安全標識、消防設備等。

2.3.3 DCS控制乙酸乙酯生產(chǎn)工藝仿真實訓

乙酸乙酯是一種重要的工業(yè)溶劑，是應用最廣泛的脂肪酸酯之一，其生產(chǎn)方式可采用間歇式或連續(xù)式，合成路線具有典型性。因此我們引入乙酸乙酯生產(chǎn)工藝3D虛擬現(xiàn)實仿真軟件，不僅可以補充我院精細化工方向的教學內(nèi)容，同時與我院購置的DCS控制乙酸乙酯合成實訓裝置（見圖2），形成綜合實訓平臺，真正做到“虛實結合”，有利于學生工程實踐能力的提升。

圖2 DCS控制乙酸乙酯合成實訓現(xiàn)場圖

3 教學特色

3.1 建立多層次、遞進式虛擬仿真教學體系

從素材資源到化工單元操作，遞進至化工過程操作及化工生產(chǎn)操作，逐步構成廣而深的虛擬仿真實驗教學內(nèi)容。使學生從視頻、動畫、flash等教學素材資源入手，逐步過渡到單一的化工單元設備仿真操作；在掌握單一的化工單元設備仿真操作后，進行由多個不同的化工單元設備組合構成的化工過程操作仿真，最終獨立或合作進行包括設備開車、調(diào)節(jié)、DCS控制、各工段整合、故障排查等一整套化工生產(chǎn)操作的仿真，在形象、直觀的仿真操作過程中有效加強對化工生產(chǎn)過程中倉儲、輸送、反應、分離、控制等必要知識的掌握和理解。

3.2 打造三梯度、“軟硬結合”的實踐教學模式

即虛擬仿真教學平臺、中試生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)實習基地形成緊密聯(lián)系的三梯度實踐教學模式，堅持“軟硬結合”，實現(xiàn)“所見即所有”“所練即所用”。采用軟件虛擬與實驗設備相結合的方式，使得虛擬仿真軟件與實驗室設備相一致，虛擬仿真軟件與教學用工廠模型相一致，虛擬仿真軟件與實習工廠的真實設備相一致，“三個一致”有效縮短了“準現(xiàn)場實踐”與實際實踐操作間的距離。幫助學生由虛擬仿真軟件中熟悉設備結構、操作流程后，在中心中試生產(chǎn)裝置中進行“準生產(chǎn)”操作，直至生產(chǎn)實習時在化工廠生產(chǎn)現(xiàn)場進行參觀、調(diào)研，形成從虛擬仿真-中試操作-化工廠生產(chǎn)的三梯度實踐教學模式，充分滿足各專業(yè)實踐教學的要求，切實提高學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

4 結語

將虛擬仿真技術引入教學實驗和實踐中，構建了化工虛擬仿真實驗教學中心。建立了多層次、遞進式虛擬仿真教學體系，打造了三梯度、“軟硬結合”的實踐教學模式。豐富了實驗教學手段和資源，提高了學生自主學習的積極性，強化了學生專業(yè)實踐能力和解決復雜工程問題能力，更好地滿足了人才培養(yǎng)要求。未來，本中心將進一步發(fā)揮學科特色，開發(fā)輕化工助劑相關的虛擬仿真實踐教學內(nèi)容，擴充教學資源與共享能力。

[1] 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室. 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）[EB/ OL]．（2010-07）http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/ moe/info_list/201407/xxgk_171904.html?authkey=gwbux.

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Construction and practice of virtual simulation experimental teaching center of chemical engineering majors

DAI Fangfang, FEI Guiqiang, LI Lei, JIANG Jing

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

By taking the construction practice of the Chemical Virtual Simulation Experimental Teaching Center in Shaanxi University of Science and Technology as an example, this paper introduces the construction of chemical virtual simulation experimental teaching system, the specific content of teaching resources and the teaching characteristics of the center. With the auxiliary teaching platform, professional basic platform and engineering practice platform as the main body, a multi-level and progressive virtual simulation teaching system and a three-gradient practical teaching mode with the “Combination of software and hardware” are constructed. The construction and practice of virtual simulation experiment teaching system and mode have improved students’ professional practical ability and their ability to solve complex problems.

chemical Engineering; teaching system; teaching platform; virtual simulation

G482

A

1002-4956(2019)10-0279-03

2019-03-04

2019-08-07

陜西科技大學博士科研啟動基金項目（2016QNBJ-18）

代方方（1987—），女，山東鄒城，博士，副教授，研究方向為環(huán)境催化與分離工程。E-mail: daifangfang@sust.edu.cn