新工科背景下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

張仲利

(甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100)

當(dāng)前國家工業(yè)正面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，為了更好地應(yīng)對信息革命帶來的產(chǎn)業(yè)變革，支持工業(yè)的發(fā)展，國家提出了工業(yè)制造轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)智造的戰(zhàn)略口號。這對我國高校人才培養(yǎng)提出了新的要求，高校必須根據(jù)社會發(fā)展變化，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念和教學(xué)方式，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在化工專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深入融合的結(jié)果。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真是利用虛擬的技術(shù)仿照一個真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建一個虛擬、交互式的三維動態(tài)場景，讓人置身這個環(huán)境中立即有身臨其境的感覺，并實(shí)現(xiàn)親自操作，實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仿照實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境，利用可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的仿真，通過操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，即可完成實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一致的效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室改變了過去以教師為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生提供一個逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入三維仿真軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)自動進(jìn)行仿真，并得到相應(yīng)的結(jié)果。學(xué)生可以通過仿真實(shí)驗(yàn)，找到自己實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，并不斷提高自己的動手能力。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有交互性、沉浸性、開放性。交互性指虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室與學(xué)生之間的交互，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室操作鼠標(biāo)、鍵盤或者其他設(shè)備，就可以看到真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的結(jié)果；沉浸性指虛擬實(shí)驗(yàn)室營造一個相對逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室感覺像進(jìn)入了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，在這個實(shí)驗(yàn)室學(xué)生可以操作相應(yīng)的設(shè)備，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的；開放性指虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不同，學(xué)生不需要根據(jù)學(xué)校設(shè)置的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)。

2 實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

2.1 滿足高校學(xué)生科研實(shí)驗(yàn)需求

目前，我?；?shí)驗(yàn)室引進(jìn)了大量先進(jìn)的設(shè)備，由于化工實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，化工生產(chǎn)工藝的流程比較復(fù)雜，設(shè)備自動化水平比較高，很多工作崗位需要持證上崗，因此很多化工實(shí)驗(yàn)學(xué)生不能動手操作。因此，學(xué)校化工專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往是一些不具備危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定，無法給學(xué)生個人發(fā)揮的余地。由于學(xué)校采購了大量的精密儀器，這些儀器設(shè)備價(jià)格比較昂貴，學(xué)校為了避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中破壞儀器設(shè)備，往往明確了實(shí)驗(yàn)室的使用時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)校大量的化學(xué)儀器設(shè)備處于閑置狀態(tài)，無法發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，為學(xué)生構(gòu)建一個真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以操作虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成實(shí)驗(yàn)過程。根據(jù)化工實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不同，學(xué)?？梢约皶r(shí)更新計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)置虛擬場景，即可完成虛擬實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備不足問題，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)就可以完成操作。其次，由于化工專業(yè)的實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，在實(shí)驗(yàn)過程中，可能產(chǎn)生有毒有害氣體，一旦學(xué)生操作不當(dāng)，可能引起火災(zāi)、爆炸等現(xiàn)象，造成人員傷亡事故。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以為學(xué)生提供更加安全、可靠的操作環(huán)境。

2.2 降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)

化工專業(yè)涉及醫(yī)藥、化學(xué)用品、化妝品、服裝、汽車用品等多個領(lǐng)域，化工實(shí)驗(yàn)過程中，需要耗費(fèi)大量的實(shí)驗(yàn)器材、原料，是實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的重要組成部分。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)費(fèi)用成為高校教學(xué)費(fèi)用一筆較大的支出。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在化工專業(yè)教學(xué)，可以降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)，只需要計(jì)算機(jī)技術(shù)人員編寫一套軟件或者設(shè)計(jì)一個場景，就可以讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，極大地降低了教學(xué)成本。

2.3 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在學(xué)習(xí)化工工藝的時(shí)候，教師給全體學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟。通過演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀地了解實(shí)驗(yàn)步驟、操作方法。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室采用虛擬技術(shù)模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，在操作過程中，不會對儀器設(shè)備造成損害，即便操作不當(dāng)，學(xué)生只要恢復(fù)程序，重新進(jìn)行操作即可，這樣可以提高學(xué)生課堂的參與性，激發(fā)學(xué)生探究欲望，讓學(xué)生進(jìn)行自主探索，在不斷探索的過程中，總結(jié)科學(xué)規(guī)律，提高教學(xué)效率。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以采用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式，打破了教學(xué)的時(shí)間、空間限制。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

為了滿足學(xué)校師生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需求，目前學(xué)校正在擬建化工仿真實(shí)訓(xùn)中心，包括了化工實(shí)訓(xùn)原理控制、DCS控制單元仿真學(xué)習(xí)和考核軟件、大型分析儀器仿真軟件ISTS2.0、合成氨工藝仿真軟件(包括凈化、合成、轉(zhuǎn)化等過程)、甲醇工藝仿真軟件、水煤漿加壓氣化制水煤氣工藝仿真軟件、二甲醚工藝仿真軟件等，這些仿真軟件可以滿足學(xué)?；ぜ夹g(shù)、安全管理、環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)等專業(yè)教學(xué)需求。

3.1 理論教學(xué)中的應(yīng)用

理論是實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)和前提，化工專業(yè)課堂理論知識多概念性的知識點(diǎn)，知識面廣，學(xué)習(xí)比較枯燥。當(dāng)前化工專業(yè)理論教學(xué)主要以教師講解為主，學(xué)生在講臺下做筆記，這種教學(xué)方式單一，很容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在理論知識教學(xué)過程中，可以為學(xué)生構(gòu)建一個真實(shí)的學(xué)習(xí)場景，讓學(xué)生進(jìn)入到這個學(xué)習(xí)場景中，融入到教學(xué)環(huán)境中，提高教學(xué)效率。以《有機(jī)化學(xué)》教材第三章不飽和烴：烯烴和炔烴為例。學(xué)生需要掌握烯烴和炔烴的結(jié)構(gòu)、同分異構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)。烯烴烯烴和炔烴分子結(jié)構(gòu)，sp2、sp雜化時(shí)教學(xué)的重點(diǎn)，在教學(xué)的時(shí)候，教師可以模擬烯烴和炔烴分子結(jié)構(gòu)的環(huán)境，讓學(xué)生置身到一個分子結(jié)構(gòu)環(huán)境中，了解烯烴和炔烴分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，烯烴結(jié)構(gòu)異化是怎么造成的，官能團(tuán)是如何運(yùn)動的？通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生仿佛置身于一個分子世界，將自己作為其中的一部分，感受分子運(yùn)動變化，從而解決教學(xué)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，降低理論知識教學(xué)的難度。

3.2 實(shí)踐課程中的應(yīng)用

化工實(shí)踐課程是檢驗(yàn)學(xué)生理論知識和動手能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力差異，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)類仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)類仿真實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新拓展類三個不同層次的模塊實(shí)驗(yàn)課程，用于學(xué)生理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、專業(yè)技能學(xué)習(xí)以及技能提高。實(shí)驗(yàn)類仿真實(shí)驗(yàn)室指高校教學(xué)過程中需要的各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可以采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)，解決一些由于危險(xiǎn)性限制無法開展的化學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)訓(xùn)類仿真實(shí)驗(yàn)是模擬化工企業(yè)生產(chǎn)流程、生產(chǎn)工藝，讓學(xué)生了解實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)過程中的真實(shí)環(huán)境和要求，讓學(xué)生掌握工作崗位要求的專業(yè)技能，幫助學(xué)生更好地適應(yīng)工作崗位；創(chuàng)新類拓展仿真實(shí)驗(yàn)主要針對一些學(xué)習(xí)能力和動手能力比較強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生自主設(shè)計(jì)、開發(fā)實(shí)驗(yàn)，并得到一定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。高校必須根據(jù)化工專業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)置不同類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供一個真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量。將其應(yīng)用在化工專業(yè)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，可以降低學(xué)習(xí)難度和教學(xué)經(jīng)費(fèi)，解決教學(xué)難點(diǎn)。