虛擬仿真技術(shù)在當(dāng)代化工專業(yè)課程中的應(yīng)用研究

喻燚，杜可杰，賀楚華(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

自教育部于2017年在教高廳〔2017〕4號文件 《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》中提出虛擬仿真實驗教學(xué)項目以來，各地高校均加快了虛擬仿真教學(xué)項目的建設(shè)步伐。自2017年以來，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺上各類項目已達(dá)728項。

在化工課程中，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)存在場地限制、管理人員配備不足、設(shè)備貴、維護(hù)成本高和操作安全性等問題，已不能很好滿足當(dāng)下實踐教學(xué)需求。當(dāng)下隨著教學(xué)信息化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬仿真軟件在各類實踐教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，極大地豐富了傳統(tǒng)的實踐教學(xué)。為了適應(yīng)教學(xué)信息化的發(fā)展需求，彌補實踐教學(xué)條件的不足，提高實踐教學(xué)的效果，將虛擬仿真軟件引入化工實踐教學(xué)已成為一種趨勢[1]。

1 虛擬仿真在化工專業(yè)實踐課程建設(shè)的必要性

化工專業(yè)實驗是一門鍛煉學(xué)生操作動手能力的課程，對于學(xué)生的實踐操作培養(yǎng)必不可少。真實的實驗教學(xué)固然可以提升學(xué)生的動手能力，但仍存在一定的局限性?；I(yè)實驗尤其是工藝實驗工程性強，以對化工工藝中的儀表控制、閥門和泵等組件的操作應(yīng)用為主，同時鍛煉同學(xué)們的各個工藝工段的練習(xí)(如乙醇精餾工段)。目前學(xué)校內(nèi)教學(xué)工藝主要是以小型設(shè)備為主，如精餾操作量僅為1 000 mL。大型化工反應(yīng)裝置需要投入巨額資金且必須制定安全措施，實踐化工工藝工段差距甚遠(yuǎn)，學(xué)生對于化工工藝參數(shù)、管路設(shè)備等的認(rèn)知受到了很大限制。此外，化工工藝常常涉及高溫高壓、易燃易爆的反應(yīng)，這些實驗也不易于在實驗室中進(jìn)行操作。但是實際化工工藝實驗案例教學(xué)對化工專業(yè)人才培養(yǎng)具有引領(lǐng)作用。因此利用虛擬仿真技術(shù)，引入經(jīng)典大型化工工藝案例進(jìn)行教學(xué)，可以極大地填補學(xué)生無法動手操作、無法接觸大型工藝的缺點，同時也將化工工藝實驗安全系數(shù)大大提高。

2 化工專業(yè)實踐課程中虛擬仿真的優(yōu)勢

2.1 降低教學(xué)成本

通常對于大型化工工藝實操工作設(shè)備，一般造價昂貴，并且化工專業(yè)要求分組人數(shù)越少越好，因此一般高校化工專業(yè)實驗設(shè)備臺套數(shù)由于受資金限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到國家認(rèn)證的要求。此外，很多技術(shù)落后的化工設(shè)備和實訓(xùn)裝置無法及時報廢和更新?lián)Q代，造成實踐教學(xué)資源緊張，時常出現(xiàn)幾個學(xué)生共用一臺設(shè)備的情況，結(jié)果是不僅學(xué)生對工藝原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)理解不透徹，實踐技能也掌握不夠熟練，大大影響了實踐教學(xué)質(zhì)量的提高。應(yīng)用化工仿真技術(shù)能極大地降低教學(xué)成本，通過化工仿真軟件的講解，學(xué)生只需一臺電腦就能達(dá)到教學(xué)目的、理解工藝原理。

2.2 提高學(xué)生參加實訓(xùn)課程的參與度，提升教育公平度

目前由于各個高校對于專業(yè)實驗條件建設(shè)程度差距極大，傳統(tǒng)的化工專業(yè)實驗資源分布不均，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)水平受到很大的限制。教育公平是全球教育面臨最突出的問題，其根本在于傳統(tǒng)教育受時空和地域所限，使得教育對象無法共享最優(yōu)質(zhì)的教育資源[2]。目前國家投入巨大人力物力，建設(shè)了實驗空間—國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)平臺，實驗空間平臺上的2 069個實驗項目覆蓋了 41個專業(yè)類中的255個專業(yè)和1 561門課程，并且在疫情期間所有實驗項目均開放使用[3]。這就大大提高了專業(yè)對于大型專業(yè)工藝實驗的開設(shè)要求。同時，虛擬仿真大大提高了學(xué)生的實驗參與度，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)實驗中“一人操作，組員旁觀”的現(xiàn)象，有效地改善了教育公平問題。

2.3 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情

對于以前的課堂教學(xué)模式來說，理論和實踐之間聯(lián)系微弱，甚至于脫節(jié)。各種原理的講解，沒有聯(lián)系生產(chǎn)實際，很多理論在學(xué)生眼里都是抽象的，沒有實物參照，晦澀難懂。但是通過仿真軟件，學(xué)生能清晰地觀察各種儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)外形，與書本的理論原理相結(jié)合學(xué)習(xí)，極大提升學(xué)習(xí)效率。例如，在學(xué)習(xí)化工儀表時，配合3D仿真軟件的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠直觀地觀察到各種各樣的儀表設(shè)備，加上老師的實時講解，縱使手上不能拿到實物，也能更好地理解知識；單元操作模擬中，學(xué)生可按照仿真軟件的提示進(jìn)行操作。操作有誤時，模擬界面還會有相應(yīng)的錯誤提示，幫助學(xué)生改進(jìn)操作。由此，學(xué)生在課堂上有更大收獲，對學(xué)習(xí)專業(yè)知識的熱情也會有所提高。

2.4 保證實踐操作的安全性、環(huán)保性

要達(dá)到培養(yǎng)方案所要求的實踐教學(xué)要求，并且使學(xué)生行之有效地初步掌握職業(yè)技能，傳統(tǒng)的化工實踐教學(xué)很難完成這個目標(biāo)；出于安全考慮，在工廠實訓(xùn)中學(xué)生也不被允許接觸真實設(shè)備。隨著虛擬仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)的發(fā)展，國內(nèi)很多公司開發(fā)出的產(chǎn)品可以讓人員實訓(xùn)無障礙的在“實地”進(jìn)行，設(shè)計出特定的教學(xué)情境，既能使學(xué)生的實踐能力得到提升，又能絕對保證學(xué)生的安全。相較于真實的實踐教學(xué)的能耗和排放，仿真技術(shù)在環(huán)保性上具有絕對的優(yōu)勢。

3 化工虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用局限性

3.1 學(xué)生易把仿真操作游戲化，淡化安全操作意識

虛擬仿真實踐操作是基于信息技術(shù)建立起來的，輸入數(shù)據(jù)、移動鼠標(biāo)、戴上VR眼鏡就可以完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。在提高學(xué)生興趣和參與度的同時，容易讓學(xué)生把重點關(guān)注在如何完成學(xué)習(xí)任務(wù)，隨意操作而不夠重視操作過程中出現(xiàn)的各種錯誤，而在實際的生產(chǎn)過程中，這種錯誤可能會造成嚴(yán)重的后果。在教學(xué)過程中，隨意操作仿真界面，容易養(yǎng)成不嚴(yán)謹(jǐn)、散漫的習(xí)慣，為以后進(jìn)入企業(yè)工作學(xué)習(xí)帶來了很大的隱患。故而，過度應(yīng)用仿真實訓(xùn)會淡化學(xué)生對于化工安全生產(chǎn)的責(zé)任感和對化工實際生產(chǎn)的敬畏之心。

3.2 仿真實訓(xùn)與下廠實踐存在差異，部分操作過于簡化

以化工原理實驗?zāi)M為例，有些實驗涉及大型的設(shè)備和數(shù)量眾多的管道、閥門，為了方便學(xué)生操作，在仿真軟件界面中，設(shè)備和管線間的排布與真實情況存在很大差異。一方面，學(xué)生無法結(jié)合實際情況理解實際生產(chǎn)時的管線排布；另一方面，過度簡化操作(例如閥門開度只需手動輸入一個百分?jǐn)?shù))也會導(dǎo)致仿真實訓(xùn)與實際操作脫軌?？偠灾抡鎸嵱?xùn)重點在于幫助學(xué)生理解工藝原理，而學(xué)生難以學(xué)習(xí)到實際操作的細(xì)節(jié)、難以了解各種操作的原理是什么。并且，在日常的仿真實訓(xùn)中，成熟理想的仿真模型使學(xué)生缺少對工藝參數(shù)變化的探索；而在實際生產(chǎn)中，并不存在一成不變的情況。

4 化工虛擬仿真專業(yè)課程教學(xué)中的改進(jìn)建議

4.1 工廠實習(xí)相結(jié)合

仿真實訓(xùn)與實習(xí)結(jié)合起來，使學(xué)生先進(jìn)行仿真操作，對實際的生產(chǎn)工藝、設(shè)備狀況有初步的認(rèn)識，然后下廠實習(xí)，再加深對工藝和設(shè)備的理解，從而使理論與實踐緊密結(jié)合[4]。另外，仿真實訓(xùn)時學(xué)生容易淡化安全意識，不利于增強安全生產(chǎn)的責(zé)任感。因此，在通過仿真實訓(xùn)讓學(xué)生掌握化工生產(chǎn)操作技能的同時，也要靈活結(jié)合真實的工廠實習(xí)，使學(xué)生加強對于化工生產(chǎn)安全的重視。

4.2 合理利用仿真技術(shù)，注重實效，杜絕形式主義

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，仿真軟件的教學(xué)模式更容易激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為了能夠最大程度地發(fā)揮仿真軟件在化工實踐教學(xué)中的效果，必須靈活使用仿真軟件，提升學(xué)生對仿真軟件的認(rèn)識。另外，也要強化教師的教學(xué)意識，引入仿真技術(shù)是為了幫助學(xué)生更好地了解化工生產(chǎn)實際，要達(dá)到預(yù)期的效果就要堅決杜絕形式主義，不以高分作為評判學(xué)生是否理解知識的唯一憑據(jù)。教師可以通過開展階段性小測試等方法，結(jié)合教學(xué)實際情況，讓學(xué)生真正的理解和掌握知識。

4.3 結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，實現(xiàn)高效教學(xué)

化工類國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是信息化時代工程教育的重要組成部分[5]。目前各高校的仿真實訓(xùn)仍停留在微機室，學(xué)生仍缺少鞏固練習(xí)的機會。建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+化工虛擬仿真”實訓(xùn)系統(tǒng)，面向“互聯(lián)網(wǎng)+”加快推進(jìn)繼續(xù)教育網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)的建設(shè)，構(gòu)建多功能、高效率、方便適用的信息管理與傳輸平臺，實時了解和掌握學(xué)生學(xué)習(xí)活動的開展情況。建設(shè)更開放的仿真教學(xué)體系，實現(xiàn)高效教學(xué)。