化學化工虛擬仿真實驗教學的新工科建設

李傳 崔敏 唐艷凌 張淑霞 杜峰 羅輝 鄧文安

【基金項目】教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（202101033004）;中國石油大學（華東）教學研究與改革項目（SJ-202009）

【摘要】現(xiàn)階段的化學化工專業(yè)已經(jīng)形成了“五層面”、“五結(jié)合”與“五平臺”有機統(tǒng)一的工程教學體系，確保了“立足于教學、產(chǎn)學研相結(jié)合、面向企業(yè)、圍繞共享”的虛擬現(xiàn)實教學理念。將現(xiàn)代化科學技術(shù)與大數(shù)據(jù)云技術(shù)建設、教學資源管理以及虛擬實驗室的高效開展與共享，進一步提升學生的動手能力與創(chuàng)新思維，其對推動雙一流高等院校建設具有強有力的推動性，為新工科注入了全新的血液。

【關(guān)鍵詞】虛擬技術(shù);化學化工;新工科;資源管理

引言：化學化工屬于最為典型的實驗性學科，其在實驗教學中占據(jù)主導地位。因化學與化工的實驗過程中長接觸各種各樣的有毒、有害化學藥品以及高壓設備，導致實驗本身具有一定的風險性和危險性。

一、化學化工虛擬仿真教學應用背景

1.化學與化工教學中存在的問題

現(xiàn)階段的化學與化工實習已經(jīng)成為高等院校人才戰(zhàn)略培養(yǎng)環(huán)節(jié)的難點問題。對于企業(yè)本身而言，大多數(shù)不愿意接受高等院校的學生進行實習?，F(xiàn)代的化工產(chǎn)業(yè)逐漸趨于自動化、半自動化，導致學生的動手能力不斷下降，難以進一步接觸相關(guān)生產(chǎn)設備、工藝以及操作方法的。對于工科學科而言，實訓是培養(yǎng)高等人才非常重要的環(huán)節(jié)。目前的化學化工主要存在以下方面的問題[1]：①部分實驗藥品具有一定的毒性、污染性以及試劑費用高昂等;②部分化學藥品的條件較為苛刻，實驗室環(huán)境下難以實現(xiàn);③化學化工的實驗器材大多數(shù)屬于高精密儀器，因此難以讓學生通過實驗進行掌握;④實訓設備具有一定的體積，因此在實驗室難以進行安裝等。

2.資源共享成為改革趨勢

現(xiàn)代信息化技術(shù)對教育改革與發(fā)展具有非常重大的意義，現(xiàn)代網(wǎng)絡信息技術(shù)處于快速發(fā)展階段，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、仿真技術(shù)以及其他現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)進行相結(jié)合，在傳統(tǒng)教育的基礎上，搭建全新的教育教學體系結(jié)構(gòu)與框架，建立具有可發(fā)展性可持續(xù)性的虛擬仿真教學，其可以滿足教學、實訓以及考核等項目的綜合性。虛擬仿真教學的實驗教學建設，將大幅度提升實驗教學資源管理，彌補部分實驗條件的缺失，有效解決實驗環(huán)節(jié)存在的問題，虛擬仿真技術(shù)不僅可以通過虛擬仿真教學平臺進行遠程共享，而且還可以提高學生的動手能力，降低學校資源的浪費，降低教育教學的成本，為新工科高效建設注入全新的發(fā)展內(nèi)涵[2]。

二、化學化工教育教學體系

1.明確實驗教學體系

建立穩(wěn)固的“著手與教學、產(chǎn)學研相結(jié)合，面向企業(yè)實現(xiàn)開放式”的虛擬仿真技術(shù)，將虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合，將高等科研教學成果第一時間進行轉(zhuǎn)換實現(xiàn)反哺式模式，將重大的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展積極轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容，實驗現(xiàn)有教學資源與仿真技術(shù)進行高效結(jié)合，不斷提升學生的動手能力。

建立具有“五種層次”的教學培養(yǎng)模式，即人才類型培養(yǎng)與市場需求呈現(xiàn)正相關(guān)，將實驗環(huán)節(jié)的內(nèi)容劃分為教育教學演示、仿真操作、化學化工實訓操作、設計類型、科研學習創(chuàng)新型平臺五部分，其主要按照專業(yè)知識的體系以及工程實踐規(guī)律的搭建進行整體性考慮?！拔褰Y(jié)合”主要是指將理論課程相結(jié)合、與實驗實踐相結(jié)合、工廠實訓相結(jié)合。其中，五個結(jié)合主要包括18種專業(yè)知識課程、12門化學化工實踐課程，輻射類型包含16種專業(yè)類型的基礎課程，其基本覆蓋了化學、化工實踐教育教學課程。如圖1所示。

圖1 ?全新實驗教學體系

2.化學化工實驗教學設計

根據(jù)現(xiàn)階段的化學化工專業(yè)知識理論與實踐流程，結(jié)合多年的優(yōu)質(zhì)教學資源教育教學，設立現(xiàn)代儀器的虛擬仿真設備以及具有化學化工特色的專業(yè)仿真平臺，如化學技術(shù)原理、化學化工工藝、時間實訓裝置、實驗實訓場地，構(gòu)建由課程教學演示型、仿真技術(shù)操作類型，實訓綜合類型、專業(yè)設計類型以及科研創(chuàng)新類型相結(jié)合的5種模式，開展分層教育，進行專業(yè)性，針對性教育培養(yǎng)模式，實現(xiàn)教學內(nèi)容開放化、共享化[3]。

針對現(xiàn)代高精密分析儀器仿真平臺，可以開展氣體連用分析實驗、液體聯(lián)用分析實驗、X射線衍射分析儀器，場發(fā)射掃描電子顯微鏡等實驗設備;對于化學技術(shù)原理仿真平臺，如傳熱的綜合性實驗，常用攪拌器類型檢測，萃取實驗的開展，離心泵組綜合性能的開展。

3.網(wǎng)絡信息實現(xiàn)共享

化學化工仿真技術(shù)主要基于實驗教育教學平臺進行搭建的，其中包含實驗室資源管理和實驗室教育教學管理。網(wǎng)絡技術(shù)的應用可以有效管理教學教學資源并實現(xiàn)資源共享，不斷提升實驗教育教學的信息化。學生可以利用該平臺進行提前預習，通過仿真儀器進行特定的虛擬實驗。同時教師與學生可以實現(xiàn)課程內(nèi)外的溝通交流，教師可以通過互聯(lián)網(wǎng)平臺對實踐內(nèi)容進行整體性改革，對于給出的評語，學生可以實現(xiàn)實時查看[4]。教師也可以在平臺上實現(xiàn)作業(yè)的發(fā)布，對學生的預習、實驗過程以及實驗結(jié)果進行綜合性的評價。

三、教學方式實現(xiàn)共享

1.教學資源實現(xiàn)共享

教育教學資源實現(xiàn)共享的代表性學校，井岡山大學在仿真實驗室成功建立之后，實現(xiàn)了資源共享，其秉承著共建、共享的理念，為廣大師生提供虛擬仿真資源的共享業(yè)務。化學化工虛擬仿真平臺成為了教師與學生進行交流的第二個平臺，并在全校范圍內(nèi)實現(xiàn)了免費訪問。

2.共享建設規(guī)劃

擴大輻射的范圍、強化深度合作。不斷加強兄弟院校的教學互動，認真開展共建共享合作機制，建設具有通用性、集成性的化學化工虛擬平臺，進一步實現(xiàn)所有平臺的虛擬仿真技術(shù)[5]。不斷拓寬學生的視野，實現(xiàn)綠色教學。同時，在現(xiàn)有校企合作模式條件下，進一步擴大與企業(yè)的深度合作，共同開發(fā)具有特色的虛擬仿真平臺，創(chuàng)建屬于自己的知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)自主產(chǎn)權(quán)化，對重點項目進行共同建設、實現(xiàn)利潤共同享有，確?；瘜W化工仿真平臺可以實現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展。

結(jié)論

本文主要闡述了現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)的研究背景以及教育教學模式，將虛擬實驗平臺與真實實驗相結(jié)合，將高等研究成果與教學相結(jié)合，立足于企業(yè)發(fā)展需求，不斷建立多學科共同發(fā)展的交叉優(yōu)勢，加快學生到技術(shù)人員的角色轉(zhuǎn)變，推動化學化工實現(xiàn)快速發(fā)展于應用。

參考文獻：

[1]王嘉晨，劉璐，王小鋒，劉光祥，李明海.虛擬仿真技術(shù)對改進實驗教學的探索[J].廣州化工，2020，48（08）：148-150.

[2]岳瑋，王菊，李靖.化學化工虛擬仿真實驗室構(gòu)建和實現(xiàn)方法研究[J].考試周刊，2016（A2）：133-134.

[3]陳海輝，劉小兵，張定娃，劉利民，陳民.化學化工虛擬仿真實驗教學的新工科建設[J].廣州化工，2019，47（17）：185-187.

[4]杜靜，趙溫濤，馮霞，馬驍飛.化學化工虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用[J].大學化學，2021，36（01）：146-152.

[5]桂林理工大學化學工程與工藝虛擬仿真實驗教學中心簡介[J].高教論壇，2016（05）：129.