“新工科”背景下虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

陸素芬 黃秀香

摘要：本文論述了“新工科”背景下虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用的意義?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是地方應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)的重要組成，直接影響著人才培養(yǎng)質(zhì)量。仿真實(shí)訓(xùn)中心是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)保障之一，學(xué)校加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)中心硬件條件建設(shè)的同時(shí)，注重軟件建設(shè)，特別是把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中作為提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和質(zhì)量的重要任務(wù)。虛擬仿真技術(shù)融入到化學(xué)實(shí)驗(yàn)課主要體現(xiàn)為：彌補(bǔ)客觀條件不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量;鍛煉學(xué)生現(xiàn)代信息化技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的應(yīng)用能力; 擴(kuò)展學(xué)生的發(fā)散思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。由此，為推動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，院校應(yīng)當(dāng)充分運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建更加適合自身教學(xué)需要的教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù) 化學(xué)實(shí)驗(yàn) 運(yùn)用 新工科

Application of Virtual Simulation Technology in Chemical Experiment Teaching under the Background of "New Engineering"

LU Sufen ?HUANG Xiuxiang*

（College of Chemistry and Biology Engineering， Hechi University， Yizhou， Guangxi， 546300 China）

Abstract： This paper discusses the significance of virtual simulation technology in chemical experiment teaching under the background of "new engineering". Chemical experiment teaching is an important component of talent training in local applied universities， which has directly affected the quality of talent training. Simulation training center is one of the basic guarantees of experimental teaching. While strengthening the construction of hardware conditions of the training center， the school pays attention to software construction， especially the application of virtual simulation experiment to chemical experiment teaching as an important task to improve the level and quality of experimental teaching. The integration of virtual simulation technology into chemical experiment course is mainly reflected in： Making up for the lack of objective conditions and improving the quality of experiment teaching; Train students' application ability of the combination of modern information technology and chemical experiment; Expand students' divergent thinking and cultivate their innovative ability. Therefore， in order to promote the reform of chemical experiment teaching， colleges and universities should make full use of virtual simulation experiment to build a teaching system more suitable for their own teaching needs.

Key Words： Virtual simulation technology; Chemistry experiment; Application; New engineering

虛擬仿真技術(shù)作為一種最新的研究發(fā)展系統(tǒng)，最初用于武器作戰(zhàn)訓(xùn)練，到20世紀(jì)80年代用于導(dǎo)彈研制，可以減少試飛數(shù)量^[1]。發(fā)展到今天，由于虛擬仿真技術(shù)在各領(lǐng)域中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到各行業(yè)的青睞，特別是高校都紛紛建起具有不同學(xué)科特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室^[2-4]?！靶鹿た啤北尘跋拢瑢?shí)踐能力、創(chuàng)新能力應(yīng)用型人才的培養(yǎng)尤為重要，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何將虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)中，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助作用，讓虛擬仿真技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合^[5]，進(jìn)一步提升整體教學(xué)質(zhì)量。

1虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的意義

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)學(xué)科教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)之一，是學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主要手段，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)、直觀等優(yōu)點(diǎn)，但存在運(yùn)行成本高，難以實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享，同時(shí)由于受到空間和經(jīng)費(fèi)的不足，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式和內(nèi)容受到很大的限制。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不便開(kāi)設(shè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用多媒體技術(shù)，構(gòu)建虛擬結(jié)合的虛擬仿真系統(tǒng)，給學(xué)生提供理論認(rèn)知與動(dòng)手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，全面提高實(shí)驗(yàn)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生觀察分析能力^[6]、創(chuàng)新能力起到積極的作用，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)借助虛擬仿真技術(shù)能在一定程度上解決一些實(shí)際的問(wèn)題。

2虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的具體體現(xiàn)

2.1彌補(bǔ)客觀條件不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，常常因?yàn)橐恍┛陀^因素，比如在防控措施有限的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含有易燃易爆劇毒試劑的操作實(shí)驗(yàn)^[7]，基于學(xué)生安全考慮，這些實(shí)驗(yàn)沒(méi)有辦法開(kāi)展。比如對(duì)氨基苯磺酰胺的制備，用到乙酰苯胺、氯磺酸、濃氨水、濃鹽酸、碳酸鈉等試劑，其中，氯磺酸屬于國(guó)家管控的危險(xiǎn)品，有強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)刺激性，其蒸汽對(duì)粘膜和呼吸道有明顯刺激作用，液體可灼傷皮膚。因此，在學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模莆諏?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)流程、使用的儀器設(shè)備基礎(chǔ)上用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替，給學(xué)生展示整個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，同時(shí)，學(xué)生可以在電腦端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，既能夠讓學(xué)生充分了解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論知識(shí)和操作方法流程，又能夠避免對(duì)學(xué)生健康的傷害和后續(xù)含氯磺酸廢液的處理。

2.2鍛煉學(xué)生現(xiàn)代信息化技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的應(yīng)用能力

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將抽象概念轉(zhuǎn)化為直觀立體圖形并展開(kāi)實(shí)驗(yàn)^[8]，學(xué)生能夠掌握專業(yè)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行原理及操作過(guò)程，學(xué)會(huì)不同設(shè)備反應(yīng)類型的操作原理，并能結(jié)合半實(shí)體設(shè)備親自操作各生產(chǎn)流程中的參數(shù)，提高學(xué)生的專業(yè)興趣和實(shí)際操作能力^{[9- 10]}。比如在聚丙烯生產(chǎn)加工生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助于先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)及現(xiàn)代信息技術(shù)手段，以逼真的半實(shí)物造型構(gòu)建虛擬的聚丙烯生產(chǎn)中心、反應(yīng)釜、閥門儀等先進(jìn)加工設(shè)備與測(cè)試儀器。通過(guò)對(duì)半實(shí)體和軟件操作的相互結(jié)合，使學(xué)生身臨其境理解與掌握實(shí)際聚丙烯生產(chǎn)的有關(guān)理論知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程反應(yīng)釜中反應(yīng)條件的實(shí)際測(cè)量與反饋，深入理解聚丙烯生產(chǎn)的原理與過(guò)程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等知識(shí)點(diǎn)的覆蓋，以及對(duì)于虛擬生產(chǎn)的過(guò)程狀態(tài)的感知。從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到生產(chǎn)工藝路線制定，從生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定到反應(yīng)釜中運(yùn)行情況，在最短時(shí)間內(nèi)完成了工廠反應(yīng)實(shí)驗(yàn)所不能完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓每一位學(xué)生模擬操作與經(jīng)歷了一次完整的聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程與檢測(cè)，深入感知智能制造過(guò)程及現(xiàn)代信息技術(shù)及大數(shù)據(jù)等知識(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用與體現(xiàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，以實(shí)際應(yīng)用為目的，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵步驟和注意事項(xiàng)，使學(xué)生在按照實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的同時(shí)將聚丙烯生產(chǎn)知識(shí)融會(huì)貫通，理論與技能并重，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中溫度、反應(yīng)時(shí)間、停留時(shí)間等狀態(tài)和信息的感知，體驗(yàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能控制過(guò)程，為將來(lái)學(xué)生從事相關(guān)工作奠定良好的操作基礎(chǔ)。

2.3擴(kuò)展學(xué)生的發(fā)散思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

當(dāng)代大學(xué)生求知欲非常強(qiáng)，興趣廣泛，尤其對(duì)電子產(chǎn)品頗感興趣，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在虛擬空間漫游，不斷地推敲、探索，并且可以接觸到新時(shí)代的教育手段^[11]。結(jié)合虛擬仿真教學(xué)后，實(shí)驗(yàn)室課由相對(duì)單一課程、單一專業(yè)，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐚I(yè)、跨學(xué)科，符合當(dāng)代學(xué)生們的學(xué)習(xí)方式。如在丙烯酸甲酯生產(chǎn)加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)影響反應(yīng)過(guò)程的溫度、壓強(qiáng)、濃度、停留時(shí)間可以設(shè)定不同的參數(shù)，每一組參數(shù)狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生不同品質(zhì)的產(chǎn)品，學(xué)生通過(guò)分析結(jié)果探求最佳的生產(chǎn)條件。通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以學(xué)習(xí)到化學(xué)、計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等知識(shí)，提高學(xué)生多方位學(xué)習(xí)的能力。

此外，學(xué)生可以通過(guò)反復(fù)模擬全面深刻的認(rèn)知和理解丙烯酸甲酯生產(chǎn)過(guò)程及多種關(guān)鍵技術(shù)^[12-13]。學(xué)生進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)可以鞏固所學(xué)理論知識(shí)，同時(shí)能夠逐步地理解與熟悉丙烯酸甲酯生產(chǎn)的操作流程，掌握儀器設(shè)備的操作以及專業(yè)軟件的使用方法，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)及狀態(tài)深入地理解和靈活運(yùn)用。該教學(xué)模式使學(xué)生的綜合能力得到良好的訓(xùn)練，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

3 結(jié)語(yǔ)

“新工科”建設(shè)對(duì)實(shí)踐能力提出了更高的要求，教育工作者應(yīng)積極探索先進(jìn)的教學(xué)手段順應(yīng)新時(shí)代的需求，而虛擬仿真技術(shù)作為一種新的教學(xué)手段，能夠?yàn)楸究平虒W(xué)提供了更多的可能性，填補(bǔ)了“高危、高壓、高造價(jià)”實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)中的空白，通過(guò)“基礎(chǔ)知識(shí)講解+虛擬演示+虛擬實(shí)驗(yàn)+創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)形式，不僅系統(tǒng)地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，同時(shí)也能夠?yàn)榕囵B(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效開(kāi)展以及培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供教學(xué)保障。

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