虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用

聶麗蓉　盧明夏　李宗齊

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;化工與制藥;實踐教學

化工與制藥工業(yè)屬于高新技術(shù)聚集領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有舉足輕重的地位[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國擁有眾多化工與制藥類企業(yè)，雖然產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，但企業(yè)大多存在專業(yè)技術(shù)人才缺乏、工程知識薄弱等問題，成為制約企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。如何培養(yǎng)滿足企業(yè)需求、緊跟時代潮流、具有工程實踐技能的專業(yè)技術(shù)人才一直是理工類院校關(guān)注的焦點[2]。

近年來，為了滿足企業(yè)對人才的需求，在加強基礎(chǔ)理論教學的前提下，逐步改革實踐教學方法，比如加強實踐教學中心的建設(shè)，建立校內(nèi)多媒體互動教學模式、校內(nèi)實訓中心以及校企共建的實踐教學基地。傳統(tǒng)教學的局限性與實驗室建設(shè)規(guī)模不足，使教學質(zhì)量面臨嚴峻挑戰(zhàn)。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為教育工作者開辟了新的途徑。本研究以虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用為例，探討虛擬仿真技術(shù)給課程實踐教學帶來的改變。

1 化工與制藥類專業(yè)實踐教學的現(xiàn)狀與不足

化工與制藥類專業(yè)要求學生掌握現(xiàn)代化學、化工、制藥基礎(chǔ)理論知識和基本實驗技能，能在化工、煉油、冶金、能源、輕工、醫(yī)藥和環(huán)保等領(lǐng)域和部門從事工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)管理和科學研究等工作，具有極強的實踐性、應(yīng)用性和工程性。實踐創(chuàng)新能力是化工與制藥類專業(yè)學生的培養(yǎng)重點，其中，實驗課程是溝通課程理論與實踐的主要手段。隨著化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)過程中涉及的化學物質(zhì)種類和數(shù)量繁多，很多物質(zhì)都具有易燃性、反應(yīng)性和毒性，造成了化工生產(chǎn)的安全風險。在化工生產(chǎn)過程中，大部分化學反應(yīng)需要在比較苛刻（高溫、高壓）的條件下進行，因此，對生產(chǎn)過程安全隱患的控制更為嚴格。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，為了更好地保障人員的生命安全、避免發(fā)生生產(chǎn)安全事故，生產(chǎn)操作已逐步實現(xiàn)高度自動化，由人工手動操作的環(huán)節(jié)逐漸減少?？傊どa(chǎn)的安全性、規(guī)模化和自動化使企業(yè)不愿意接納學生到現(xiàn)場觀摩實習，即使進入企業(yè)實習，也無法保證學生的工程能力和意識得到強化[3-4]。目前，在化工與制藥類專業(yè)中，很多專業(yè)課程實踐教學存在以下現(xiàn)狀。

1.1 傳統(tǒng)實驗耗時久，教學內(nèi)容有限

化工與制藥類專業(yè)實踐內(nèi)容豐富，但是在有限的實驗課時內(nèi)，學生往往只能掌握一些基本操作方法和技能，很難全面、系統(tǒng)地學習化工生產(chǎn)過程中的工程知識，阻礙了學生拓寬視野、豐富專業(yè)知識。

1.2 教師工程素養(yǎng)參差不齊，教學效果難以保障

利用多媒體互動教學可以實現(xiàn)師生互動、打破傳統(tǒng)教學模式的局限，對推動化工與制藥類專業(yè)實踐教學有一定的積極作用。對于這種教學模式，優(yōu)質(zhì)的教學課件與教師的工程經(jīng)驗或背景是影響教學效果的關(guān)鍵性因素。然而，大部分高校教師沒有工廠實踐經(jīng)驗，在工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)實踐方面的能力和精力遠遠不夠，知識結(jié)構(gòu)體系并不全面，可能并不完全了解化工行業(yè)的技術(shù)進展和企業(yè)對人才的真實需求，在實踐教學中很難實現(xiàn)課程教學目標，無法對學生予以有效指引、培養(yǎng)學生的工程實踐能力，不能滿足企業(yè)對工程技術(shù)人才的需求。

1.3 行業(yè)技術(shù)發(fā)展較快，實驗條件的升級嚴重滯后

目前，受到實驗場地、辦學經(jīng)費、時間成本等因素的制約，大部分工科院校的專業(yè)實踐課程仍然限于實驗室小試規(guī)模。比如在藥物合成實驗中，僅依靠搭建玻璃儀器裝置，通過手動控制實驗條件合成簡單藥物，雖然能鍛煉學生的動手操作能力，但與工業(yè)化生產(chǎn)現(xiàn)狀相差甚遠，培養(yǎng)的學生不能良好地滿足企業(yè)發(fā)展對技術(shù)型人才的真正需求。將實驗規(guī)模擴大到中試水平，又會面臨實驗成本高、易造成污染、實驗場地不夠、實驗存在一定的安全風險等問題。

1.4 實驗環(huán)節(jié)多使用有機溶劑，安全隱患大

在實踐教學環(huán)節(jié)，可能要用到許多化學試劑，而這些化學試劑往往具有易爆炸、易燃燒、毒性大、腐蝕性和輻射等危險特性。如果使用不當，有可能引起灼傷和爆炸，造成人身傷害、財產(chǎn)損失和其他事故。

2 虛擬仿真技術(shù)在實踐教學中的應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬仿真又稱模擬技術(shù)，是以計算機軟件及硬件為基礎(chǔ)，利用多種技術(shù)手段，以一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。簡言之，虛擬仿真是對已知或未知世界的仿真，用戶可借助感覺器官等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互[5]。

針對傳統(tǒng)化學化工實踐教學中存在的一些問題，將虛擬仿真技術(shù)引入專業(yè)課程實踐教學中，建立虛擬仿真訓練實驗平臺，不僅可以使教學形式更加靈活、手段更新穎，有效激發(fā)學生的學習興趣，還可以使化學操作過程更加直觀和易于接受，同時有利于訓練學生的工程設(shè)計能力、培養(yǎng)學生的工程意識，使其具有工程思維。通過實際動手操作，學生可以更加熟悉工業(yè)生產(chǎn)的過程，知識更加具體化、形象化，教學內(nèi)容更易掌握，具有一定的現(xiàn)實意義。

2.1 突破傳統(tǒng)實驗教學資源的限制，實現(xiàn)綠色實驗教學。

目前，在化學化工類專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)，大多需要用到一系列大型實驗儀器設(shè)備，比如在“藥物分析實驗”教學中，通常會用到紅外光譜儀、紫外分光光譜儀、高效液相色譜儀等。這些大型儀器更新?lián)Q代快、費用昂貴、實驗運行成本高，難以保證每位學生都有操作儀器的機會。在“藥物化學實驗”課程中，常常使用有害試劑，產(chǎn)生一些實驗廢液、垃圾等，后期的處理成本高且不可避免地對環(huán)境造成嚴重污染。將虛擬仿真技術(shù)融入實踐教學中，不僅能打破時間與空間的限制、降低實驗成本，還有利于實現(xiàn)個性化教學、有效規(guī)避化學實驗中的各種安全隱患[6]。

2.2 提高實驗效率，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力

虛擬仿真實驗可通過在線學習功能，幫助學生快速掌握實驗研究的具體目標和實驗技術(shù)。此外，互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進了虛擬仿真技術(shù)在實踐教學中的應(yīng)用。遠程虛擬仿真實驗突破了物理空間的限制，大大提高了學習和研究效率，為實驗教學環(huán)節(jié)提供了強有力的支持。另外，虛擬仿真技術(shù)還可以實現(xiàn)個性化實踐教學，學生可以根據(jù)自己的興趣設(shè)計實驗方案，強化創(chuàng)新意識與能力。

2.3 提高實踐教學的趣味性，激發(fā)學生的學習熱情

傳統(tǒng)實踐教學主要采用線下實體教學的模式，以老師現(xiàn)場講演實驗過程為主，學生處于被動聽課的狀態(tài)。虛擬仿真技術(shù)結(jié)合了動畫和音頻的效果，模擬出真實的實驗操作過程，使學生在一種愉快的氛圍中學到知識，充分調(diào)動學生的學習積極性。

3 虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用前景

近年來，虛擬仿真技術(shù)在實踐教學中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是化工與制藥類專業(yè)實踐課程?；づc制藥類專業(yè)課程涉及工程學、化學、藥學三大學科體系，具有較強的交叉性，知識點抽象且知識面比較廣，傳統(tǒng)實踐教學不僅容易使學生感到枯燥乏味，而且教師的授課難度大。因此，有必要探索虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用。

3.1 在“化工原理”教學中的應(yīng)用

作為化工與制藥類專業(yè)基礎(chǔ)課程，“化工原理”是多個化工操作單元的集合，實踐課程涉及的裝置設(shè)備較大、運行時間長、維修費用高，直接影響了教學效果。在實踐教學過程中，可以利用虛擬仿真，根據(jù)實際生產(chǎn)設(shè)備和流程，按照1∶1的比例進行建模，模擬生產(chǎn)中的流量、溫度、壓力等參數(shù)的變化情況，在無需實驗設(shè)備、不會造成污染、不消耗原料的前提下，給學生營造真實的化工生產(chǎn)環(huán)境，有利于培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力。

3.2 在“藥物分析實驗”教學中的應(yīng)用

“藥物分析實驗”也是藥學學科中相對獨立且不可或缺的一門實踐課程，非常注重理論與實踐相結(jié)合。虛擬仿真技術(shù)有利于構(gòu)建“虛實結(jié)合”的教學模式，利用虛擬實驗室軟件，完成虛擬仿真實驗的練習操作，掌握相關(guān)實驗技巧。這種實驗?zāi)Ｊ降木_度較高，在避免使用有機試劑的基礎(chǔ)上，可以讓學生身臨其境地學習實驗知識。此外，學生還可以通過軟件查看自己的實驗操作，充分了解自己的知識弱點并及時糾正。

3.3 在“藥理學實驗”教學中的應(yīng)用

相關(guān)院校探索了虛擬仿真技術(shù)在“藥理學實驗”教學中的應(yīng)用。主要的教學目的是通過虛擬仿真實驗讓學生驗證已有的理論，幫助他們更直觀地學習相關(guān)藥物的藥理作用，還可以反復進行實驗操作，在提高學生實驗?zāi)芰Φ耐瑫r，進一步鞏固理論知識[7]。

3.4 小結(jié)

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實踐教學中，不僅大大豐富了實驗教學內(nèi)容，還可以提高實驗效率，規(guī)避實驗安全隱患，在有限的時間內(nèi)，盡可能覆蓋理論課程中的學習內(nèi)容和學習重點，完善相關(guān)專業(yè)的教學體系。

4 結(jié)語

化工與制藥類專業(yè)大多屬于交叉性學科專業(yè)，注重實踐性和創(chuàng)新性。傳統(tǒng)的實踐教學模式具有實驗資源匱乏、場地空間不夠、缺乏時代性等弊端。將虛擬仿真技術(shù)融入實踐教學中，充分利用其特點，結(jié)合課程實際教學需求，革新實踐教學模式，能在一定程度上彌補傳統(tǒng)教學模式的缺陷，整合教學資源，實現(xiàn)教學資源的互補。虛擬仿真技術(shù)的生動性和趣味性也為學生由被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習提供了一條可行的路徑。