Chemaid化工實驗教學平臺研究與設(shè)計

李欣，文欣秀，程 凱，丁樂為

（1.華東理工大學 化工學院，上海 200237；2.華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 200237）

0 引 言

隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，高等學校的化工實驗教學越來越需要依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)支持其進一步發(fā)展。經(jīng)過對化工學院師生大量的調(diào)研分析，實驗教學過程中主要存在以下需求[1-2]：

（1）為了提高對知識的理解程度和減少實驗的危險系數(shù)，師生希望可以在進入實驗室前進行在線虛擬仿真實驗[3]，而不是僅僅理論學習或者直接進入實驗室對化工裝置進行操作。

（2）目前，學生主要通過手工計算完成實驗報告，計算過程中出現(xiàn)的精度問題會導致實驗結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，需要利用計算機進行精密計算，本系統(tǒng)可以基于B/S架構(gòu)提供接口使用。此外，在化工實驗教學中對于圖像法的應(yīng)用要求較高，手繪圖像所產(chǎn)生的誤差經(jīng)常會使實驗功虧一簣。本系統(tǒng)可以基于數(shù)據(jù)自動進行計算機繪圖，特別是在對數(shù)坐標系等特殊坐標系下的精度遠超手工繪制。

（3）化工實驗題目公式復雜且解題步驟繁瑣，在有限的教學時間內(nèi)教師很難幫助全部學生理解各類題目，學生期望題目有詳細的答案和解析，可以隨時隨地進行復習。

（4）課堂點名、實驗資料分發(fā)、實驗結(jié)果收集等耗費教師過多精力，教師希望有一體化管理平臺實現(xiàn)教學過程管理。

1 輔助實驗教學平臺設(shè)計

為了解決以上實際問題，研發(fā)了基于Django框架[4]、采用MySQL數(shù)據(jù)庫的Chemaid化工實驗教學平臺。該平臺包括實驗仿真模擬、實驗報告生成、實驗過程管理、在線自主學習等功能模塊。進一步，為了方便師生隨時隨地通過瀏覽器或手機進行訪問，同時開通了微信公眾平臺。系統(tǒng)主要功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

1.1 實驗仿真模擬

實驗仿真模擬以雷諾實驗[5-6]為例。雷諾實驗為化工原理課程中的一個基礎(chǔ)實驗，本實驗通過改變水在管內(nèi)的流速，觀察在不同雷諾數(shù)下流體流動的形態(tài)：流體做層流流動時，其質(zhì)點做平行于管軸的直線運動；湍流時流體質(zhì)點在沿管軸流動的同時還做著雜亂無章的隨機運動。仿真效果如圖2所示。

圖2 雷諾實驗仿真效果

雷諾實驗仿真的3D實驗?zāi)Ｐ椭饕ㄎ矬w模型構(gòu)建、動畫效果構(gòu)建、事件初始化和WebGL渲染[7]4個步驟，主要使用策略模式進行算法的封裝。首先，搭建所需要使用的物體模型，并保留可以復用設(shè)置的參數(shù)作為函數(shù)的形式參數(shù)；其次，將構(gòu)建好的物體模型進行實例化，將物體三維坐標位置與旋轉(zhuǎn)方向角度等設(shè)置好，將動畫效果綁定到物體實例上；進一步利用TWEEN.js將動畫效果進行鏈式綁定，完善事件邏輯，實現(xiàn)事件初始化；最后，由WebGL進行相關(guān)的渲染，在瀏覽器上顯示。

1.2 實驗報告生成

實驗報告包括對流給熱系數(shù)的測定實驗、流體實驗、離心泵、吸收塔等化工常用實驗的報告設(shè)計及下載。以給熱系數(shù)的測定實驗為例：在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來實現(xiàn)物料的加熱或冷卻，換熱過程通過傳熱設(shè)備中傳熱元件的固體壁面進行熱量交換，傳熱過程機理十分復雜。

（1）實驗原理

為了便于理解，對流給熱系數(shù)的測定實驗以流程圖形式描述其實驗原理，如圖3所示。

圖3 對流給熱系數(shù)測定實驗流程

（2）數(shù)據(jù)存儲

結(jié)合Word中的域與Python中的docx-mailmerge庫，將實驗報告中計算得出的數(shù)據(jù)填入指定的Word表格中，從而實現(xiàn)實驗報告自動生成的功能。

（3）動態(tài)作圖

本實驗利用Echarts和最小二乘法[8]、牛頓切線法等算法擬合數(shù)據(jù)動態(tài)繪制出相應(yīng)的曲線。曲線清晰，讀數(shù)方便，且提供下載服務(wù)以便打印粘貼在實驗報告中，避免用戶下載、安裝擬合曲線相關(guān)插件的麻煩。

（4）下載標準實驗報告

使用Django的FileResponse進行文件傳輸。在報告的預置部分是實驗內(nèi)容、實驗?zāi)康暮蛯嶒灮驹淼纫?guī)范內(nèi)容，在實驗原始數(shù)據(jù)和實驗計算部分，根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)計算后填寫，最終以實驗名+學號的形式提供下載。

1.3 教學過程管理

教學過程管理包括簽到、測驗等。簽到板塊主要采用了教師對教學班的學生微信掃碼簽到或教師端網(wǎng)頁點擊學生姓名進行簽到，簡單實用，方便快捷。教師可以通過本系統(tǒng)將學生批量導入，一鍵開啟簽到，即可令學生微信綁定網(wǎng)頁進行掃碼簽到，或教師點擊學生姓名完成簽到。教師在網(wǎng)頁端發(fā)布簽到，學生在微信公眾號掃碼完成簽到，二維碼會定時刷新，簽到前微信賬號需在公眾號內(nèi)綁定學號，以此防止代簽行為[9]。用戶界面友好方便，在簽到環(huán)節(jié)增加了微信公眾號方便使用。

簽到算法：以“課程編號（唯一標識）+#+當前時間哈?！弊鳛閿?shù)據(jù)生成二維碼，并以課程編號為鍵存入Django.cache（服務(wù)器緩存、鍵值對形式），對Ajax請求以Base64編碼形式將二維碼傳給前端，網(wǎng)頁再使用Base64碼顯示出二維碼。微信端掃描二維碼后將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)站，后端提取“#”前的課程編號，尋找以此編號作為鍵的緩存值，再與微信端傳來數(shù)據(jù)進行比對，若成功，則簽到成績+1，并將“已簽到標識”置1。二維碼每隔一定時間自動刷新。

1.4 在線自主學習

系統(tǒng)不僅包括基于知識圖譜的各類書籍推薦，還收集了化工原理上、化工原理下、考研模擬等經(jīng)典習題供學生使用，如圖4所示。點擊化工原理上，在左側(cè)可以進行章節(jié)的選擇，例如：流體流動、流體輸送機械、過濾、顆粒的沉降和流態(tài)化等。在自主學習環(huán)節(jié)，每道題目后面均存在4個按鈕，即：答案、隱藏、選擇文件、上傳。在未完成的狀態(tài)下，題目相關(guān)答案不可以查看。點擊選擇文件，選擇需要上傳的作業(yè)圖片，點擊上傳。顯示已完成，即可查看相關(guān)答案。登錄教師賬號，教師可以查看教學班學生作業(yè)完成情況，能夠親自批閱反饋。

圖4 在線自主學習

將題目和答案放入數(shù)據(jù)庫中，其中公式以截圖的方式存入相應(yīng)的文件夾用以調(diào)用。題目需要先提交才能查看答案，從而保證學習的效率和自主性[10]。同時，每道題目后面增加答案的一鍵顯示與隱藏，方便查閱。

2 結(jié) 語

高校化工專業(yè)的實驗教學是人才培養(yǎng)的重要組成部分[11]，通過現(xiàn)代化信息手段減少實驗的危險性，提高實驗準確性，強化實驗過程科學化管理，豐富學生的知識獲取途徑，有助于培養(yǎng)學生分析解決問題的能力及專業(yè)創(chuàng)新實踐能力。本文從我?；W院師生實際需求出發(fā)，介紹了基于Django框架的化工實驗教學平臺的研究與設(shè)計過程，平臺實現(xiàn)了化工實驗的規(guī)范化教學，增強了學生的動手能力和知識理解能力，潛移默化中提高了實驗教學質(zhì)量。