化工類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)研究
——以天津仁愛(ài)學(xué)院為例

張 靜 王 玥 陳 瑩 呂桂才 景元琳

天津仁愛(ài)學(xué)院，天津 301636

化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，如何培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和化工行業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用型專門(mén)人才，是應(yīng)用型高等學(xué)校關(guān)注的焦點(diǎn)?，F(xiàn)階段，一些高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)中面臨著成本過(guò)高、資金不足等問(wèn)題，阻礙到應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。而虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為高校化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)開(kāi)辟了新的途徑［1］，在構(gòu)建的虛擬仿真系統(tǒng)中，用戶可通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官系統(tǒng)，體驗(yàn)虛擬環(huán)境下的真實(shí)世界。由于虛擬仿真技術(shù)具有非常好的沉浸性、真實(shí)性和交互性等特點(diǎn)，基于虛擬仿真技術(shù)建設(shè)的教學(xué)資源和平臺(tái)，受到了國(guó)家、地方和高校等不同層面的大力支持。近年來(lái)，在化學(xué)、化工、制藥、生物等各類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，逐漸開(kāi)始廣泛、深度應(yīng)用基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)資源［2-5］。

本研究以天津仁愛(ài)學(xué)院能源與化工學(xué)院為例，介紹其基于Unity3d 等技術(shù)研發(fā)出的源于化工生產(chǎn)真實(shí)工藝的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)情況，并介紹其應(yīng)用于化工仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的教學(xué)情況，探討虛擬仿真技術(shù)給化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)的巨大改變。

一、應(yīng)用型本科高校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

根據(jù)調(diào)研天津仁愛(ài)學(xué)院、燕京理工學(xué)院等應(yīng)用型本科高?？芍F(xiàn)階段化工類專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中還面臨著較多的難題。

（一）實(shí)際化工工藝過(guò)程中的高危條件、極端條件在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際的化工工藝過(guò)程中，需將具備毒性、腐蝕性、易燃易爆性的產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)來(lái)，如果出現(xiàn)失誤、錯(cuò)誤操作，則容易引發(fā)安全事故；一些典型的工藝過(guò)程如氫化還原反應(yīng)、硝化反應(yīng)和重氮化反應(yīng)等具有高度危險(xiǎn)性；此外，一些工藝過(guò)程需要高溫（≥300℃）、高壓（≥10MPa）、深冷（≤-29℃）、強(qiáng)酸（pH ＜1）或者強(qiáng)堿（pH ＞12）等極端操作條件，具有較高的危險(xiǎn)性；以上因素導(dǎo)致這些工藝過(guò)程難以在學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

（二）化工過(guò)程設(shè)備投資大，運(yùn)行成本高

化工過(guò)程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備多為成套裝備，需要成套購(gòu)買(mǎi)，價(jià)格高昂且占地面積大；此外，設(shè)備運(yùn)行使用的試劑耗材的購(gòu)買(mǎi)、存儲(chǔ)和使用管理，以及設(shè)備維修維護(hù)的費(fèi)用也價(jià)格不菲，導(dǎo)致運(yùn)行成本高昂。這些因素導(dǎo)致高校難以建設(shè)真實(shí)的化工實(shí)訓(xùn)裝置，難以讓學(xué)生接受全方位的工程訓(xùn)練。

（三）學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)效率低，教學(xué)效果不佳

以天津仁愛(ài)學(xué)院能源與化工學(xué)院化工類專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)為例，合作的化工相關(guān)企業(yè)由于安全管理工作的持續(xù)升級(jí)，現(xiàn)在對(duì)于安全環(huán)保等方面的要求越來(lái)越嚴(yán)格，導(dǎo)致學(xué)生難以直接進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)習(xí)，只能讓學(xué)生進(jìn)行觀摩，這樣的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)過(guò)程難以保證學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程意識(shí)得到強(qiáng)化，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

二、虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)的必要性

為有效解決以上實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題，建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源，開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)很有必要。

（一）應(yīng)用型本科高校的化工類專業(yè)是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型化工專門(mén)人才的主陣地，該專業(yè)具有非常強(qiáng)的工科屬性，為提升學(xué)生的應(yīng)用素養(yǎng)，教師既要傳授化學(xué)基礎(chǔ)、化工技術(shù)、化工過(guò)程管理等專業(yè)知識(shí)，還需依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。受專業(yè)性質(zhì)的影響，實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)分占比超過(guò)30%。若沿用以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模等因素將會(huì)影響到教學(xué)效果。而通過(guò)建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源，則可以解決此問(wèn)題。

（二）依托虛擬仿真技術(shù)建設(shè)教學(xué)資源具有一系列優(yōu)勢(shì)，可以減少實(shí)體設(shè)備的購(gòu)置以及設(shè)備運(yùn)行所需維修維護(hù)的人力和物力成本，減少試劑耗材的購(gòu)買(mǎi)、存儲(chǔ)和使用管理成本。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)校需在易制毒藥品、易制爆藥品的采購(gòu)、使用、管理等方面投入較高的成本，增加了學(xué)校的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。而采用虛擬仿真技術(shù)，只需在軟件維護(hù)、升級(jí)等方面投入成本，化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)置、運(yùn)行管理等經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，以及實(shí)驗(yàn)室崗位教師的管理負(fù)擔(dān)能夠有效減輕。

（三）為貫徹以“學(xué)生為中心”的教育理念，將互聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互、3D 虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)環(huán)節(jié)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可依托虛擬仿真系統(tǒng)滿足學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練、自我考評(píng)等需求，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性和參與度。

（四）通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，教師不需要在工藝流程、注意事項(xiàng)等基礎(chǔ)知識(shí)講解方面花費(fèi)大量的精力，有助于加快教學(xué)進(jìn)度，且學(xué)生可以針對(duì)化工全流程進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。

（五）通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源，時(shí)空因素、客觀條件對(duì)實(shí)踐教學(xué)的限制得到有效減少，可以更加順利地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

三、虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)內(nèi)容

（一）基于真實(shí)生產(chǎn)工藝的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以美羅培南真實(shí)生產(chǎn)工藝為設(shè)計(jì)原型，結(jié)合仿真技術(shù)、人工智能等先進(jìn)科技，再現(xiàn)真實(shí)的化工生產(chǎn)場(chǎng)景。美羅培南，是一種具有廣泛抗菌性的強(qiáng)效抗生素，主要用以對(duì)腦膜炎、敗血癥等多種感染進(jìn)行治療，是培南類抗生素的領(lǐng)跑品種。其反應(yīng)工藝流程具備代表性，生產(chǎn)流程包含一系列化工典型操作，全流程包括氫化還原工序、精制工序和粉碎包裝工序的十余個(gè)步驟的學(xué)習(xí)，尤其是氫化還原工序中鈀炭催化劑容易自燃，即使沒(méi)有火源也能使氫氣和空氣混合物發(fā)生爆炸，危險(xiǎn)性極高，實(shí)體實(shí)驗(yàn)很難開(kāi)展。

（二）模塊化的專業(yè)教學(xué)資源建設(shè)

以工程設(shè)計(jì)、工藝仿真、設(shè)備仿真、生產(chǎn)操作、廠區(qū)漫游、考核系統(tǒng)等模塊進(jìn)行專業(yè)教學(xué)。學(xué)生分工段和班組協(xié)作完成，學(xué)生可以通過(guò)設(shè)備操作、閥門(mén)操作、儀表監(jiān)控對(duì)真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，認(rèn)真觀察儀器儀表顯示數(shù)據(jù)，依據(jù)趨勢(shì)曲線對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，依托人機(jī)交互提升產(chǎn)品合格率。評(píng)分系統(tǒng)會(huì)按照學(xué)生的操作步驟、處理參數(shù)變化情況的能力以及答題情況進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生經(jīng)過(guò)反復(fù)練習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)生產(chǎn)工藝的操作、化工設(shè)備儀表的全面認(rèn)識(shí)，從而達(dá)到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)類似的效果。

（三）搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)

將系統(tǒng)架構(gòu)在web 服務(wù)器上，可以通過(guò)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，面向天津仁愛(ài)學(xué)院化工類專業(yè)學(xué)生開(kāi)放，每年約400 名學(xué)生可以通過(guò)該平臺(tái)完成實(shí)訓(xùn)。此外，按照教育部要求，高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目也向其他高校和社會(huì)學(xué)習(xí)者開(kāi)放。本校學(xué)生可以通過(guò)教務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行選課，獲得賬號(hào)和密碼后登錄進(jìn)行學(xué)習(xí)；其他高校以班級(jí)或者專業(yè)為單位通過(guò)管理系統(tǒng)申請(qǐng)，獲取賬號(hào)和密碼后登錄進(jìn)行學(xué)習(xí)。所有的學(xué)習(xí)者在登錄后均可以使用全部的教學(xué)資源，學(xué)習(xí)后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，獲得評(píng)價(jià)結(jié)果。非登錄學(xué)習(xí)者可以瀏覽項(xiàng)目簡(jiǎn)介等資源。

（四）采用虛實(shí)結(jié)合、線上線下有機(jī)結(jié)合的教學(xué)方法

堅(jiān)持“先虛后實(shí)、以虛補(bǔ)實(shí)”的原則，教學(xué)資源要從美羅培南實(shí)際生產(chǎn)工藝流程出發(fā)，將高危、極端操作條件的生產(chǎn)工序以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式展現(xiàn)。教師在教學(xué)中，采用虛實(shí)結(jié)合、線上線下相結(jié)合的方式，授課之前教師設(shè)計(jì)教學(xué)方案，在平臺(tái)布置預(yù)習(xí)任務(wù)，錄制微課視頻并發(fā)布給學(xué)生，在線統(tǒng)計(jì)學(xué)生在預(yù)習(xí)仿真實(shí)訓(xùn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，從而可以在授課現(xiàn)場(chǎng)有針對(duì)性地進(jìn)行講解，然后由教師設(shè)置生產(chǎn)任務(wù)，學(xué)生需要通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成在線生產(chǎn)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)踐和現(xiàn)實(shí)教學(xué)的相互補(bǔ)充和促進(jìn)。

（五）建立科學(xué)合理的教學(xué)評(píng)價(jià)體系

由于教師采用虛實(shí)結(jié)合、線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，為了取得更良好的授課效果，要建立科學(xué)合理的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)過(guò)程管理，科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生全部學(xué)習(xí)過(guò)程。課前，學(xué)生在完成教師布置的預(yù)習(xí)任務(wù)后完成預(yù)習(xí)報(bào)告；課中，教師設(shè)置生產(chǎn)任務(wù)，學(xué)生需要通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成在線生產(chǎn)任務(wù)；課后，學(xué)生完成線上自我測(cè)評(píng)，教師需要對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)給出綜合評(píng)價(jià)和反饋。項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系各階段實(shí)時(shí)共享，學(xué)生可以及時(shí)查看并改進(jìn)學(xué)習(xí)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題。

（六）建立卓有成效的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控和保障體系

筆者作為負(fù)責(zé)人建設(shè)了天津仁愛(ài)學(xué)院能源與化工學(xué)院的“美羅培南生產(chǎn)工藝3D 虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目?，F(xiàn)階段，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已開(kāi)設(shè)4 期次，約1600 名化工類專業(yè)本科生參與實(shí)踐教學(xué)，為實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施提供了良好支持。在這一過(guò)程中，為持續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同步建設(shè)了綜合教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)簽到、登錄次數(shù)統(tǒng)計(jì)、操作評(píng)分、自我測(cè)評(píng)、在線答疑、在線學(xué)習(xí)時(shí)間統(tǒng)計(jì)等諸多功能。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師可以登錄系統(tǒng)及時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況，并可以在系統(tǒng)交流界面實(shí)時(shí)參與學(xué)生實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)，也可以在線下授課時(shí)給予指導(dǎo)，學(xué)生可以下載自己實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，并能接收到教師的指導(dǎo)和反饋意見(jiàn)。通過(guò)構(gòu)建質(zhì)量監(jiān)控與保障機(jī)制，不但學(xué)生能夠順利完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，高效掌握相應(yīng)的知識(shí)與技能，教師也能夠?qū)W(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)掌握，客觀、及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)踐效果。此外，總結(jié)分析實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題和不足，還可以持續(xù)改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，不斷優(yōu)化考核評(píng)價(jià)體系。該課程項(xiàng)目已成功獲批天津市虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目。

四、虛擬仿真教學(xué)資源應(yīng)用成效

（一）授課效果好，人才培養(yǎng)質(zhì)量明顯提升

自該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源投入使用以來(lái)，通過(guò)對(duì)在校生和畢業(yè)生問(wèn)卷調(diào)查顯示，有95%以上的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的學(xué)習(xí)顯著提升了專業(yè)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，增加了專業(yè)素養(yǎng)，并提高了工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。此外，由于學(xué)生加強(qiáng)了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，對(duì)化工專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)認(rèn)同感顯著提升，導(dǎo)致學(xué)生參與各類專業(yè)競(jìng)賽的積極性顯著增加。例如，學(xué)生連續(xù)三年在全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)，連續(xù)多年在全國(guó)大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽取得華北賽區(qū)團(tuán)體二等獎(jiǎng)等等。學(xué)生近三年的平均畢業(yè)生去向落實(shí)率90%，主要為服務(wù)京津冀區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的化工類知名企業(yè)。例如：天津渤海化工集團(tuán)、天津天士力現(xiàn)代中藥資源有限公司、天津藥業(yè)研究院有限公司和先眾新能源有限公司等，從事化工相關(guān)崗位人數(shù)占比達(dá)到82%。

（二）開(kāi)放共享效果好

該虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，每年面向天津仁愛(ài)學(xué)院化工類專業(yè)學(xué)生開(kāi)放，每年約400 名學(xué)生通過(guò)該平臺(tái)完成實(shí)訓(xùn)。此外，按照教育部要求，向其他高校和社會(huì)學(xué)習(xí)者開(kāi)放，天津仁愛(ài)學(xué)院與天津大學(xué)、天津理工大學(xué)等高校共建共享虛擬仿真教學(xué)資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)近三年學(xué)習(xí)人次數(shù)超過(guò)3700 次。

五、結(jié)語(yǔ)

以建設(shè)高水平應(yīng)用型本科高校，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，天津仁愛(ài)學(xué)院能源與化工學(xué)院率先開(kāi)展了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源的建設(shè)和改革實(shí)踐，基于真實(shí)化工生產(chǎn)工藝和虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了化工類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，鼓勵(lì)教師探索以學(xué)生為中心、虛實(shí)結(jié)合、線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)新模式，激勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)投入學(xué)習(xí)，建設(shè)科學(xué)合理的考評(píng)體系以及卓有成效的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控和保障體系。實(shí)踐表明，在化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)用此項(xiàng)目，能夠高效培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力與分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，有助于進(jìn)一步提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。此外，打破了傳統(tǒng)時(shí)空因素的限制，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)難題迎刃而解，不但對(duì)化工類專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)改革起到一定的促進(jìn)作用，還能夠?yàn)槠渌咝Ｌ峁﹨⒖冀?jīng)驗(yàn)，幫助相關(guān)高校順利建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。