陳國(guó)輝, 劉有才, 劉士軍, 韓響玲, 滿瑞林, 鐘 宏

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)

陳國(guó)輝, 劉有才, 劉士軍, 韓響玲, 滿瑞林, 鐘 宏

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)礦冶工程化學(xué)類專業(yè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備和難以完成的教學(xué)功能。礦冶工程化學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容納入工科化學(xué)化工基礎(chǔ)課程和礦業(yè)化學(xué)專業(yè)課程，分工科基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)、礦物分離與濕法冶金虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和高溫冶金與節(jié)能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)三個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)和建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括分子層次微觀過(guò)程的模擬，大型儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和虛擬操作模擬，礦冶工程化學(xué)的復(fù)雜溶液體系和高溫體系等高成本、高污染過(guò)程的模擬等實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以人才培養(yǎng)為核心，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合共同構(gòu)筑了完整的本科人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)課程體系。

虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 礦冶工程化學(xué)； 仿真實(shí)驗(yàn)

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容建設(shè)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的核心。礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心作為學(xué)校第一個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主要在礦冶材料學(xué)科群的資源加工與生物工程學(xué)院、資源與安全工程學(xué)院、冶金與環(huán)境學(xué)院、能源科學(xué)與工程學(xué)院、粉末冶金研究院、材料科學(xué)與工程學(xué)院以及化學(xué)化工學(xué)院總共7個(gè)學(xué)院開展化學(xué)與化工過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)。目前，已經(jīng)面向化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、冶金工程、礦物加工、環(huán)境工程等11個(gè)本科專業(yè)，1 100多學(xué)生，總計(jì)開出了3個(gè)平臺(tái)，17個(gè)類別的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。已經(jīng)初步構(gòu)筑了具有中南大學(xué)礦冶材料學(xué)科特色的化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)的意義

當(dāng)前，化學(xué)已經(jīng)成為了現(xiàn)代科技發(fā)展的中心學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息科學(xué)的發(fā)展，化學(xué)基本原理與信息技術(shù)相結(jié)合也越來(lái)越成為復(fù)雜化學(xué)化工體系研究的有力武器。2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予的3位科學(xué)家的原因就是“從事多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型研究”，充分說(shuō)明了計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)在化學(xué)化工中的應(yīng)用重要性，特別是對(duì)于通過(guò)虛擬和仿真揭示化學(xué)化工過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律有重要意義。同時(shí)對(duì)高?；瘜W(xué)化工教學(xué)和人才培養(yǎng)提出了新的要求[1-6]。

礦冶材料類專業(yè)作為學(xué)校的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，要求學(xué)生具有寬厚的化學(xué)理論基礎(chǔ)與較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技能。事實(shí)上，采礦、選礦、冶金、環(huán)境、能源、材料、醫(yī)學(xué)和化學(xué)化工等專業(yè)都需要培養(yǎng)學(xué)生處理復(fù)雜條件下化學(xué)及工程問題能力，尤其需要在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理研究、大型化工設(shè)備工藝流程、大型儀器的操作使用，資源加工過(guò)程中，貧礦、尾渣中化學(xué)成分的提取與分析、有色金屬的高溫冶煉、濕法過(guò)程化工設(shè)計(jì)、環(huán)境污染治理、功能材料設(shè)計(jì)等方面加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力培養(yǎng)[7-12]。但是，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，面對(duì)這些需要加強(qiáng)培養(yǎng)的難題，卻限于實(shí)驗(yàn)條件或安全方面的考慮，難以通過(guò)實(shí)際的操作解決；一些特殊的反應(yīng)過(guò)程，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察，制約了高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能[13-16]。涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗以及大型設(shè)備和綜合過(guò)程的仿真訓(xùn)練，可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充可以達(dá)到高層次人才培養(yǎng)的目標(biāo)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)的思路

早在十幾年前，原中南工業(yè)大學(xué)化學(xué)及相關(guān)專業(yè)不少教師就進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索。1996年國(guó)家工科化學(xué)基礎(chǔ)課教學(xué)基地建設(shè)開始，當(dāng)時(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心就開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為全校相關(guān)專業(yè)學(xué)生開設(shè)了“計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用”等課程，建設(shè)了CAI實(shí)驗(yàn)室，率先在全國(guó)面向礦冶材料類本科專業(yè)開出了量子化學(xué)計(jì)算、分子模擬實(shí)驗(yàn)、大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和化工原理仿真等系列實(shí)驗(yàn)。2006年化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲得國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心稱號(hào)，中心將原CAI實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)大建設(shè)，響應(yīng)學(xué)校整合教學(xué)資源的計(jì)劃，以化學(xué)化工學(xué)院教學(xué)為基礎(chǔ)，聯(lián)合礦物資源加工與生物工程等6個(gè)礦冶材料類二級(jí)學(xué)院建設(shè)了校級(jí)的礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。中心建設(shè)的目標(biāo)就是更有效地集中利用學(xué)校虛擬仿真教學(xué)的資源服務(wù)于人才培養(yǎng)。為此，中心確立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系域項(xiàng)目建設(shè)思路和指導(dǎo)原則就是按本科專業(yè)培養(yǎng)大綱要求，規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與內(nèi)容，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)共同構(gòu)筑高層次人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)需要在本科培養(yǎng)方案的指導(dǎo)下，結(jié)合相應(yīng)的課程共同建設(shè)。礦冶材料類學(xué)科群每年有7個(gè)二級(jí)學(xué)院,11個(gè)本科專業(yè)，1100多學(xué)生，全員開出的基礎(chǔ)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)課程：“工科大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”和“化工原理實(shí)驗(yàn)”兩門；按專業(yè)要求不同，開設(shè)有：“電化學(xué)”、“礦業(yè)環(huán)境工程”、“資源加工學(xué)”、“化學(xué)選礦”、“材料化學(xué)”、“配位化學(xué)的冶金應(yīng)用”、“溶液萃取與離子交換”、“冶金物理化學(xué)研究方法”、“金屬材料熱處理”、“冶金原理”等工程化學(xué)專業(yè)課程共計(jì)10門。綜合以上課程多年來(lái)開出的礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，中心認(rèn)為：“工科大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”和“化工原理實(shí)驗(yàn)”兩門是基礎(chǔ)，其虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容可以共同構(gòu)筑為工科基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；而其他系列專業(yè)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容則可以按實(shí)驗(yàn)對(duì)象分為復(fù)雜溶液(濕法)和高溫節(jié)能(火法)兩大平臺(tái)體系。學(xué)生可以根據(jù)專業(yè)和開設(shè)的專業(yè)課程的不同，進(jìn)行3個(gè)平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論課程的合理銜接。

(1) 工科基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。工科基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向工科基礎(chǔ)化學(xué)與化工教學(xué)教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要在三個(gè)方面提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。① 針對(duì)化學(xué)分子，化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生直觀理解看不見，摸不著的原子、分子層次的結(jié)構(gòu)，并借助于量子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等現(xiàn)代計(jì)算化學(xué)知識(shí)幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程，并學(xué)習(xí)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)合成.現(xiàn)階段開設(shè)有分子模型與構(gòu)象分析，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理過(guò)程的簡(jiǎn)單模擬兩個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目；② 針對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)量大、大型分析儀器臺(tái)套數(shù)不足，或?qū)W生只能上機(jī)操作，而無(wú)法直觀感受大型儀器工作原理的問題，開設(shè)大型儀器系列仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)儀器內(nèi)部3D結(jié)構(gòu)和原理展示、虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景互動(dòng)操作等手段，讓學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，形象、直觀地掌握化學(xué)的基本原理和方法?，F(xiàn)階段完成了4個(gè)系列16種精密分析儀器的仿真及實(shí)驗(yàn)仿真開發(fā)：發(fā)射光譜儀、ICP等離子體光譜儀、原子吸收光度計(jì)、可見-紫外分光光度計(jì)、紫外分光光度計(jì)、分子熒光光度計(jì)、紅外光譜分析儀、氣相色譜分析儀、液相色譜分析儀、氣-質(zhì)聯(lián)用分析儀、毛細(xì)管電泳儀、示波極譜儀、自動(dòng)電位滴定儀、元素分析儀、庫(kù)侖分析儀、電化學(xué)分析儀等；③ 針對(duì)化工單元操作設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微觀過(guò)程或作用機(jī)理難以直接測(cè)定等問題，虛實(shí)結(jié)合開展化工原理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程帶來(lái)的污染，還可幫助學(xué)生理解化工單元操作?，F(xiàn)階段與東方仿真公司合作開發(fā)與共享有整套化工基礎(chǔ)單元操作的全部虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。以上3個(gè)不同方向6個(gè)系列的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，配合真實(shí)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生更深層次理解和掌握了化學(xué)化工的原理和方法。

(2) 礦物分離與濕法冶金虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 礦冶材料學(xué)科中無(wú)論是實(shí)驗(yàn)工廠，礦山還是科學(xué)研究，所涉及的物質(zhì)體系之一就是復(fù)雜液體體系。復(fù)雜溶液體系研究與工藝處理是上述所列的10門專業(yè)課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。礦物分離與濕法冶金過(guò)程涉及多相反應(yīng)體系及復(fù)雜的反應(yīng)熱力學(xué)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅能從可測(cè)的宏觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，無(wú)法深入了解微觀過(guò)程機(jī)理；另一方面，實(shí)際的工業(yè)過(guò)程處理周期長(zhǎng)，且可能限于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的條件而無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察?，F(xiàn)階段平臺(tái)共建有：鋁土礦磨礦-浮選過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)，芒硝礦的地下溶浸過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)，氰化浸金過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)，氧化鋅礦的氨法浸出過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)，銅礦生物濕法冶金虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝仿真實(shí)驗(yàn)和工業(yè)污染物污染地下水的數(shù)值仿真模型7個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。其中，鋁土礦選礦、芒硝礦地下溶浸開采、氰化浸金過(guò)程等屬于選冶過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生深入理解浮選和浸出過(guò)程機(jī)理；而工業(yè)污染物污染地下水的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，可以幫助學(xué)生了解工業(yè)污染物的污染特點(diǎn)及其控制方法。

(3) 高溫冶金與節(jié)能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 高溫冶金是的礦冶材料學(xué)科的傳統(tǒng)方法，也是我校這些學(xué)科群學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的重點(diǎn)之一。現(xiàn)已設(shè)計(jì)有：大型節(jié)能鋁電解槽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，火法煉銅工藝仿真實(shí)驗(yàn)，高爐焙燒的過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)和熱電系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)4個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。其中，熔融電解、火法冶煉、高爐、鍋爐等系統(tǒng)普遍具有高溫、高能耗的特征，其過(guò)程不僅具有很大的危險(xiǎn)性，而且無(wú)法采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法獲得設(shè)備內(nèi)部的直觀信息，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行鋁電解槽、火法煉銅工藝、高爐焙燒過(guò)程及熱電系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可使設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)可視化，而且可對(duì)過(guò)程進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)和計(jì)算。

以上3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)都是基礎(chǔ)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)課程和礦業(yè)化學(xué)工程專業(yè)課程所涵蓋的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一構(gòu)筑了我校工科化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體，服務(wù)于現(xiàn)代礦冶材料學(xué)科人才培養(yǎng)的需要。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要作用

中南大學(xué)礦冶材料類學(xué)科群專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生都是工科專業(yè)。實(shí)際動(dòng)手能力和工程能力是工程專業(yè)學(xué)生的最重要的能力培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的定位不是要取代學(xué)生這些能力的培養(yǎng)，而是根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)和內(nèi)容的不同實(shí)現(xiàn)了實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，主要解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和科研素質(zhì)。

(1) 虛實(shí)結(jié)合完善基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。我校礦冶材料類專業(yè)的學(xué)生都要學(xué)習(xí)儀器分析課程并且要做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀器講解，無(wú)法讓同學(xué)們了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；大型精密儀器分析實(shí)驗(yàn)一般分組實(shí)驗(yàn)，不能讓每個(gè)人都能獨(dú)立操作，在我國(guó)的高校中是普遍存在的現(xiàn)象。中心經(jīng)多年的努力，已完成16種精密分析儀器的仿真及實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)、開發(fā)，并應(yīng)用于教學(xué)。

(2) 虛擬仿真深化學(xué)生對(duì)化工操作的認(rèn)識(shí)。化工原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要包括化工原理單元操作仿真、化工生產(chǎn)流程仿真和化工分散控制系統(tǒng)(DCS)仿真等功能，是學(xué)生進(jìn)行化工原理實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)培訓(xùn)的重要工具。系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)室單元操作設(shè)備和工業(yè)中央主控室中的操作界面，提供標(biāo)準(zhǔn)仿真控制系統(tǒng)界面，可以進(jìn)行化工原理實(shí)驗(yàn)仿真模擬、工業(yè)生產(chǎn)冷態(tài)開車、正常運(yùn)行、正常停車、常見事故處理等培訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。通過(guò)對(duì)單元操作及化工生產(chǎn)的仿真學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)仿真有較為深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)化工操作的概念從工程觀念上有一個(gè)突破式的了解和認(rèn)識(shí)。

(3) 實(shí)現(xiàn)消耗大，污染重實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的訓(xùn)練。礦物分離與濕法冶金過(guò)程大量需要水資源，有機(jī)溶劑，消耗大，污染重。但是，作為人才培養(yǎng)的基本環(huán)節(jié)，僅僅靠工廠見習(xí)是難以達(dá)到人才培養(yǎng)效果的。中心采取了虛實(shí)結(jié)合，互為補(bǔ)充的方法開設(shè)這部分實(shí)驗(yàn)。小批量實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本反應(yīng)現(xiàn)象和反應(yīng)過(guò)程的直觀認(rèn)識(shí)，放大實(shí)驗(yàn)和工廠實(shí)驗(yàn)則進(jìn)行虛擬仿真，部分項(xiàng)目還設(shè)計(jì)了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的，可操作仿真實(shí)驗(yàn)。在能實(shí)不需的原則下，解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)了人才培養(yǎng)目標(biāo)。

(4) 解決能耗高、成本大、危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。高溫冶金、真空冶金、特殊合金材料、粉末冶金材料的制備都屬于高能耗，高危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。其中，不少教學(xué)內(nèi)容可以促進(jìn)國(guó)防技術(shù)，節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。中心通過(guò)3D設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生通過(guò)虛擬操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫過(guò)程的學(xué)習(xí)了解，進(jìn)而掌握高溫過(guò)程有色金屬冶煉和材料制備的相關(guān)原理和技術(shù)，配合實(shí)際教學(xué)過(guò)程達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能

中南大學(xué)礦冶工程化學(xué)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目都是立足于中南大學(xué)人才培養(yǎng)的客觀需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)都按照于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，并以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。在已建成的部分大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，按照網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點(diǎn)，建立的各種教學(xué)互動(dòng)界面。具有信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動(dòng)交流、成績(jī)?cè)u(píng)定、成果展示等功能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)和內(nèi)容的不同實(shí)現(xiàn)了以下平臺(tái)功能：

(1) 人機(jī)交互，數(shù)據(jù)庫(kù)，3D技術(shù)，多媒體和網(wǎng)絡(luò)化多種技術(shù)手段結(jié)合。礦冶材料類學(xué)科研究對(duì)象復(fù)雜。為解決這些復(fù)雜體系的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，教師和信息技術(shù)人員運(yùn)用了多種信息技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。例如，儀器仿真實(shí)驗(yàn)比較注重3D動(dòng)畫設(shè)計(jì)，人機(jī)界面交互操作，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核監(jiān)控等功能；化工冶金過(guò)程和礦業(yè)過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)注重，真實(shí)場(chǎng)景模擬，虛擬現(xiàn)實(shí)。有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如“電解鋁生產(chǎn)過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)”還可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的支撐，使學(xué)生能在虛擬現(xiàn)實(shí)條件下，考察各種條件對(duì)電解效率的影響。為支撐這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開出，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)給予了大力支持，目前所有項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)與管理。

(2) 3D設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器和場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系列分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如：發(fā)射光譜儀、ICP等離子體光譜儀、原子吸收光度計(jì)、氣相色譜分析儀、液相色譜分析儀、氣-質(zhì)聯(lián)用分析儀、毛細(xì)管電泳儀、元素分析儀、電化學(xué)分析儀等實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)“儀器”進(jìn)行交互式的3D仿真操作。學(xué)生可以虛擬連接，調(diào)試儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得到相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

化工原理系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)單元操作仿真、化工生產(chǎn)流程仿真和化工分散控制系統(tǒng)(DCS)仿真等功能，系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)室單元操作設(shè)備和工業(yè)中央主控室中的操作界面，提供標(biāo)準(zhǔn)仿真控制系統(tǒng)界面，可以進(jìn)行化工原理實(shí)驗(yàn)仿真模擬、工業(yè)生產(chǎn)冷態(tài)開車、正常運(yùn)行、正常停車、常見事故處理等培訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。

(3) 模擬實(shí)際設(shè)備與操作過(guò)程。針對(duì)礦物分離與濕法冶金過(guò)程，中心聯(lián)合礦物資源加工與生物工程學(xué)院開發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。購(gòu)置模型容器，設(shè)計(jì)傳感線路，開發(fā)了浸出流程模擬設(shè)備?，F(xiàn)階段開出了氧化鋅礦的氨法浸出過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)。

(4) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)行網(wǎng)絡(luò)化管理。經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，多數(shù)虛擬仿真實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理。① 考核功能，通過(guò)服務(wù)器后臺(tái)實(shí)現(xiàn)題庫(kù)調(diào)用，配合仿真操作，方便對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核；② 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)功能， 配備有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理，圖表生成，實(shí)驗(yàn)報(bào)告，思考題以及可擴(kuò)展試題庫(kù)等內(nèi)容；③ 交流平臺(tái)功能，學(xué)生通過(guò)留言板在網(wǎng)上與教師交流，也可在學(xué)生間進(jìn)行討論；④ 注冊(cè)保密功能，保護(hù)學(xué)校的教學(xué)資源和知識(shí)產(chǎn)權(quán)以及用戶信息；⑤ 后臺(tái)管理功能，可以讓非系統(tǒng)開發(fā)人員也能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)；⑥ 擴(kuò)展功能，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以嵌入新儀器的仿真軟件，對(duì)試題庫(kù)等進(jìn)行擴(kuò)充。

通過(guò)上述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與實(shí)踐，特別是在全流程仿真學(xué)習(xí)過(guò)程中，使學(xué)生通過(guò)觀察、聯(lián)想、識(shí)別，從感性到理性，從直觀到思維，把握化學(xué)和化工過(guò)程控制的屬性及其聯(lián)系，了解和掌握有色金屬資源和材料加工過(guò)程，進(jìn)行系統(tǒng)化學(xué)習(xí)。切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐與過(guò)程分析能力。同時(shí)，可將仿真教學(xué)與真實(shí)的工廠實(shí)習(xí)、模擬裝置的實(shí)際操作結(jié)合在一起，提高實(shí)踐教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的崗位操作能力，取代認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的教學(xué)環(huán)節(jié)。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，礦業(yè)工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心立足于礦業(yè)材料類工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)的要求，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)納入化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和礦業(yè)工程化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系，構(gòu)筑了3個(gè)平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，形成了我校礦業(yè)工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)課程互為補(bǔ)充共同促進(jìn)了我校礦業(yè)材料類學(xué)科人才培養(yǎng)。

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The Construction of Experimental Teaching System of Virtual Simulation Experimental Teaching Center

CHENGuo-hui,LIUYou-cai,LIUShi-jun，HANXiang-ling,MANRen-lin,ZHONGHong

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Virtual simulation experimental teaching can imitate the experiment process of mining and metallurgical engineering chemistry which cannot be exhibited in the laboratory. Based on subject characteristics, Mining and Metallurgical Engineering Chemistry Virtual Simulation Experimental Teaching Center in CSU works to bring virtual simulation experiments subjects into industrial chemistry and chemical engineering courses and mining and metallurgical engineering chemistry courses. Three virtual simulation teaching platforms which are basic industrial chemistry virtual simulation experiments, separation of minerals and hydrometallurgical virtual simulation experiment, high temperature metallurgical and energy saving virtual simulation experiments are designed and constructed, respectively. Together with real experiments, a integrated experimental teaching system is formed.

virtual simulation; experimental teaching； mining and metallurgical engineering chemistry； virtual simulation experiments

2014-10-15

陳國(guó)輝(1969-)，男，湖南耒陽(yáng)人，博士，國(guó)家級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及國(guó)家級(jí)礦業(yè)工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副主任，主要從事有機(jī)化學(xué)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理工作。

Tel.: 0731-88879616; E-mail: gh-ch@163.com

劉有才(1970-)，男，湖南益陽(yáng)人，博士，研究員，化學(xué)化工學(xué)院副院長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)槎钨Y源的開發(fā)和利用、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理研究等。Tel.: 0731-88836053; E-mail: liuyoucai@126.com

TP 391.9

A

1006-7167(2015)08-0169-04