曹高 申東升 周臻

摘 要：隨著教育信息化的迅速發(fā)展，仿真模擬實驗以其新穎獨特的教學(xué)形式及相對于傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)勢，越來越受到各級教育行政部門和高校的重視。文章以廣東藥科大學(xué)為例，闡述了醫(yī)藥化工省級實驗教學(xué)示范中心在化學(xué)化工相關(guān)專業(yè)中開展仿真模擬實驗教學(xué)的經(jīng)驗。通過仿真模擬實驗教學(xué)項目的建設(shè)與應(yīng)用，進一步豐富了示范中心的教學(xué)資源，對實驗教學(xué)質(zhì)量的提高和實踐教學(xué)改革的深化都將產(chǎn)生積極的影響。

關(guān)鍵詞：仿真模擬實驗；實驗教學(xué)；化學(xué)化工

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）03-0038-04

隨著計算機信息技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真模擬技術(shù)受到了前所未有的重視，已經(jīng)成為繼理論研究、實驗研究之后的第三大認(rèn)知世界和科學(xué)研究的方式[1]。為落實國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的要求，仿真模擬技術(shù)在科學(xué)研究及教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用正逐步深入。教育部近年來加強了對實驗教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo)，先后出臺了強有力的政策和措施：2012年3月，教育部印發(fā)了“教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）”；2013年3月，教育部出臺了“教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見”；同年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)工作[2]；2016年2月，教育部辦公廳印發(fā)了“2016年教育信息化工作要點”，試點開展優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗項目資源庫的建設(shè)；2016年6月，教育部又下發(fā)了“教育信息化十三五規(guī)劃”，進一步確定了教育信息化的目標(biāo)任務(wù)。各省市在2017年開始的“新工科”建設(shè)行動路線中，也越來越重視仿真模擬等創(chuàng)新工程實踐教學(xué)方式，不斷完善新工科人才“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”教育體系。

在我國高等教育規(guī)模不斷擴大的同時，高等學(xué)校需不斷推進各類實驗室的建設(shè)和升級改造，但傳統(tǒng)真實實驗室建設(shè)成本高，實驗設(shè)備和教學(xué)環(huán)境需要持續(xù)的經(jīng)費和人力投入進行維護，這給部分高校的財政及師資帶來不小的壓力，同時也難以保證實驗教學(xué)的效果；另一方面，傳統(tǒng)真實實驗教學(xué)模式存在一定的單一性、被動性等缺點，不利于新時期下學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。而仿真模擬實驗教學(xué)是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有益補充，它能夠優(yōu)化實驗教學(xué)資源，營造多樣化的教學(xué)環(huán)境，增強實驗教學(xué)的互動性，能有效克服真實環(huán)境中的諸多限制，營造更加安全的實驗教學(xué)氛圍，并能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，對實驗教學(xué)質(zhì)量的提高及應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)都具有積極的意義。

2015年10月，教育部、國家發(fā)展改革委、財政部聯(lián)合下發(fā)了“關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見”，明確提出要加強應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。仿真模擬實驗教學(xué)的開展正是順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的現(xiàn)實需要。化學(xué)化工所涵蓋的專業(yè)如應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、高分子材料與工程等都是典型的工科專業(yè)，也是典型的技術(shù)型、應(yīng)用型專業(yè)，其對實驗及實踐教學(xué)的質(zhì)量提出了更高的要求。廣東藥科大學(xué)醫(yī)藥化工學(xué)院抓住醫(yī)藥化工省級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的機遇，在上述專業(yè)的實驗、實踐教學(xué)中，引入仿真模擬實驗教學(xué)項目，積極培養(yǎng)學(xué)生的信息化能力和工程素養(yǎng)，為同類院校開展仿真模擬實驗教學(xué)提供一定的參考。

一、仿真模擬實驗教學(xué)的探索

（一）CSD數(shù)據(jù)庫及晶體結(jié)構(gòu)軟件在立體化學(xué)分子搭建與模擬實驗教學(xué)中的應(yīng)用

在化學(xué)化工專業(yè)必修科目“有機化學(xué)”課程中，分子的對映異構(gòu)、構(gòu)象異構(gòu)和構(gòu)型異構(gòu)等立體異構(gòu)的內(nèi)容，是教學(xué)過程中的重點和難點。在傳統(tǒng)的有機化學(xué)實驗教學(xué)中，安排了有機化合物分子模型搭建這一實驗，其目的就是通過搭建有機分子的球棍模型，加深對分子立體結(jié)構(gòu)的理解。這一實驗通常是分發(fā)球棍模型在課后完成。但在實際的教學(xué)過程中，學(xué)生的積極性不高，教學(xué)效果欠佳，很多學(xué)生學(xué)完后對相關(guān)的概念仍是模糊不清。國外已有一些高校開展了一些分子水平上的仿真模擬實驗[4-5]，我們對這一實驗項目進行虛擬化改革，嘗試應(yīng)用英國劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫CSD（Cambridge Structural Database）及相關(guān)的免費三維可視化軟件Mercury、Encif于立體化學(xué)關(guān)于構(gòu)型、構(gòu)象、手性等概念的教學(xué)中[6]。CSD數(shù)據(jù)庫是劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心建立的基于X光和中子衍射實驗的小分子及金屬有機分子的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫自1965年建立以來，到現(xiàn)在已經(jīng)收錄超過了80萬個分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。我們在龐大的CSD數(shù)據(jù)庫中檢索到有關(guān)雙鍵、環(huán)狀化合物的順反異構(gòu)、手性中心R/S對映異構(gòu)、船式、椅式構(gòu)型等的典型實例，并結(jié)合使用相關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)軟件，可清楚地了解有機化合物分子中各原子的三維空間伸展情況，增加了立體化學(xué)教學(xué)的直觀性。

在實驗教學(xué)過程中，醫(yī)藥化工省級實驗教學(xué)示范中心一直強調(diào)要盡可能結(jié)合研究前沿的新內(nèi)容和新成果。在上述基礎(chǔ)上，我們從CSD數(shù)據(jù)庫中，又系統(tǒng)總結(jié)出含氮、磷的手性雜原子、軸手性、平面手性、螺旋手性、超分子手性等最新的一些不含手性碳原子的手性化合物及其絕對構(gòu)型[7-8]，并同樣地應(yīng)用到立體化學(xué)的虛擬實驗教學(xué)中，極大地加深了學(xué)生對手性概念的認(rèn)識和理解。相對于機械化地搭建分子球棍模型，此類型的虛擬實驗教學(xué)更能吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對相關(guān)專業(yè)知識的理解更加深刻。

（二）ChemOffice在桌面化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)化工專業(yè)的學(xué)生，在很多課程的學(xué)習(xí)及完成本科畢業(yè)論文的過程中，都會涉及分子式、反應(yīng)式、反應(yīng)裝置圖等的繪制。然而在實際教學(xué)過程中，卻沒有針對這一方面對學(xué)生進行專門的訓(xùn)練，因而導(dǎo)致了相關(guān)的課程作業(yè)及畢業(yè)論文中，各類分子式、反應(yīng)式書寫極不規(guī)范，學(xué)生沒能掌握必要的專業(yè)技能等問題。因此，我們利用省級實驗教學(xué)示范中心完備的多媒體及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的有利條件，在“有機化學(xué)”課程的實驗教學(xué)中專門開設(shè)了ChemOffice的應(yīng)用這一實驗項目。

ChemOffice是美國劍橋公司出版的化學(xué)分析桌面套件，軟件包括ChemBioDraw、ChemBio 3D、ChemFinder、ChemBioDraw for Excel等模塊。其中的ChemBioDraw主要用于化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖，ChemBio 3D可在分子水平上模擬和分析分子的立體構(gòu)象，可用于設(shè)計化學(xué)模型，進行動力學(xué)模擬、化合物構(gòu)象分析和過渡態(tài)能量最優(yōu)化等。

在該項目的實驗教學(xué)中，我們與學(xué)生詳細介紹繪制普通結(jié)構(gòu)式、反應(yīng)中間體、復(fù)雜環(huán)結(jié)構(gòu)、Fischer投影式、Newman投影式、透視圖、立體化學(xué)結(jié)構(gòu)式及反應(yīng)式等的步驟和方法，講解ChemBioDraw的擴展功能，例如繪制薄層色譜圖、反應(yīng)裝置圖、顯示分析信息及物理性質(zhì)、預(yù)測NMR譜、結(jié)構(gòu)式和命名互相轉(zhuǎn)換以及其與Word和ChemBio 3D的關(guān)聯(lián)等，然后在實驗課堂中布置繪制簡單分子式、官能團結(jié)構(gòu)式、反應(yīng)式和試驗裝置圖等練習(xí)，在課后繪制復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)式，化合物名稱與結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)化，3D圖形繪制，波譜解析，鍵長、鍵角、二面角、分子間距離、分子所在空間的計算等拓展練習(xí)。借助于ChemOffice仿真模擬實驗項目的教學(xué)實踐，使學(xué)生更好地掌握化學(xué)化工的專業(yè)知識與專業(yè)工具，實現(xiàn)了專業(yè)軟件與化學(xué)化工專業(yè)課程的相互融合。從實際的教學(xué)效果來看，ChemOffice桌面化學(xué)軟件的應(yīng)用無論是對教師的課堂教學(xué)，還是對學(xué)生的課程學(xué)習(xí)、論文寫作以及科研參與，均能起到良好的效果。

（三）Origin軟件在化學(xué)化工實驗數(shù)據(jù)及圖表處理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

在化學(xué)化工相關(guān)的課程實驗，如“物理化學(xué)”“化工原理”，以及完成本科畢業(yè)論文過程中，經(jīng)常要處理批量的實驗數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進行整理和分析，然后用表格或圖形來表達，用以對實驗現(xiàn)象進行說明并做出科學(xué)的結(jié)論?，F(xiàn)今大量的實驗數(shù)據(jù)和圖形都可以通過計算機軟件如Excel＼Matlab＼Spss＼Origin等進行分析和處理，這已經(jīng)成為當(dāng)代大學(xué)生必須掌握的知識和技能。但現(xiàn)行大多數(shù)培養(yǎng)方案的計算機課程中，對這一方面很少涉及。同時在實際的教學(xué)中我們也發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生在進行化學(xué)實驗后，不會應(yīng)用計算機軟件處理實驗數(shù)據(jù)、繪制結(jié)果圖等。因此，我們在學(xué)生專業(yè)實驗及生產(chǎn)實習(xí)開始前，利用實驗教學(xué)示范中心的平臺，在三個化學(xué)化工相關(guān)專業(yè)中統(tǒng)一開設(shè)了Origin軟件在實驗數(shù)據(jù)及圖表處理中的實驗教學(xué)項目。

Origin是美國OriginLab公司開發(fā)的數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。該軟件的功能主要有數(shù)據(jù)分析和圖表繪制兩個方面。我們開設(shè)的Origin數(shù)據(jù)分析與處理實驗課程，第一課對軟件的基本界面、數(shù)據(jù)輸入和導(dǎo)入、二維圖形繪制做出詳細的說明，其中二維圖形的繪制是教學(xué)的重點，對簡單圖形繪制、添加誤差棒、文件及圖的保存、圖形觀察和數(shù)據(jù)讀取、多層圖形繪制都進行了詳細的解釋。第二課主要與學(xué)生講解函數(shù)擬合，包括Fitting 菜單工具擬合、非線性曲線和曲面擬合、自定義函數(shù)擬合以及擬合結(jié)果分析等教學(xué)內(nèi)容。

通過這一實驗項目的教學(xué)，不但能提高學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的分析處理能力，而且能深化學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的理解，同時也提高了學(xué)生完成真實實驗的興趣。另一方面，提高學(xué)生的計算機應(yīng)用水平，尤其是提高學(xué)生專業(yè)軟件的應(yīng)用水平，也是實驗教學(xué)的一個重要內(nèi)容和目標(biāo)，這樣能使學(xué)生較早地接觸到專業(yè)的科研工具，培養(yǎng)其初步的科研興趣及創(chuàng)新能力。

（四）AutoCAD/PIDCAD/AutoCAD Plant3D在化工工程設(shè)計實驗教學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)工程與工藝、高分子材料與工程、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)都屬于工科專業(yè)，在這些專業(yè)的培養(yǎng)方案中，有一門基礎(chǔ)必修課程“工程制圖”常常因為師資等原因被一些地方非綜合性普通院校所忽視。實際上，在高等工科課程中，制圖是一門重要的基礎(chǔ)必修課。該課程主要培養(yǎng)學(xué)生繪制和閱讀工程圖樣的基本能力。近年來隨著計算機多媒體技術(shù)的發(fā)展，計算機繪圖已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的手工繪圖。我們在三個專業(yè)的工程制圖課程中，均開設(shè)了18個學(xué)時的上機實驗項目。AutoCAD是美國Autodesk公司設(shè)計的計算機輔助設(shè)計軟件，主要用于二維工程制圖和基本三維設(shè)計，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為使用的工程制圖軟件。在化學(xué)工程與工藝專業(yè)的專業(yè)課程“化工制圖”中，同樣開設(shè)了18個學(xué)時的上機實驗課程。在使用AutoCAD軟件的基礎(chǔ)上，我們引入了PIDCAD及AutoCAD Plant 3D的教學(xué)。PIDCAD是專為工程技術(shù)設(shè)計人員及高等院校師生設(shè)計的，用于化工工程設(shè)計、管道和儀表、工藝物料流程圖繪制的工具軟件。其多達600多項的功能，如在圖上添加設(shè)備、儀表、閥門、管件，以及添加管線、標(biāo)示管線號、管內(nèi)介質(zhì)流向等，都非常簡便快捷。而AutoCAD Plant 3D實驗教學(xué)的引入，使學(xué)生掌握了一定的三維繪圖的基礎(chǔ)。通過這些實驗項目的教學(xué)，學(xué)生除了掌握基本的制圖技能以外，還能較早地接觸工程思想，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，且對后續(xù)的“化工機械基礎(chǔ)”“化工設(shè)計”等課程都打下了堅實的基礎(chǔ)。

（五）Aspen Plus/PRO II的化工流程模擬與仿真實驗教學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)化工學(xué)科是應(yīng)用性、實踐性很強的學(xué)科，尤其是化工專業(yè)，與實際應(yīng)用的結(jié)合比其他學(xué)科更加密切，因此化工專業(yè)的實踐教學(xué)至關(guān)重要[9]。一方面，為了提高實踐教學(xué)的質(zhì)量，醫(yī)藥化工省級實驗教學(xué)示范中心已經(jīng)投資了近150萬元，建設(shè)了化工原理及化工專業(yè)實驗室，購置了機械能轉(zhuǎn)化、板式塔流體力學(xué)、雷諾演示實驗裝置，空氣—蒸汽給熱系數(shù)測定、篩板精餾塔、填料吸收塔、洞道干燥、流體力學(xué)綜合實驗裝置等多套化工專業(yè)實驗設(shè)備。這些實驗室的工藝設(shè)備龐大，資金投入大，利用率卻較低。

另一方面，化工實驗成本高，耗時較長等特點使得實驗室僅能開設(shè)一些小型的、簡單的驗證性實驗，這對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決工程實際問題的能力作用有限。利用信息化的仿真模擬教學(xué)手段把真實的化學(xué)工業(yè)過程展現(xiàn)給學(xué)生，能夠體現(xiàn)仿真模擬過程的先進性和優(yōu)越性，也能由淺入深，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其綜合分析解決問題的能力。隨著實驗教學(xué)示范中心網(wǎng)絡(luò)機房的建設(shè)以及電腦在學(xué)生中普及率的提高，為使用模擬軟件進行輔助教學(xué)提供了條件。我們嘗試將Aspen Plus、PRO II等化工專業(yè)模擬軟件有目的、有步驟地引入到化工專業(yè)實踐課程的教學(xué)中。

Aspen Plus是化工行業(yè)公認(rèn)的通用化工流程模擬軟件，它提供了全面的單元操作模塊，包括反應(yīng)器、分離操作單元、換熱器等；同時它還提供了大量的物性數(shù)據(jù)，模型/流程分析功能、工程設(shè)計能力等。PROII軟件是由SIMSCI公司開發(fā)的大型流程模擬軟件，該軟件用數(shù)學(xué)模型對各個操作單元以及整個工藝流程進行描述和模擬，是一種可以將全流程視為一個整體的綜合性計算模擬軟件，它包含了巨大的化學(xué)組分庫和熱力學(xué)方法。因此，它在化學(xué)、石油、天然氣，合成燃料工業(yè)方面可提供復(fù)雜可靠的模擬功能。我們通過單元模型操作、過程系統(tǒng)模擬和化工廠設(shè)計3個階段的訓(xùn)練，將這類仿真模擬軟件引入化工專業(yè)核心課程“化工原理”“化學(xué)反應(yīng)工程”“化工熱力學(xué)”等的教學(xué)中，強化了化工專業(yè)核心課程體系的建設(shè)，可以使學(xué)生理論聯(lián)系實際，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生動手解決工程實際問題的能力，還培養(yǎng)了學(xué)生使用計算機進行科學(xué)研究的技能，為日后從事實際的工程設(shè)計工作打下良好的基礎(chǔ)。作為此類仿真模擬實驗教學(xué)的成果，在近年舉行的一些設(shè)計大賽如“全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽”中，我院化工專業(yè)的學(xué)生都取得了優(yōu)異的成績。