龍華麗，劉建文，曾 嶸，王治國，楊世芳

(湖北大學 化學化工學院，湖北 武漢 430062)

化學工程與工藝專業(yè)作為工程類專業(yè)，培養(yǎng)的學生不但需要具備深厚的理論知識和很強的動手能力，而且需要解決實際問題的能力。針對目前實踐教學環(huán)節(jié)中存在的問題，高教司于2013年發(fā)布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，指出虛擬仿真教學中心是實驗教學示范中心的重要組成部分，是實驗教學示范中心建設的延伸[1]。

針對我?；I(yè)的實際情況，比如化工原理實驗、化學反應工程實驗等專業(yè)實驗，所使用的儀器都是大型成套裝置(如反應精餾，萃取精餾及液相反應動力學等)，設備比較昂貴，占用空間也比較大。受限于實驗室經費及場地，一般實驗都是2人一組，部分同學就只是"參觀"了實驗過程，實際操作較少，而且在得不到理想的實驗結果后也難以重復實驗，大大降低了實驗效果。如果在實際實驗之前采用相應的實驗仿真軟件進行模擬操作正好可以彌補其不足。仿真模擬軟件利用動態(tài)數(shù)學模型實時模擬真實實驗現(xiàn)象和過程，每位學生都能在仿真軟件中親自動手，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)，驗證實驗原理。

對于實踐環(huán)節(jié)中比較重要的實習，虛擬仿真裝置能逼真地模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故狀態(tài)。學生采用虛擬仿真軟，再現(xiàn)了一個能夠親手操作的虛擬仿真平臺，使化工專業(yè)的學生在進入工廠之前先有一個感性認識和理解，鍛煉學生的動手能力，將學習的理論知識運用于實踐當中，進一步鞏固、深化已經學過的理論知識[2-3]。

結合我校化工專業(yè)的具體情況，建立虛擬仿真實驗室，加強化工專業(yè)建設，十分必要。在化工虛擬仿真實驗室的建設過程中，構建了化工虛擬仿真實驗教學體系，完善實驗教學資源，完善教學方法及評價體系，具有較好的教學成效。

1 構建“多層次一體化”化工虛擬仿真實驗教學體系

我?；ぬ摂M仿真實驗室建設依托我?；瘜W與生物學工程技術國家級實驗教學中心、湖北大學-湖北興發(fā)化工集團股份有限公司國家級理科實踐教育基地及化學化工的學科優(yōu)勢建立。根據(jù)化工專業(yè)人才培養(yǎng)方案對學生知識結構和能力培養(yǎng)的要求，針對高成本、高危險、高毒性、高消耗性的實驗建立虛擬仿真實驗，構建了從基礎實驗、專業(yè)實驗、仿真實習實訓“多層次一體化”虛擬仿真教學體系，如圖1所示。

根據(jù)化工虛擬仿真"多層次一體化"教學體系，遵循"虛實結合、相互補充、能實不虛"的原則建設虛擬仿真實驗項目。基礎化學仿真實驗中，選取部分比較危險和毒性較大的實驗，作為對真實實驗的補充。

大型儀器分析儀器數(shù)量有限，價格昂貴，配件容易損傷，維修費用和日常操作費用較高。在實際實驗中，受制于以上因素，很難做到在短時間內每個學生都能學會自己動手操作。結合現(xiàn)有的大型分析儀器，采用虛擬現(xiàn)實技術，開發(fā)核磁共振、X射線衍射儀、冷場發(fā)射掃描電鏡等一些較精密的分析儀器仿真軟件。采用3D建模，真實仿真實驗室場景、儀器操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，并以真實的實驗數(shù)據(jù)庫作為支撐，仿真操作過程與真實儀器操作過程極其相似，仿真結果與真實結果非常接近。在教學使用中，虛實結合，學生先進行大型儀器的虛擬實驗，熟悉實驗原理，操作過程，數(shù)據(jù)分析，使學生對于相關儀器設備有了感性認識。在實際儀器分析實驗中，進行現(xiàn)場觀摩及實際操作，加深對現(xiàn)代分析儀器的原理、用途和操作規(guī)范的體會。化工原理虛擬仿真實驗項目以我?，F(xiàn)有的化工流體過程綜合實驗、傳熱綜合實驗、恒壓過濾常數(shù)測定實驗、連續(xù)精餾實驗、二氧化碳吸收實驗、萃取實驗等項目為原型，通過3D虛擬現(xiàn)實技術，完整再現(xiàn)了化工原理實驗項目操作過程及效果。操作畫面具有很強的環(huán)境真實感，能產生和真實實驗一致的實驗現(xiàn)象和結果。學生通過預習，了解實驗原理、裝置原理、操作要點，然后通過虛擬仿真操作，自己動手做實驗，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗結果，處理實驗數(shù)據(jù)?；ぴ矸抡鎸嶒炓环矫婵梢宰鳛閷嶋H操作實驗的預習步驟，學生只有在正確完成仿真實驗后，才可以進入實驗室進行實際實驗的操作。在應用仿真實驗教學手段后，學生已經對自己將要進行的真實實驗很熟悉了，再進行真實實驗，學生發(fā)生實驗操作錯誤的比率降低。另一方面可以為某些受學時限制的專業(yè)安排一定的化工原理仿真實驗，豐富教學內容，加深學生對化工單元操作的認識。

圖1 化工虛擬仿真“多層次一體化”教學體系

化工單元操作仿真實訓，以實際的工業(yè)裝置為基礎，如離心泵，傳熱，間歇釜，催化劑萃取，液位控制，精餾塔，吸收解吸等，利用仿真軟件將復雜過程工業(yè)中的典型單元操作及流程，與工業(yè)自動化綜合控制一起在進行實時模擬。學生通過現(xiàn)場圖和DCS控制界面，可進行冷態(tài)開車，正常運行，停車以及故障的處理等操作。這些實驗項目可以讓學生體會工業(yè)現(xiàn)場的模擬操作，幫助學生理解工藝流程和控制系統(tǒng)，提高對工藝過程的控制原理的理解。

仿真實習實訓，有煤化工和石油化工仿真實訓項目。采用3D仿真系統(tǒng)對實際裝置的現(xiàn)場，做三維的虛擬現(xiàn)實模擬，提供現(xiàn)場高度逼真的操作環(huán)境。內操采用DCS軟件對中央控制系統(tǒng)進行模擬，模擬工廠中控室內的操作、數(shù)據(jù)監(jiān)測及報警內容，學生可以在DCS控制系統(tǒng)中進行開停車，參數(shù)調節(jié)及故障處理，實際操作滿足了實習實訓的要求。外操通過虛擬場景3D軟件中的人物漫游，執(zhí)行閥門開關、動力設備啟停、設備檢修等動作，還可以根據(jù)應急預案，進行人機互動演練。將實習與生產過程無縫對接，使抽象的理論教學與生產實踐教學相結合。

結合學校的辦學特點和學科建設，針對不同的專業(yè)編寫不同仿真實驗教學大綱，推動教學改革，為教學質量的穩(wěn)步提高創(chuàng)造有利條件。為了發(fā)揮化工虛擬仿真實驗室的最大效用，我院專門開設了《化工仿真》這門虛擬仿真實驗教學課程，編制了《化工仿真》課程教學大綱，并在實踐過程中不斷修正。

2 虛擬仿真實驗教學方法及手段

化工虛擬仿真是在學生具有一定的理論和實踐技能的基礎上，針對高危險、高毒性、高消耗性、大型或綜合訓練，通過仿真系統(tǒng)完成具有一定綜合性質的實訓項目。教學過程全部使用仿真實訓軟件，具有貼近真實生產操作系統(tǒng)的界面很強的交互性、重復性，在仿真系統(tǒng)上可反復操作，操作過程可實時跟蹤并由系統(tǒng)給出測評，學生可掌握實際生產中的多項應用技能，提高學生的動手能力。

目前我院《化工仿真》課程開設的訓練項目有：化工單元操作仿真，煤制甲醇、常減壓和合成氨仿真實訓。仿真實驗的教學過程有別于真實實驗，在教學方法上要靈活多變，使學生更全面、具體和深入地了解不同的生產裝置、流程及操作。

通過多次《化工仿真》的教學實踐，筆者發(fā)現(xiàn)大部分的學生剛接觸仿真實訓項目的時候被眾多繁雜的步驟嚇住，不知從何下手。通過實踐探索在教學過程中應該講練結合，教師演示與學生自我練習結合，同時指導教師要充分調動學生的積極性，以達到較好的教學效果。

以單元操作仿真中的吸收解析仿真為例，首先回顧吸收解析的基本概念及原理，洗油，富氣，貧氣，富液，貧液等。然后講解工藝流程，根據(jù)低溫有利于吸收，高溫有利于解吸，引導學生通過吸收解吸的現(xiàn)場圖和DCS控制界面，掌握工藝流程。吸收解析進行冷態(tài)開車操作，操作順序應該是先做好洗油的初期準備及冷循環(huán)，然后調控操作條件，待各工藝參數(shù)穩(wěn)定后，進原料氣，采出產品。指導老師可以演示部分操作，講解自動控制儀表的調節(jié)，然后學生對照軟件的操作步驟進行操作。學生在操作過程中，軟件會根據(jù)操作的步驟和質量給出評分，學生根據(jù)評分的高低不斷進行步驟比較，總結并找出失敗原因改進自己的操作，最終完成正確的操作。在自主學習和反復的練習中，讓學生體會工業(yè)現(xiàn)場的模擬操作，幫助學生理解工藝流程和控制系統(tǒng)，提高對工藝過程的控制原理的理解，提高學生工程理念及意識。

仿真實訓教學中，練習過程中的交流討論環(huán)節(jié)，對提高學生仿真實訓效果有很好的促進作用。學生的動手能力有差異，部分同學的理解領悟能力很好。以合成氨仿真實訓中的合成反應器的溫度控制為例，通過調節(jié)反應器各段的進氣流量以達到溫度調控要求，部分同學很快就操作正確，少部分同學總是掌握不了要領，通過同學間的經驗交流很快就得到啟發(fā)。

虛擬仿真實驗在教學過程中，除了采用多種教學方法外，同時采用多種現(xiàn)代化輔助手段。目前已建成湖北大學化學化工虛擬仿真實驗教中心門戶網(wǎng)站上，學生可以采用賬戶登錄網(wǎng)站，利用網(wǎng)絡資源進行預習，也可以利用網(wǎng)絡資源繼續(xù)完成課堂上機沒有掌握的內容，鞏固學習。

3 虛擬仿真實驗教學考核評定標準

學生在實驗過程中能否發(fā)揮主體性，與實驗成績的評定辦法密切相關。如何客觀公正的評價學生的專業(yè)實驗成績，將直接影響到學生學習的積極性，對學生的學習方法和學習態(tài)度將起到重要的導向作用[4]?！痘し抡妗穼嵙暱己瞬捎镁C合評分制。每個學生的仿真實習總成績由平時成績和考試成績組成。

平時成績主要考核學生每次仿真實習出勤、紀律和學生實際模擬操作等方面的表現(xiàn)。每次模擬操作結束，指導教師根據(jù)每一名學生在實驗中出勤、紀律及系統(tǒng)中記錄的操作掌握情況給出平時成績。

仿真實習全部結束時，指導教師將每一次的平時成績匯總平均，平時成績在總成績中所占比例40%。在仿真實習結束階段，教師隨機選取仿真實習期間練習的項目，對學生的掌握情況進行閉卷考核，屏蔽軟件的步驟提示，在規(guī)定的時間內，軟件對學生的操作會自動評分，為仿真實驗的考試成績，考試成績在總成績中所占比例60%。

指導教師將平時成績和考試成績加和給出學生的仿真實習考核總成績。這樣的實驗教學考核方式，不唯最后的考試論，結合的學生平時的表現(xiàn)。同時也給同學一定的壓力，平時的練習需要認真對待，否則最后的閉卷考試很難以過關，既關注仿真實習過程，也重視仿真實習最后的結果。

4 虛擬仿真實驗教學成效

虛擬仿真實驗顯著提高學生的積極性。目前的教學資源涵蓋基礎實驗、專業(yè)實驗、實習實訓項目，能滿足不同專業(yè)不同層次的教學需求。3D虛擬現(xiàn)實提供具有真實沉浸感與交互性的虛擬環(huán)境，師生可通過人機交互設備和場景里所有物件進行交互，像游戲一樣的體驗的，更增加了學生的興趣。這些資源以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為核心，通過網(wǎng)絡共享平臺，學生根據(jù)自己的時間，自行模擬練習，學生的積極性得到顯著提高。

虛擬仿真實驗極大的提高學生的實踐能力。通過仿真實驗的模擬訓練，學生對實驗原理及操作過程已經了解清楚，在自己做實驗，實驗的錯誤率明顯下降。3D仿真實訓系統(tǒng)提供具有真實沉浸感與交互性的虛擬環(huán)境，令學生全面深刻地體驗各級操作規(guī)程和裝置原理。將抽象的理論教學與生產實踐教學相結合，將實習與生產過程無縫對接。學生通過仿真實訓，對流程，工藝等有了詳細的了解，再到現(xiàn)場進行參觀實習，將仿真與現(xiàn)場結合起來，學生的實習效果明顯提高。

虛擬仿真實驗教學激發(fā)了學生的學習興趣，學生的積極性、創(chuàng)新和實踐能力明顯提高。學生的各種創(chuàng)新實踐活動多次獲得各種獎項，培養(yǎng)的學生綜合素質高，適應能力強，受到廣泛好評。

5 結束語

通過構建從基礎實驗、專業(yè)實驗、仿真實習實訓"多層次一體化"化工虛擬仿真教學體系，化工虛擬仿真實驗室目前已經成為培養(yǎng)寬基礎、重實驗、強應用的復合型人才的重要實踐基地，在培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合性工程訓練中發(fā)揮著越來越重要的作用，虛擬仿真實驗教學成效也得到廣泛認可。

[1] 唐向陽，馬驍飛，郭翠梨，等．建設高水平“化學化工虛擬仿真實驗教學中心”的思路與探索[J]．高等理科教育，2015(6)：102-106.

[2] 宋建爭，李建軍，張永強．化工虛擬仿真實驗教學探索與實踐[J]．教學研究，37(3):107-109.

[3] 田 軼，曹 榆．化學工程與工藝虛擬仿真綜合實訓中心建設與實踐[J]．實驗技術與管理，2015，32(7)：160-163.

[4] 佘啟明．應用型本科化工專業(yè)實驗教學改革探索，湖北科技學院學報，2013,33(8):174-175.