代偉 王芳芳 滕波濤 朱鋼國(guó)

[ 摘 要 ] 以浙江師范大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課為例，提出了運(yùn)用“虛實(shí)相輔、虛中帶實(shí)、可實(shí)不虛”的新型教學(xué)模式，為優(yōu)化應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓新性、實(shí)效性和多樣性以及提高“教—學(xué)”成效提供了新視野。

[ 關(guān)鍵詞 ] 實(shí)驗(yàn)教學(xué);應(yīng)用化學(xué)專業(yè);虛擬仿真

[ 中圖分類號(hào) ] G640 [ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ] A [ 文章編號(hào) ] 1005-4634（2018）03-0102-04

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中處于極其重要的地位。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的局限性已經(jīng)嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，使得教學(xué)質(zhì)量面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題[ 1，2 ]。如果能將虛擬仿真技術(shù)結(jié)合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，必將有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中教學(xué)形式單一、學(xué)生自主動(dòng)手操作能力差、學(xué)習(xí)效率低等問(wèn)題，產(chǎn)生重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范效應(yīng)。

1 “虛中有實(shí)”和“實(shí)中有虛”實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)思

遵循“虛實(shí)相輔、虛中帶實(shí)、可實(shí)不虛”的指導(dǎo)原則。“虛實(shí)結(jié)合”可以解決如下問(wèn)題。

1） 解決“想做而不能做”的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。例如，涉及到易燃易爆、高溫高壓類實(shí)驗(yàn)。

2） 解決 “能做不愿做”的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。例如，浙江師范大學(xué)開(kāi)設(shè)的化工原理實(shí)驗(yàn)中的篩板精餾塔，此實(shí)驗(yàn)在常壓操作狀態(tài)才能保證整個(gè)單元操作的正常性，因此需要塔頂設(shè)置常開(kāi)狀態(tài)的放空閥。在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)關(guān)閉放空閥加熱精餾塔就可以觀察到塔內(nèi)溫度持續(xù)增加甚至超過(guò)200 ℃，塔板也不會(huì)出現(xiàn)沸騰回流現(xiàn)象，并且塔內(nèi)蒸汽壓力越來(lái)越大，最終導(dǎo)致爆炸和設(shè)備報(bào)廢現(xiàn)象。以上實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)中是不允許執(zhí)行的。

3） 解決“只看不能做”的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。對(duì)于大型精密貴重的科研儀器及裝置，學(xué)生必須經(jīng)過(guò)系統(tǒng)培訓(xùn)才能操作儀器，這導(dǎo)致絕大多數(shù)學(xué)生“只看不能做”，學(xué)生視野難以得到拓展[ 3，4 ]。例如，浙江師范大學(xué)開(kāi)設(shè)的化工儀表及自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中的儀器使用部分必須先通過(guò)3D虛擬操作的考核，既能規(guī)范操作提高實(shí)驗(yàn)成功率，又能了解儀器原理和維護(hù)，能夠處理可能遇到的常見(jiàn)問(wèn)題。為了進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，讓計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)成為綜合實(shí)驗(yàn)的一部分，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)制作化學(xué)反應(yīng)計(jì)算與模擬實(shí)驗(yàn)，使同學(xué)們能夠通過(guò)計(jì)算化學(xué)方法更深刻地掌握相關(guān)知識(shí);通過(guò)虛擬仿真的形式，變枯燥為生動(dòng)，變抽象為具體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其有效地掌握一定的理論計(jì)算化學(xué)的知識(shí)，階梯式深入思考，強(qiáng)化思維創(chuàng)新訓(xùn)練，拓寬知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，增強(qiáng)應(yīng)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功效。

另外，“虛中有實(shí)”是教師提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的又一特征，實(shí)現(xiàn)了科研成果帶動(dòng)本科教學(xué)。實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，操作復(fù)雜，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)要求高，實(shí)驗(yàn)的成功率受到一定限制，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解也不夠充分。結(jié)合現(xiàn)有材料化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、操作過(guò)程、產(chǎn)品分析檢測(cè)等完整實(shí)驗(yàn)步驟的模擬，師生通過(guò)人機(jī)互動(dòng)強(qiáng)化訓(xùn)練，精通實(shí)驗(yàn)操作，大幅度提升真實(shí)實(shí)驗(yàn)成功率。模擬中對(duì)所使用儀器原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、處理、繪圖等，對(duì)學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、了解創(chuàng)新研究的意義很有幫助。 “虛—實(shí)”教學(xué)模式既可提高“教—學(xué)”效率，又可獲得直觀、真實(shí)和實(shí)用的效果，還能對(duì)不可視裝置的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設(shè)備作仿真實(shí)訓(xùn)。一方面可鍛煉學(xué)生操作、認(rèn)知和查檢的技能，另一方面可培養(yǎng)學(xué)生人機(jī)互動(dòng)，自由“教—學(xué)”的能力[ 5，6 ]。

2 “虛—實(shí)”組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型

浙江師范大學(xué)應(yīng)用化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建成于2016年，將“虛—實(shí)”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用于認(rèn)知實(shí)習(xí)、仿真工廠實(shí)習(xí)、化工原理仿真實(shí)驗(yàn)、化工儀表仿真實(shí)驗(yàn)等。學(xué)院構(gòu)建了由展示型、仿真模擬型、實(shí)訓(xùn)工廠型、化工設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新課題型等5層次“虛—實(shí)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（如圖1所示）。

2.1 展示型

展示型“教—學(xué)”是借助“化工原理實(shí)驗(yàn)”“化工儀表實(shí)驗(yàn)”“反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)”“基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”等多系列、多角度和多方位的仿真素材庫(kù)，以視頻、PPT、在線演示資料等展示真實(shí)教學(xué)過(guò)程。實(shí)施過(guò)程中，先通過(guò)虛擬仿真軟件深化理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，獲得優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，再通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作提升學(xué)生對(duì)儀器、工藝、原理和技術(shù)的認(rèn)知，提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力。

2.2 仿真模擬型

仿真模擬型利用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)化工單元設(shè)備中介觀微粒、氣泡、液滴以及微元進(jìn)行仿真，繪制出設(shè)備流場(chǎng)中的工藝參數(shù)的三維空間分布，優(yōu)化設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行流程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試、安全評(píng)價(jià)、事故訓(xùn)練等實(shí)踐訓(xùn)練，為化工過(guò)程的安全操作與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。例如，丙烯高溫氯化混合反應(yīng)器仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)高溫氯化法生產(chǎn)氯丙烯過(guò)程中存在的系統(tǒng)結(jié)焦嚴(yán)重、清焦周期過(guò)短、反應(yīng)收率低的問(wèn)題，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)，結(jié)合湍流結(jié)構(gòu)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，提出了流體多維變形擴(kuò)散過(guò)程以及湍流剪切拉伸耦合的多尺度混合機(jī)理模型。通過(guò)將該理論模型與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、流體力學(xué)輸運(yùn)模型相結(jié)合，形成了反應(yīng)器的整體仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。運(yùn)用該虛擬仿真平臺(tái)仿真模擬了丙烯高溫氯化混合反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、操作參數(shù)，獲得了濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等的數(shù)據(jù)分布（如圖2所示），并探究出了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征、操作條件和操作方法等對(duì)反應(yīng)的不利影響因素，最終提出了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造方案。

2.3 實(shí)訓(xùn)工廠型

實(shí)訓(xùn)工廠型以“丙烯酸甲酯半實(shí)物虛擬仿真工廠”為例：以平湖石化現(xiàn)有的丙烯酸甲酯生產(chǎn)工廠為模板，等比例縮小生產(chǎn)裝置，將此生產(chǎn)工藝設(shè)備安裝進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。采用真實(shí)工業(yè)閥門和儀表配合真實(shí)比例的仿真設(shè)備。裝置與丙烯酸甲酯3D仿真軟件完美融合，實(shí)現(xiàn)在線開(kāi)停車、事故處理等實(shí)訓(xùn)操作，極大地優(yōu)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。師生利用實(shí)體設(shè)備和計(jì)算機(jī)進(jìn)行DCS 控制風(fēng)格的仿真訓(xùn)練培訓(xùn)。學(xué)生可在局域網(wǎng)內(nèi)的學(xué)生工作站練習(xí)模擬工廠開(kāi)車、停車、正常運(yùn)行和各種事故現(xiàn)象處理。教師可在局域網(wǎng)互聯(lián)的教師站實(shí)時(shí)規(guī)定或修改學(xué)生的培訓(xùn)內(nèi)容、組織考試、學(xué)生成績(jī)等，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)學(xué)生無(wú)法親自動(dòng)手操作的不足。圖3為丙烯酸甲酯 DCS 控制界面。借助高效仿真系統(tǒng)中的工藝流程、設(shè)備、分析數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)互動(dòng)、交流，使師生在一種特殊的環(huán)境中產(chǎn)生了親臨真實(shí)企業(yè)的感受和體驗(yàn)（見(jiàn)圖4）。

2.4 化工設(shè)計(jì)型

設(shè)計(jì)型“教—學(xué)”要求學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的四大化學(xué)和化工相關(guān)專業(yè)知識(shí)，根據(jù)指定的設(shè)計(jì)任務(wù)完成化工原理課程設(shè)計(jì)、車間設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及課堂小設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。例如，在流體力學(xué)模擬仿真實(shí)驗(yàn)中，由于化工原料及產(chǎn)品大多數(shù)是流體，并且在化工設(shè)計(jì)過(guò)程中需要應(yīng)用流體流動(dòng)的基本原理，因此，流體流動(dòng)問(wèn)題顯得非常重要，具體表現(xiàn)如下：流體輸送過(guò)程中一般需要輸送設(shè)備，必須計(jì)算流體在流動(dòng)過(guò)程中應(yīng)加入的外加功，為選擇輸送設(shè)備提供依據(jù);合理選擇和安裝測(cè)量?jī)x表對(duì)管路或者設(shè)備內(nèi)的壓力、流速、流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程;化工傳熱和傳質(zhì)是在流體流動(dòng)的情況下進(jìn)行，并與設(shè)備的操作效率和流體的流動(dòng)狀況息息相關(guān)，這對(duì)設(shè)備選型設(shè)計(jì)具有重要意義。因此，通過(guò)流體力學(xué)虛擬仿真軟件（見(jiàn)圖5），便于學(xué)生深入學(xué)習(xí)流體輸送設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性，以便能根據(jù)輸送任務(wù)正確地選擇輸送設(shè)備的類型和規(guī)格，決定輸送機(jī)械在管路中的安裝位置，計(jì)算消耗功率，使輸送設(shè)備在高效率下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，再根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證（見(jiàn)圖6），使學(xué)生更好地掌握流體力學(xué)方面的知識(shí)。

2.5 創(chuàng)新課題型

針對(duì)學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生，教師可以通過(guò)創(chuàng)新課題型“教—學(xué)”提高其創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)自主創(chuàng)新，解決若干具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)科競(jìng)賽、國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、浙江省新苗人才計(jì)劃等實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新訓(xùn)練。例如，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，組成創(chuàng)新課題小組，完成了“基于 Aspen plus 軟件的環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝優(yōu)化計(jì)算”“平推流與全混流反應(yīng)器系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)”等項(xiàng)目;在題目為“針對(duì)某一含硫工業(yè)廢氣源設(shè)計(jì)一套深度脫硫并予以資源化利用的裝置”的2017年第十一屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)總決賽中，學(xué)院學(xué)生運(yùn)用“虛—實(shí)”組合技術(shù)的作品“年產(chǎn)3 500 t?；撬犴?xiàng)目”獲得了全國(guó)賽一等獎(jiǎng)的好成績(jī)。圖7是學(xué)生的ASPEN全廠工藝流程圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

強(qiáng)調(diào)“虛實(shí)相輔、虛中帶實(shí)、可實(shí)不虛”的新型培養(yǎng)模式，利用仿真軟件結(jié)合現(xiàn)實(shí)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)組合的教學(xué)手段，不僅能實(shí)現(xiàn)“教—學(xué)”的虛實(shí)對(duì)照，更能完美地實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一一對(duì)照和評(píng)定。對(duì)于簡(jiǎn)單或已開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真結(jié)果，加深知識(shí)點(diǎn)的掌握，做到“能實(shí)不虛”;而對(duì)于復(fù)雜或沒(méi)有開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，則利用逼真的虛擬仿真結(jié)果生動(dòng)地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，優(yōu)化整體教學(xué)內(nèi)容，讓師生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和虛擬仿真的相輔相成作用有更深刻的認(rèn)識(shí)。

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Application of "virtual-reality" combination teaching in experimental courses of applied chemistry major

Dai Wei，Wang Fang-fang，Teng Bo-tao，Zhu Gang-guo

（College of Chemistry and Life Sciences， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321004，China）

Abstract Taking the experimental courses in applied chemistry specialty of Zhejiang Normal University as an example， the paper proposes the application of the new educational model of "real complements with virtual， reality in virtual， real deprived of virtual"， providing a new perspective for the optimization of the innovation， effectiveness and diversity of the applied chemistry experimental teaching and meanwhile improves the teaching-learning effectiveness.

Keywords experimental teaching; applied chemistry; virtual simulation