杜靜，馬驍飛，趙溫濤,＊

1天津大學化學化工國家級實驗教學示范中心，天津 300072

2天津大學化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心，天津 300072

3天津大學理學院化學系，天津 300072

加壓氫化作為一種重要的技術(shù)與手段，在石油化工、精細化工、有機及藥物合成、材料科學等領域都有廣泛應用，制備過程涉及催化氫化的產(chǎn)品有幾千種。催化氫化具有反應收率高、原子經(jīng)濟性高、污染少等特點。隨著反應技術(shù)與方法的發(fā)展，加壓氫化已成為化學相關(guān)專業(yè)不可或缺的一種技術(shù)方法[1,2]。

氫化反應應用廣泛，但反應過程存在多種風險，如燃爆風險，氫氣爆炸極限是4%-75.6% (體積濃度)[3]，且氫氣比重小、易擴散、燃點低，遇火花、摩擦或雷電感應等都可能引發(fā)爆炸。并且氫化反應常需要在加壓條件下進行，需要使用特種設備，反應多為強放熱反應，溫度不易控制。另外反應中使用的部分金屬催化劑如Raney Ni等，極易在空氣中自燃[4]。這些因素很大程度上限制了氫化反應在日常實驗教學中的應用。

教育部《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》(教高廳[2017]4號)[5]和教育部《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》(教高函[2018]5號)[6]中提出以全面提高高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，目前，將虛擬仿真技術(shù)引入本科實驗實踐教學中，已成為教學改革的新趨勢[7-10]。

鑒于此，該實驗依托于天津大學化學化工國家級虛擬仿真實驗教學示范中心，以三位諾貝爾獎獲得者Paul Sabatier、Geoffrey Wilkinson、Ryōji Noyori (野依良治)的工作為基礎，選擇三類典型的催化劑(非均相金屬催化劑、均相催化劑、含手性配體催化劑)，建立虛擬仿真實驗模型。仿真操作加壓氫化裝置，培養(yǎng)學生基本動手能力；完成加壓氫化反應的參數(shù)設計，培養(yǎng)學生實驗設計能力；實現(xiàn)加壓氫化實驗條件優(yōu)化設計，培養(yǎng)學生自主研究能力，體會科學實驗中重大發(fā)現(xiàn)和研究成果的應用，促進學生知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維能力[11-13]。

1 實驗建設方案

加壓氫化反應是指在高壓釜內(nèi)使用催化劑，在特定的溫度和氫氣壓力下，對化合物進行催化加氫的反應。根據(jù)所使用的催化劑種類不同，適用底物不同，反應歷程也不同。

本實驗使用鎳、鉑、鈀等金屬作為非均相催化劑，在一定壓力下，金屬與氫氣反應，形成金屬-氫鍵(M―H)，隨后對烯烴進行加成反應。使用貴金屬的配合物作為催化劑時，配合物的中心原子釕、銠、鈀等可與氫經(jīng)過氧化加成反應，形成M―H鍵，并與配位后的烯烴發(fā)生遷移插入反應和還原消除反應，生成烯烴與氫的加成產(chǎn)物。在使用手性化合物作為配體時，通過影響烯烴的配位方向，提高最終加成產(chǎn)物的手性選擇性。

以上三種催化劑與不同時期三位諾貝爾獎獲得者的工作相關(guān)，且實驗操作過程基本相同。本實驗以三位諾貝爾獎獲得者Paul Sabatier、Geoffrey Wilkinson、Ryōji Noyori (野依良治)的工作為基礎，以三種典型的催化劑的催化反應為仿真對象，分別設計三個實驗：操作型仿真軟件實驗(催化氫化苯制備環(huán)己烷)、實驗設計型仿真實驗(催化氫化制備外消旋乙酰苯丙氨酸乙酯)、條件優(yōu)化型仿真實驗(催化氫化制備光學活性N-乙酰苯丙氨酸乙酯)，學生可以根據(jù)需要進行階段性學習。

項目實施過程中，采用Maya、MAX、ZBrush建模技術(shù)對物體進行3D精準建模，通過PhotoShop、Substance Painter和Mudbox等工具繪制3D模型貼圖。在Visual Studio中，通過C#編程語言編寫仿真交互程序并進行調(diào)試，通過C語言編寫仿真模型算法并進行調(diào)試。最終通過Unity引擎運行仿真交互程序并啟動仿真算法，對高壓釜的使用、危險氣體的操控、加壓氫化裝置的使用等進行 3D仿真操作。同時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，對均相催化反應建立數(shù)學仿真模型，便于學生在自主設定條件的情況下，給出相對真實的實驗結(jié)果，實現(xiàn)過程仿真與結(jié)果仿真。虛擬仿真實驗項目的整體仿真度接近90%。

加壓氫化反應的虛擬仿真實驗教學對象為應用化學專業(yè)大一學生，此時，他們即將進入大學化學實驗室進行學習，但是對化學實驗相關(guān)知識的認識僅限于高中的化學實驗課。通過加壓氫化反應的虛擬仿真實驗，使學生熟悉實驗室環(huán)境以及實驗室安全的相關(guān)要求，建立學生的實驗室安全意識。熟練使用高壓釜、通風櫥、恒溫水浴槽、氮氣鋼瓶、氫氣鋼瓶等裝置，熟悉并能夠熟練使用氣路裝置，培養(yǎng)學生基本動手能力、理論聯(lián)系實踐能力，體會諾貝爾獲得者的重大發(fā)現(xiàn)及相關(guān)研究成果的應用，培養(yǎng)學生人文素質(zhì)和創(chuàng)新意識。

如圖1所示，該實驗建設方案包括教學資源建設、教學流程建設、學習平臺建設、共享服務建設等，包含了整個實驗過程的前期、中期、后期，過程完整內(nèi)容豐富。

圖1 實驗建設方案

2 實驗建設

2.1 建立四個學習層次三種教學方法

在基本化學實驗中，一個實驗很難做到針對不同層次的學生進行開展，實驗難易程度以及實驗的內(nèi)容主要是根據(jù)學科的教學計劃，其主要針對大多數(shù)處于中等水平的學生進行開展，而對于學習能力較薄弱和學習能力較強的學生沒有針對性培養(yǎng)，為此，根據(jù)學生的需求與知識層次，如圖2所示構(gòu)建了四層次的仿真實驗內(nèi)容，即基本知識和單元仿真操作、實驗的仿真驗證、實驗設計、條件優(yōu)化。使實驗教學內(nèi)容由驗證理論向綜合應用、研究設計和創(chuàng)新開發(fā)延伸。

圖2 四個層次

在本仿真實驗體系內(nèi)，不同層次、不同類型的學生，可根據(jù)需要進行學習。在教學安排上，要求學生在完成一個層次的學習并達到要求后，才能夠進入到下一層次的學習。使學生能夠從易到難、從簡入繁，從簡單的知識學習到仿真的單元操作，從實驗設計到條件優(yōu)化。

如圖3所示，針對上述不同學習層次設置了不同的教學方法，基本知識和操作以及仿真驗證對應于“仿真操作，自主學習”，設計實驗對應于“指導設計，自主驗證”，研究型實驗對應于“任務驅(qū)動，自主研究”的教學方法，并通過實驗平臺開展多種形式的互動教學：生生互動、師生互動、師師互動。

圖3 三種教學方法

2.2 教學資源的建設

加壓氫化反應的虛擬仿真實驗依托于天津大學化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心以及天津大學化學化工國家級實驗教學示范中心，根據(jù)多年本科實驗教學經(jīng)驗，以及新時代對涉化類學生的要求，建立了該實驗的學習平臺如圖4所示，平臺資源主要包括：實驗簡介、理論知識、使用指南、仿真資源、討論反饋，仿真資源分為四個模塊，根據(jù)難易程度對應的模塊旁有星級標示，星級越高則說明該模塊難度系數(shù)越高，學生在做仿真實驗之前，需要完成對實驗原理的了解，以及軟件操作指南。

圖4 學習平臺頁面

如圖5所示軟件操作部分的學習主要有：軟件說明、安全知識、操作手冊、報告與成績、師生交流、成績排行榜、最新論文、評論等八個模塊，學生在開始實驗前需要從軟件平臺上學習實驗目的以及使用指南。在安全知識模塊學習使用滅火器、滅火毯以及氫氣的安全知識，通過操作手冊學習如何操作計算機按鍵來進行實驗。如圖6所示在實驗報告和成績模塊，學生可以在該模塊查看每一次實驗詳細的實驗步驟，每一步的得分情況，這是真實實驗所無法達到的。如圖7所示實驗報告由計算機根據(jù)實驗過程中學生具體的操作直接給出實驗步驟，實驗結(jié)果和結(jié)論由學生自己填寫。如圖8所示，實驗過程中得失分均在頁面頂端實時顯示。實驗過程中遇到的問題學生可以在師生交流模塊進行討論。網(wǎng)頁最下方是每次實驗前十名的排行榜，通過該排行榜可以激發(fā)學生的學習興趣，學習結(jié)束后學生可以在最新論文中查看加壓氫化技術(shù)的最新應用。

圖5 軟件學習界面

圖6 實驗數(shù)據(jù)

圖7 實驗報告

圖8 操作得失分示意圖

2.3 教學流程

學生可以通過手機或者電腦學習加壓氫化的基本原理以及基本安全知識，在學習平臺上自主完成實驗原理以及實驗操作步驟，也可采用面授的方式為學生更加詳細地講解相關(guān)理論知識。該實驗是一個漸進型實驗，必須完成的實驗為：基本單元操作以及操作型仿真實驗——催化氫化苯制備環(huán)己烷兩個模塊的學習，這兩個模塊要求學生能夠熟練掌握高壓釜拆卸、高壓釜的使用、氮氣置換以及氫氣置換，其中主要互動型操作型步驟分別見表1與表2。學生根據(jù)自身需求選擇后兩個實驗——實驗設計型仿真實驗“催化氫化制備外消旋乙酰苯丙氨酸乙酯”以及條件優(yōu)化型仿真實驗“催化氫化制備光學活性N-乙酰苯丙氨酸乙酯”，實驗設計型及條件優(yōu)化型仿真實驗的主要互動型步驟分布見表3與表4。

表1 “基本單元操作”模塊的交互性操作

表2 “操作型仿真實驗”的交互性操作

表3 “實驗設計型仿真實驗”交互性操作

表4 “條件優(yōu)化型仿真實驗”交互性操作

2.4 實驗評價體系

學生實驗成績的評定主要根據(jù)知識學習、仿真操作、實驗設計三個方面進行，成績分為A、B、C、D四等。對關(guān)鍵步驟設置較大分值，若出現(xiàn)違規(guī)操作給予不及格。不同的實驗層次，有不同的評價要求。并根據(jù)實驗結(jié)果以及學習情況進行評比，如圖9所示，學生每做對一步在交互界面上會有明顯的得分提示，可以激發(fā)學生學習興趣，如圖10所示對前十名進行排名，增強學生榮譽感。

圖9 學習排行榜

圖10 分子運動

3 項目特色

3.1 基于諾貝爾獲得者的研究成果

在實驗內(nèi)容的選取上，基于三位諾貝爾獎獲得者的工作，選擇三種典型的催化劑進行實驗。項目使用多種軟件技術(shù)，實現(xiàn)高壓釜的使用、危險氣體操作、使用加壓氫化過程的操作等進行 3D仿真操作。同時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，對均相催化反應建立模型，便于學生在自主實驗的條件下，給出接近于實際實驗的結(jié)果，實現(xiàn)了過程仿真與結(jié)果仿真。

3.2 分子視角

從微觀視角觀察實驗過程，提高學生的學習興趣，讓學生不再枯燥地等待實驗反應的結(jié)果，而是能夠更加直觀地觀察反應過程。

3.3 能“試險”

在化學實驗過程中很多實驗都是不能出現(xiàn)失誤的，一旦出現(xiàn)失誤就會造成不可彌補的災難，而本項目中讓學生自己嘗試，在出現(xiàn)錯誤操作時會產(chǎn)生爆燃，如圖11所示，出現(xiàn)爆燃則需要重新進行實驗。

圖11 出現(xiàn)爆燃

4 實驗項目應用

本項目正在參評國家級虛擬仿真教學項目，網(wǎng)址為：(http://www.ilab-x.com/details/v5?id=4895&isView=true)。根據(jù)后臺數(shù)據(jù)已有5000人次使用過該平臺學習，本項目已獲得2019天津市市級虛擬仿真實驗教學項目的支持。如圖12所示為學生使用該實驗上課，目前已有1500多人次學習使用。

圖12 學生上課

以本校應用化學專業(yè)為例，學生平均實驗時長為40分鐘，如圖13所示，經(jīng)過系統(tǒng)的理論學習學生能夠獲得較好的成績，其中實驗三、四實驗設計型實驗學生的成績較好，均在90分以上，而實驗一基本單元操作型實驗以及實驗二操作型仿真實驗學生的成績較差，由此可以看出學生的實際操作能力相對較弱，而理論知識掌握的較好，在今后的實驗課程中需要增加學生的實際實驗操作能力的鍛煉。

圖13 不同成績段學生人數(shù)

5 結(jié)語

加壓氫化反應的虛擬仿真實驗基于三位諾貝爾獎獲得者的研究成果，依據(jù)教育部有關(guān)推進國家虛擬仿真實驗教學項目建設的相關(guān)文件精神以及國家“金課”的要求，為“高危、高壓”型化學實驗在本科教學中的開展提供了新的思路與方法。在后續(xù)的建設中我們將集中解決并完善以下問題。

(1) 學習平臺的資源不夠豐富。結(jié)合利用加壓氫化技術(shù)手段的最新應用成果，添加新的應用型實驗模塊來豐富該實驗平臺。

(2) 擴大項目受益人群。積極參加全國性虛擬仿真交流討論活動，邀請同行專家前來參觀指導。讓更多校內(nèi)外師生及社會人士能夠從中受益，并進行積極推廣，持續(xù)面向社會開放，擴大輻射范圍與影響力。