趙志剛，冉茂飛

(西南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610041)

我國(guó)已全面進(jìn)入新經(jīng)濟(jì)建設(shè)時(shí)期，對(duì)工程技術(shù)人才提出了新要求。高校應(yīng)對(duì)新的需求，改造傳統(tǒng)化工專業(yè)，進(jìn)行信息化及多學(xué)科交叉融合建設(shè)，使培養(yǎng)出的專業(yè)技術(shù)人才滿足行業(yè)發(fā)展需求。特別是目前快速發(fā)展的西部民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)急需大批量化學(xué)類相關(guān)專業(yè)人才，但民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后、自然環(huán)境較為惡劣，生活條件差，高層次專業(yè)人才的引進(jìn)及培養(yǎng)難度大、人才流失嚴(yán)重。而少數(shù)民族本土學(xué)生熟悉當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律、習(xí)慣本民族生活習(xí)性，在家鄉(xiāng)建設(shè)中可以做到"進(jìn)得去、留得下、用得上、靠得住"，因此本土學(xué)生是民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的最佳人才來(lái)源。西南民族大學(xué)著眼于西南多民族地區(qū)的特點(diǎn)，針對(duì)學(xué)?；瘜W(xué)、化工及環(huán)工等專業(yè)，以“強(qiáng)化化工工科教育信息化，促進(jìn)共建共享”、“打破學(xué)科壁壘，促進(jìn)學(xué)科交叉”及“虛擬教學(xué)民族語(yǔ)言化”等思路，循序漸進(jìn)，有調(diào)不紊地建設(shè)化學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，對(duì)工程教學(xué)的信息化建設(shè)以及化工與環(huán)保、納米材料等多學(xué)科交叉融合方式方法等方面進(jìn)行教學(xué)探索和實(shí)踐[1]。

1 虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)的必要性

1.1 降低成本和確保安全實(shí)驗(yàn)的需要

化學(xué)環(huán)境類專業(yè)實(shí)驗(yàn)需要較多實(shí)驗(yàn)設(shè)備、而實(shí)踐教學(xué)需要大型實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，運(yùn)行成本均較高，而且經(jīng)常需要使用大量易燃易爆和有毒的化學(xué)試劑，存在高消耗和高危險(xiǎn)性的問(wèn)題。例如《化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)》中的“乙苯脫氫制苯乙烯”、“一氧化碳中溫-低溫串聯(lián)變換反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，《精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)》中的“醋酸乙烯酯合成”、“聚合物縮甲醛膠粘劑的合成”實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)都涉及高成本、高危險(xiǎn)、高能耗、高污染環(huán)節(jié)，因此實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、學(xué)習(xí)操作時(shí)間短，學(xué)生學(xué)習(xí)效果差。此外，鑒于安全因素和企業(yè)接待能力的限制，學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中實(shí)際操作時(shí)間短，無(wú)法深入和熟練了解掌握生產(chǎn)崗位的實(shí)際要求。通過(guò)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)應(yīng)的虛擬仿真軟件，學(xué)生可以充分利用課內(nèi)和課外時(shí)間，反復(fù)演練和學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐內(nèi)容，掌握過(guò)程操作步驟和技術(shù)要點(diǎn)。在充分熟悉了實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐過(guò)程后，再結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程，完成與實(shí)際生產(chǎn)崗位的零距離對(duì)接[2]。

1.2 克服教學(xué)資源(大型儀器和場(chǎng)所)短缺的需要

復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的解決，既需多種先進(jìn)、精密、昂貴儀器設(shè)備(如核磁共振、氣質(zhì)聯(lián)用分析儀、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等)的應(yīng)用，也需多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)協(xié)同工作的綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所(大型實(shí)驗(yàn)室、化工企業(yè))。但由于設(shè)備昂貴、精密、易損壞，且儀器臺(tái)件數(shù)太少，所以在實(shí)際教學(xué)中無(wú)法保證每個(gè)學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)際操作，很難達(dá)到滿意的教學(xué)效果。我校的學(xué)生中有一部分來(lái)自于老少邊山窮地區(qū)，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)普遍較差，接受化學(xué)專業(yè)知識(shí)的能力相對(duì)較弱，對(duì)化學(xué)化工生產(chǎn)過(guò)程了解甚少。為了掌握化學(xué)專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐操作，他們需要更加直觀的學(xué)習(xí)對(duì)象，以及大量的反復(fù)演練和學(xué)習(xí)時(shí)間。在這種情況下，虛擬仿真技術(shù)以其形象直觀地人機(jī)對(duì)話界面、可重復(fù)操作性和豐富的教學(xué)內(nèi)容，能夠明顯地增強(qiáng)民族學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)點(diǎn)的理解能力、提高他們?cè)趯?shí)踐過(guò)程中的操作水平，成為民族學(xué)生化學(xué)專業(yè)教育和生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)的有效輔助手段。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可讓學(xué)生通過(guò)在線學(xué)習(xí)，反復(fù)安全地演練大型儀器設(shè)備的使用，掌握儀器的測(cè)試原理和操作規(guī)程，了解儀器的應(yīng)用范圍。也可讓學(xué)生身臨其境地體會(huì)化工生產(chǎn)過(guò)程，了解化工企業(yè)的廠房布局、化工生產(chǎn)設(shè)備及化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。這樣既解決了教學(xué)中涉及的大型儀器和場(chǎng)所的限制問(wèn)題，又提升了學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力[3-4]。

2 虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)的思路與功能

2.2 虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)思路

虛擬教學(xué)中心建設(shè)從傳統(tǒng)專業(yè)“信息化+多學(xué)科融合”的構(gòu)建升級(jí)入手，實(shí)現(xiàn)化工教學(xué)和信息化模式深度融合為核心，將信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做為輔助研究手段，以工程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為載體，促進(jìn)化學(xué)、化工、環(huán)保、生態(tài)等多學(xué)科交叉，探索構(gòu)建綠色化工新工科的知識(shí)體系和教學(xué)模式。

2.2 虛擬仿真教學(xué)中心具備的功能

(1)虛擬仿真教學(xué)中心搭建的教學(xué)平臺(tái)逐步完善后形成功能和項(xiàng)目?jī)纱竽K。功能模塊具有網(wǎng)上選課、信息發(fā)布、互動(dòng)交流和成果展示等功能。通過(guò)網(wǎng)上選課功能，學(xué)生可以方便地遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)，并根據(jù)自身專業(yè)特點(diǎn)選擇合適的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；通過(guò)信息發(fā)布和互動(dòng)交流功能，老師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)在(離)線交流。在項(xiàng)目模塊中，學(xué)生可以利用在線預(yù)習(xí)功能，通過(guò)圖文閱讀和視頻演示，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備構(gòu)造和使用方法、實(shí)驗(yàn)流程和其他相關(guān)擴(kuò)展知識(shí)；然后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)收集分析，在線完成并出具實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)完成成績(jī)?cè)u(píng)定。

(2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，解決這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的高溫、高壓、易爆、有毒等問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源模擬高危險(xiǎn)、高污染環(huán)境，能讓學(xué)生在安全的環(huán)境下，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到訓(xùn)練目的。

(3)三維的教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。虛擬仿真教學(xué)方式具有的生動(dòng)逼真且有趣的特點(diǎn)能夠極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。這優(yōu)點(diǎn)滿足了我?；A(chǔ)較差、學(xué)習(xí)吃力的少數(shù)民族地區(qū)學(xué)生反復(fù)練習(xí)的需要。這種寓教于樂(lè)的教學(xué)方式能有效地提高對(duì)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)感到厭煩學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

(4)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相結(jié)合，有效地補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中將抽象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)原理以更形象的形式使學(xué)生深入了解，更全面了解化學(xué)化工工藝過(guò)程，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。虛擬結(jié)合的教學(xué)方式能更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新及工程實(shí)踐能力，能更好地拓寬學(xué)生未來(lái)的就業(yè)范圍[5]。

3 虛擬仿真教學(xué)中心的建設(shè)特色與成效

(1).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心搭建了硬軟件平臺(tái)，并通過(guò)校企合作、自主開(kāi)發(fā)等手段在平臺(tái)上逐漸充實(shí)和完善信息化多學(xué)科課程體系，以互聯(lián)網(wǎng)+模式的課件、教學(xué)素材、實(shí)驗(yàn)軟件、教學(xué)平臺(tái)等方式對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行信息化改造，通過(guò)深度融合的課程內(nèi)容、更加直觀的教學(xué)手段增加師生互動(dòng)程度、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，特別是在一些比較抽象和枯燥的工程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中，更好地促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

(2).以各類學(xué)科競(jìng)賽為切入點(diǎn)，將競(jìng)賽與中心建設(shè)相結(jié)合，一方面以競(jìng)賽成果拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，形成創(chuàng)新的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練平臺(tái)。另一方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心可成為學(xué)生進(jìn)行競(jìng)賽訓(xùn)練提供了一個(gè)良好平臺(tái)。通過(guò)與軟件開(kāi)發(fā)公司合作，將老師的科研成果和競(jìng)賽成果開(kāi)發(fā)為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)仿真軟件，并建設(shè)成為平臺(tái)中的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。中心利用虛擬仿真軟件為參賽學(xué)生提供各類的賽前培訓(xùn)，使學(xué)生廣泛參加各種大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽中，表現(xiàn)出更好的競(jìng)賽能力。比如在全國(guó)化工實(shí)驗(yàn)大賽的準(zhǔn)備中，各組參數(shù)學(xué)生既可以采用平臺(tái)中的化工原理實(shí)驗(yàn)仿真軟件進(jìn)行操作訓(xùn)練，又可以利用軟件學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)。從2014年起，我校學(xué)生參加全國(guó)化工設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)化工實(shí)驗(yàn)大賽等國(guó)家級(jí)競(jìng)賽，共榮獲全國(guó)一等獎(jiǎng) 1項(xiàng)，全國(guó)二等獎(jiǎng)6項(xiàng)，全國(guó)三等獎(jiǎng)10余項(xiàng)，西南賽區(qū)獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng)。

(3).以虛實(shí)結(jié)合進(jìn)行專業(yè)實(shí)習(xí)，為用人單位培養(yǎng)過(guò)硬的專業(yè)人才。根據(jù)化學(xué)化工類專業(yè)教學(xué)和企業(yè)人才能力的需求，中心以虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)資源構(gòu)建了完整的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系。學(xué)生通過(guò)虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐體系的培訓(xùn)，能更快地適應(yīng)工作崗位。

(4).西南地區(qū)特別是四川省涼山州、阿壩州和甘孜州是藏族和彝族聚居地，他們大多使用本民族語(yǔ)言。為了實(shí)現(xiàn)多元化語(yǔ)言教學(xué)，中心開(kāi)發(fā)制作了漢-彝及漢藏雙語(yǔ)支持的化學(xué)虛擬仿真軟件。這些多語(yǔ)言支持的化學(xué)虛擬仿真教學(xué)資源的成功研發(fā)，不僅可以方便藏、彝族學(xué)生的學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果，更為重要的是填補(bǔ)少數(shù)民族語(yǔ)言化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件的國(guó)內(nèi)空白。同時(shí)，這些軟件也可應(yīng)用于西南民族地區(qū)相關(guān)企業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，更好地為少數(shù)民族和少數(shù)民族地區(qū)服務(wù)。

4 虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)的未來(lái)發(fā)展規(guī)劃

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了校內(nèi)外的共享，學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在經(jīng)過(guò)授權(quán)后運(yùn)行仿真軟件而完成仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自己安排時(shí)間預(yù)約及完成學(xué)分要求的實(shí)驗(yàn)，而且學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)完成后可與教師同學(xué)進(jìn)行在線討論或留言咨詢。這樣自主學(xué)習(xí)的形式，使學(xué)生擁有更加充分和自由的學(xué)習(xí)時(shí)間。在接下來(lái)的階段中，中心會(huì)依托省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的影響，虛擬仿真中心逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)校外乃至于西南少數(shù)民族地區(qū)高校和企業(yè)開(kāi)放，提供培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)服務(wù)，逐步提高中心在西南地區(qū)的影響力，使教學(xué)資源得到更加有效的共享利用。

5 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為學(xué)科與信息技術(shù)融合的成果，是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容[6]。西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院貫徹"為少數(shù)民族和民族地區(qū)服務(wù)，為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù)"的辦學(xué)宗旨，到目前學(xué)院虛擬仿真教學(xué)中心已投入700余萬(wàn)元，聯(lián)合開(kāi)發(fā)支持藏、彝、漢多語(yǔ)言仿真軟件50余套，購(gòu)置各類實(shí)踐實(shí)訓(xùn)仿真軟件100余套，建成面積440 m2的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，配備100臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)及系列仿真模型，取得了良好的教學(xué)效果，為民族地區(qū)培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)、創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力強(qiáng)、組織協(xié)調(diào)能力好的高級(jí)化工專業(yè)人才，已成為民族高校中具有較大影響力的虛擬仿真教學(xué)中心。