張仲利

(甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 金昌 737100)

當前國家工業(yè)正面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，為了更好地應對信息革命帶來的產(chǎn)業(yè)變革，支持工業(yè)的發(fā)展，國家提出了工業(yè)制造轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)智造的戰(zhàn)略口號。這對我國高校人才培養(yǎng)提出了新的要求，高校必須根據(jù)社會發(fā)展變化，轉(zhuǎn)變教學理念和教學方式，提高學生的實踐能力。將虛擬仿真技術(shù)應用在化工專業(yè)教學環(huán)節(jié)，可以提高學生的實踐動手能力，實現(xiàn)理實一體化教學。虛擬仿真實驗教學是教育信息化重要內(nèi)容，是學科專業(yè)與信息技術(shù)深入融合的結(jié)果。

1 虛擬仿真實驗概述

1.1 虛擬仿真實驗

虛擬仿真是利用虛擬的技術(shù)仿照一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。通過計算機、網(wǎng)絡技術(shù)創(chuàng)建一個虛擬、交互式的三維動態(tài)場景，讓人置身這個環(huán)境中立即有身臨其境的感覺，并實現(xiàn)親自操作，實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互。虛擬仿真實驗是利用計算機網(wǎng)絡技術(shù)仿照實驗室工作環(huán)境，利用可視化技術(shù)實現(xiàn)實驗儀器設備的仿真，通過操作這些虛擬的實驗儀器設備，即可完成實驗，從而達到與真實實驗教學一致的效果。虛擬仿真實驗室改變了過去以教師為中心的實驗教學，為學生提供一個逼真的實驗環(huán)境，學生將自己設計的實驗數(shù)據(jù)輸入三維仿真軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)自動進行仿真，并得到相應的結(jié)果。學生可以通過仿真實驗，找到自己實驗過程中存在的問題，并不斷提高自己的動手能力。

1.2 虛擬仿真實驗特點

虛擬仿真實驗具有交互性、沉浸性、開放性。交互性指虛擬仿真實驗室可以實現(xiàn)實驗室與學生之間的交互，學生在虛擬實驗室操作鼠標、鍵盤或者其他設備，就可以看到真實實驗現(xiàn)象，學生通過虛擬實驗，得到相應的結(jié)果；沉浸性指虛擬實驗室營造一個相對逼真的虛擬實驗室，學生進入實驗室感覺像進入了真實的實驗室，在這個實驗室學生可以操作相應的設備，從而達到實驗的目的；開放性指虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室不同，學生不需要根據(jù)學校設置的實驗時間、實現(xiàn)項目才能進入實驗室進行實驗，學生可以根據(jù)自己的需求隨時進入虛擬實驗室進行操作，并將實驗結(jié)果發(fā)布到網(wǎng)絡。

2 實施虛擬仿真實驗的必要性

2.1 滿足高校學生科研實驗需求

目前，我?；嶒炇乙M了大量先進的設備，由于化工實驗具有一定的危險性，化工生產(chǎn)工藝的流程比較復雜，設備自動化水平比較高，很多工作崗位需要持證上崗，因此很多化工實驗學生不能動手操作。因此，學校化工專業(yè)的實驗內(nèi)容往往是一些不具備危險性的實驗，實驗內(nèi)容固定，無法給學生個人發(fā)揮的余地。由于學校采購了大量的精密儀器，這些儀器設備價格比較昂貴，學校為了避免學生在實驗過程中破壞儀器設備，往往明確了實驗室的使用時間，導致學校大量的化學儀器設備處于閑置狀態(tài)，無法發(fā)揮應有的價值。虛擬仿真實驗室利用計算機虛擬技術(shù)，為學生構(gòu)建一個真實的實驗環(huán)境，學生可以操作虛擬實驗設備，完成實驗過程。根據(jù)化工實驗項目不同，學?？梢约皶r更新計算機軟件，設置虛擬場景，即可完成虛擬實驗，彌補傳統(tǒng)實驗室硬件設備不足問題，學生通過計算機就可以完成操作。其次，由于化工專業(yè)的實驗具有一定的危險性，在實驗過程中，可能產(chǎn)生有毒有害氣體，一旦學生操作不當，可能引起火災、爆炸等現(xiàn)象，造成人員傷亡事故。虛擬仿真實驗模擬虛擬的實驗環(huán)境，可以為學生提供更加安全、可靠的操作環(huán)境。

2.2 降低實驗教學經(jīng)費

化工專業(yè)涉及醫(yī)藥、化學用品、化妝品、服裝、汽車用品等多個領域，化工實驗過程中，需要耗費大量的實驗器材、原料，是實驗經(jīng)費的重要組成部分。因此，實驗教學費用成為高校教學費用一筆較大的支出。將虛擬仿真技術(shù)應用在化工專業(yè)教學，可以降低實驗教學經(jīng)費，只需要計算機技術(shù)人員編寫一套軟件或者設計一個場景，就可以讓學生完成實驗，極大地降低了教學成本。

2.3 激發(fā)學生學習興趣

在學習化工工藝的時候，教師給全體學生演示實驗過程，讓學生了解實驗原理和實驗步驟。通過演示實驗，學生可以直觀地了解實驗步驟、操作方法。虛擬仿真實驗室采用虛擬技術(shù)模擬化學實驗環(huán)境，在虛擬實驗室，學生沒有學習的負擔，在操作過程中，不會對儀器設備造成損害，即便操作不當，學生只要恢復程序，重新進行操作即可，這樣可以提高學生課堂的參與性，激發(fā)學生探究欲望，讓學生進行自主探索，在不斷探索的過程中，總結(jié)科學規(guī)律，提高教學效率。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，虛擬仿真實驗還可以采用遠程網(wǎng)絡教學方式，打破了教學的時間、空間限制。

3 虛擬仿真實驗在化工專業(yè)教學中的應用

為了滿足學校師生實驗實訓需求，目前學校正在擬建化工仿真實訓中心，包括了化工實訓原理控制、DCS控制單元仿真學習和考核軟件、大型分析儀器仿真軟件ISTS2.0、合成氨工藝仿真軟件(包括凈化、合成、轉(zhuǎn)化等過程)、甲醇工藝仿真軟件、水煤漿加壓氣化制水煤氣工藝仿真軟件、二甲醚工藝仿真軟件等，這些仿真軟件可以滿足學?；ぜ夹g(shù)、安全管理、環(huán)境監(jiān)測與評價等專業(yè)教學需求。

3.1 理論教學中的應用

理論是實踐教學的基礎和前提，化工專業(yè)課堂理論知識多概念性的知識點，知識面廣，學習比較枯燥。當前化工專業(yè)理論教學主要以教師講解為主，學生在講臺下做筆記，這種教學方式單一，很容易讓學生失去學習興趣。采用虛擬仿真實驗，在理論知識教學過程中，可以為學生構(gòu)建一個真實的學習場景，讓學生進入到這個學習場景中，融入到教學環(huán)境中，提高教學效率。以《有機化學》教材第三章不飽和烴：烯烴和炔烴為例。學生需要掌握烯烴和炔烴的結(jié)構(gòu)、同分異構(gòu)、化學性質(zhì)。烯烴烯烴和炔烴分子結(jié)構(gòu)，sp2、sp雜化時教學的重點，在教學的時候，教師可以模擬烯烴和炔烴分子結(jié)構(gòu)的環(huán)境，讓學生置身到一個分子結(jié)構(gòu)環(huán)境中，了解烯烴和炔烴分子結(jié)構(gòu)的特點，烯烴結(jié)構(gòu)異化是怎么造成的，官能團是如何運動的？通過虛擬仿真實驗，學生仿佛置身于一個分子世界，將自己作為其中的一部分，感受分子運動變化，從而解決教學過程中的重點和難點，降低理論知識教學的難度。

3.2 實踐課程中的應用

化工實踐課程是檢驗學生理論知識和動手能力的關鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)教學進度和學生的學習能力差異，構(gòu)建實驗類仿真實驗、實訓類仿真實驗和創(chuàng)新拓展類三個不同層次的模塊實驗課程，用于學生理論基礎學習、專業(yè)技能學習以及技能提高。實驗類仿真實驗室指高校教學過程中需要的各種實驗教學項目，可以采用計算機仿真技術(shù)實現(xiàn)實驗項目教學，解決一些由于危險性限制無法開展的化學實驗；實訓類仿真實驗是模擬化工企業(yè)生產(chǎn)流程、生產(chǎn)工藝，讓學生了解實際企業(yè)生產(chǎn)過程中的真實環(huán)境和要求，讓學生掌握工作崗位要求的專業(yè)技能，幫助學生更好地適應工作崗位；創(chuàng)新類拓展仿真實驗主要針對一些學習能力和動手能力比較強的學科，學生自主設計、開發(fā)實驗，并得到一定的實驗結(jié)果。高校必須根據(jù)化工專業(yè)的特點，設置不同類型的虛擬仿真實驗中心，滿足學生實驗需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，虛擬仿真實驗可以為學生提供一個真實的學習環(huán)境，激發(fā)學生的興趣，提高課堂教學的效率和質(zhì)量。將其應用在化工專業(yè)理論教學和實踐教學中，可以降低學習難度和教學經(jīng)費，解決教學難點。