牛古丹 楊秀春 鹿桂芳

摘? 要：傳統(tǒng)的化工原理實驗教學手段由于受到實驗客觀條件的影響，很難讓每個學生獨立的完成實驗任務(wù)，影響了教學效果，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實驗在化工原理實驗課中的應(yīng)用與實踐，既能較好的彌補傳統(tǒng)實驗教學方法的不足，又提高了高校化工原理實驗課的教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高校;互聯(lián)網(wǎng)+;虛擬仿真實驗;化工原理實驗

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）25-0096-03

Abstract： Affected by the objective conditions of experiments， it is very difficult for each student to complete the experiment task independently under the traditional experimental teaching methods of chemical engineering principles， which has influenced the teaching effect. With the application and practice of "Internet+" virtual simulation experiment in the experimental teaching of chemical engineering principles， the deficiencies of traditional experimental teaching methods can be made up， and the teaching quality of experimental courses in chemical engineering principles can be improved.

Keywords： colleges and universities; Internet+; virtual simulation experiment; experiment of chemical engineering principles

一、引入互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗的必要性

化工原理實驗是化工原理理論教學的補充、持續(xù)和優(yōu)化，通過化工原理實驗，不僅能夠鞏固學生在理論方面的基本知識，還能培養(yǎng)學生分析問題與處理問題的能力，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)，提高學生自助進行科學研究的潛能，增強學生的創(chuàng)新理念，使學生能夠樹立正確的工程觀點。由此可見化工原理實驗在化工專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的人才培育方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。伴隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也逐漸崛起，該技術(shù)把系統(tǒng)技術(shù)、相似原理、信息技術(shù)和其應(yīng)用范圍內(nèi)相關(guān)的專業(yè)技術(shù)為本原，將各種物理效應(yīng)和計算機設(shè)備為工具，采用系統(tǒng)模型對遐想中或是現(xiàn)實的系統(tǒng)開展試驗探討的一項綜合性技術(shù)[2-3]。早在2012年易觀第五屆移動互聯(lián)網(wǎng)博覽會上，于揚在發(fā)言中第一次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念。于揚認為，不久的將來，“互聯(lián)網(wǎng)+”這個公式在我們所在行業(yè)的產(chǎn)品與服務(wù)中都會涉及到。2015年全國人民代表大會上，馬化騰提交了《關(guān)于以“互聯(lián)網(wǎng)+”為驅(qū)動，推進我國經(jīng)濟社會創(chuàng)新發(fā)展的建議》的議案，他指出“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念是采用信息通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)平臺把傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各種類型的企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)有機結(jié)合起來，進而在其他領(lǐng)域建設(shè)一種全新的生態(tài)體系。2015年3月5日國家總理李克強在第十二屆全國人大三次會議的政府相關(guān)工作報告中，第一次提出開展“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃[4-6]。從2012年開始，我國的互聯(lián)網(wǎng)在教育方面就得到了迅猛發(fā)展，普及范圍十分廣泛，傳播速度非?？臁?017年我國驅(qū)動了《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知》，同時以“平臺共享和項目開發(fā)”為特征的創(chuàng)新型的虛擬仿真實驗正在建設(shè)中[7]。而在高等教育的專業(yè)基礎(chǔ)實驗領(lǐng)域，則仍是以虛擬仿真為主，基于網(wǎng)絡(luò)平臺的仿真實驗鮮有報道。構(gòu)建基于化工原理互聯(lián)網(wǎng)+仿真實驗的網(wǎng)絡(luò)控制實驗中心，使學生能夠不受時空限制，進行實際操作和研究，并與同學進行信息共享，這是一項非常有價值的課題研究。

二、互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗的應(yīng)用與實踐

互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真是通過數(shù)字仿真技術(shù)、仿真工廠技術(shù)、多媒體技術(shù)、3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)、AR增強現(xiàn)實技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動app技術(shù)實現(xiàn)的。教師和學生共用此平臺。教師可以通過知識點學習進行在線學習、資料上傳、資源分配;通過理論學習，進行題庫管理、題庫分配、理論考試管理、在線閱卷、統(tǒng)計分析;可以通過仿真學習，進行考試管理、學習日志、統(tǒng)計報表、在線答疑等;仿真課程可以進行仿真課程管理、課程分配、成績管理和證書管理;還可以進行機構(gòu)管理，進行學員信息查看和密碼修改;還可以通過通知公告、創(chuàng)建公告、發(fā)布公告、接受公告;還可以進行個人信息管理密碼修改等。教師可以不受時空限制完成與學生的互動，并能了解學生參與情況和實驗的完成情況。學生則可以進行以下情況學習（見圖1）。

圖1 學生進行互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗學習內(nèi)容

學生進行仿真操作之前，先要進行理論知識的學習和實驗安全知識的考核，二者考核合格之后，獲取虛擬仿真操作的證書，之后才能進行仿真內(nèi)容的學習。學生進行仿真內(nèi)容學習、操作、事故的緊急情況處理、數(shù)據(jù)報告處理、思考題回答，合格通過之后獲取實驗操作證書，才能預(yù)約實驗，進入現(xiàn)場實操。如圖2所示。

（一）安全意識培訓

通過3D動畫的形式了解化工廠基本安全規(guī)范和技術(shù)要求，培養(yǎng)學生的安全意識和遇到安全事故處理問題的能力，包括練習和考核兩部分?？己耸悄M現(xiàn)實安全隱患，讓學生查找并解決問題，使學生有種身臨其境的感覺?？己瞬缓细裾卟荒苓M入下一步的學習。通過這種3D形式的學習，使學生印象更加深刻，學習效果更加明顯。

（二）理論知識學習考核

學生通過安全知識培訓之后，可以進入理論知識的考核，理論試題是在題庫里隨機抽取，也可以是老師針對某一方面的內(nèi)容，有針對性的考核，考核結(jié)束后，進行在線評分，系統(tǒng)直接出成績。學生理論考試通過之后，才能獲得進入仿真練習的通行證。

（三）虛擬仿真實驗內(nèi)容

學生進入仿真系統(tǒng)之后，可以根據(jù)學習進度選取不同的仿真實驗項目。我們選取的虛擬仿真實驗軟件，幾乎包括了化工原理所有實驗內(nèi)容，分別是：1. 化工流動過程綜合實驗;2. 離心泵特性曲線測定實驗;3. 汽-氣對流傳熱實驗;4. 填料吸收塔實驗;5. 精餾塔實驗;6. 干燥曲線和干燥速率曲線測定實驗;7. 萃取實驗;8. 恒壓過濾實驗;9. 液液萃取塔實驗;10. 攪拌器性能測定實驗;11. 流化床干燥實驗;12. 滲透蒸發(fā)膜分離實驗。

（四）虛擬仿真系統(tǒng)實踐

選擇實驗裝置進入系統(tǒng)之后就進入到了具體仿真操作界面。每個仿真項目都有相關(guān)內(nèi)容介紹，其中包含實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗原理、實驗裝置、實驗設(shè)計、實驗步驟等，涉及設(shè)備及某些復(fù)雜部件的工作原理，會插入有關(guān)的錄像資料，真實設(shè)備的照片等，如需演示，單機鼠標左鍵，則在右側(cè)演示區(qū)，出現(xiàn)相關(guān)的三維動畫演示。進行仿真項目操作時，學生可以任意轉(zhuǎn)換DCS頁面和現(xiàn)場圖。每個操作的界面都十分簡潔，直觀呈現(xiàn)給學生，學生直接獲取數(shù)據(jù)，非常便捷，而且還具備放大局部效果的功能，使儀表及數(shù)據(jù)讀取清晰明了。

（五）互聯(lián)網(wǎng)+仿真實驗結(jié)果處理

學生實驗操作結(jié)束，可以進行實驗結(jié)果的處理，包括原始數(shù)據(jù)的記錄、運算結(jié)果的生成、繪制曲線和圖表、實驗分析、設(shè)備列表等最后生成實驗報告。最初始的數(shù)據(jù)，由學生自助收集，軟件處理自動生成原始表格，學生將實驗測得數(shù)據(jù)，填寫在相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入框中，本界面中已輸入的數(shù)值為軟件默認值，可對其進行更改。點擊“數(shù)據(jù)處理”按鈕即可獲得實驗處理結(jié)果。在“數(shù)據(jù)處理”區(qū)獲得實驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果后，點擊“繪制”即可得曲線圖，生成的實驗報告可以直接打印出來，也可以存儲在電腦或U盤里。這一部分也可以由學生手動計算完成。

（六）基本操作和綜合設(shè)計考核

可通過局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)進行基本操作和綜合設(shè)計的在線測試考核，基本操作進行虛擬仿真軟件中化工工藝及設(shè)備儀器儀表認識、設(shè)備操作的開車、正常運行，停車的考核，綜合設(shè)計進行異常情況及事故的緊急處理，參數(shù)變化對實驗過程的影響等考核，考核結(jié)束在線直接評分，扣分和得分情況一目了然，而且會指出錯誤原因并給予糾正。這兩項考核合格之后，系統(tǒng)會自動上傳到化工原理實驗室，預(yù)約時間進行化工原理實操實驗。

三、互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗的優(yōu)點及不足

我們在開展傳統(tǒng)化工原理實驗的基礎(chǔ)上，增加互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗。通過兩年時間的實踐，體會到互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗的引入有如下優(yōu)點：

（一）節(jié)省大量實驗裝置費用

眾所周之，實驗?zāi)芗由顚W生對理論知識的理解和記憶，充分的實驗對學生知識的掌握和綜合素質(zhì)的提高無疑是起到不可估量的作用，但是由于學校資金緊張，實驗設(shè)備和場地不充分，師資和課時有限，學生想要獨立完成每一個實驗是很難實現(xiàn)的。而仿真實驗的引入就解決了這樣的難題，既可以滿足每位同學一臺計算機，單獨操作，又可以多增加很多單元操作實驗，而無需增加任何費用，使教學效果明顯提高;同時可以進行多終端仿真學習考核：移動端、PC端、網(wǎng)頁端，真正實現(xiàn)隨時隨地學習，不受時間、空間限制。常規(guī)的實驗裝置，每年都需要較多的維修費用，而仿真實驗投資少，使用及維護方便。

（二）提高了實驗教學質(zhì)量

首先，傳統(tǒng)的化工原理實驗室，只能開出七個實驗，且每五人共用一臺設(shè)備，而仿真實驗是每人一臺設(shè)備，必須自己親自動手，完成全部過程才能得到理想的分數(shù);其次由于資金和占地空間的緣故，原有學校只能安排學生做七個實驗，而仿真實驗可以做十三個，這就彌補缺少的實驗。這對學生知識的掌握無疑起到了加強。另外，我們要求學生實操之前，先配以互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗，完成實驗預(yù)習，進行理論知識點、安全知識、基本操作和綜合設(shè)計的考核通關(guān)，全部合格獲取雙重證書，才能預(yù)約實驗室進行實驗，這就迫使學生必須自己獨立做好預(yù)習工作，強化了教學效果，提高了教學質(zhì)量。

（三）提高了學生的實驗興趣和設(shè)計能力

傳統(tǒng)的化工原理實驗課程對實驗原理和實驗流程的講解都是在黑板上開展的，描述的不夠形象且十分呆板;然而互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真是一種全新的教學模式，它是針對于實際過程和流程創(chuàng)建的一種教學模型，通過卡通人物講解、VR實驗等眾多新形勢的大眾化使用。模擬真實的化工生產(chǎn)過程，并將其實際工業(yè)現(xiàn)場通過計算機再現(xiàn)于學生面前，這樣一種既生動又形象的教學，使學生有種置身于其中的體驗，更容易接受和理解，提升了學生的實驗興趣，強化了學生們的感性認知，并減輕了教師的教學負擔。通過虛擬仿真可以發(fā)現(xiàn)在使用過程中有可能出現(xiàn)的設(shè)備缺陷、故障或事故模式，以增強學生對設(shè)備設(shè)計思維、設(shè)計方式和關(guān)鍵部位的改進或改善。

互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實驗，作為一種新的教學模式，可給實驗教學帶來許多益處，但必須指出的是，仿真實驗畢竟不是真正的實際對象的操作，本身有不可替代的局限性，會造成一定的負面影響。比如學生在使用仿真實驗軟件的過程中，會淡化對基本訓練和動手能力的培養(yǎng)，同時由于仿真實驗的軟件過于智能化，對學生錯誤和故障的排除，能及時提示，造成學生的過于依懶，減少了學生應(yīng)對突發(fā)事件、排除故障及對實驗儀器的常規(guī)檢修的能力。

四、結(jié)束語

綜上所述，可以清晰的看出，在化工原理實驗課上引入互聯(lián)網(wǎng)+仿真實驗，能顯著提升教學效果。但仿真實驗只是虛擬的，具有失真性，不可以全部代替親自動手的實際實踐，如何提高二者的互補性，并找到仿真實驗和傳統(tǒng)實驗的最佳結(jié)合點，還有待于我們繼續(xù)探索和完善。

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