聶麗蓉　盧明夏　李宗齊

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;化工與制藥;實(shí)踐教學(xué)

化工與制藥工業(yè)屬于高新技術(shù)聚集領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)擁有眾多化工與制藥類企業(yè)，雖然產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，但企業(yè)大多存在專業(yè)技術(shù)人才缺乏、工程知識(shí)薄弱等問題，成為制約企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。如何培養(yǎng)滿足企業(yè)需求、緊跟時(shí)代潮流、具有工程實(shí)踐技能的專業(yè)技術(shù)人才一直是理工類院校關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

近年來，為了滿足企業(yè)對(duì)人才的需求，在加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)的前提下，逐步改革實(shí)踐教學(xué)方法，比如加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)中心的建設(shè)，建立校內(nèi)多媒體互動(dòng)教學(xué)模式、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)中心以及校企共建的實(shí)踐教學(xué)基地。傳統(tǒng)教學(xué)的局限性與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模不足，使教學(xué)質(zhì)量面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為教育工作者開辟了新的途徑。本研究以虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用為例，探討虛擬仿真技術(shù)給課程實(shí)踐教學(xué)帶來的改變。

1 化工與制藥類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀與不足

化工與制藥類專業(yè)要求學(xué)生掌握現(xiàn)代化學(xué)、化工、制藥基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能，能在化工、煉油、冶金、能源、輕工、醫(yī)藥和環(huán)保等領(lǐng)域和部門從事工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)管理和科學(xué)研究等工作，具有極強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性和工程性。實(shí)踐創(chuàng)新能力是化工與制藥類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)重點(diǎn)，其中，實(shí)驗(yàn)課程是溝通課程理論與實(shí)踐的主要手段。隨著化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)過程中涉及的化學(xué)物質(zhì)種類和數(shù)量繁多，很多物質(zhì)都具有易燃性、反應(yīng)性和毒性，造成了化工生產(chǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。在化工生產(chǎn)過程中，大部分化學(xué)反應(yīng)需要在比較苛刻（高溫、高壓）的條件下進(jìn)行，因此，對(duì)生產(chǎn)過程安全隱患的控制更為嚴(yán)格。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，為了更好地保障人員的生命安全、避免發(fā)生生產(chǎn)安全事故，生產(chǎn)操作已逐步實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，由人工手動(dòng)操作的環(huán)節(jié)逐漸減少。總之，化工生產(chǎn)的安全性、規(guī)模化和自動(dòng)化使企業(yè)不愿意接納學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)觀摩實(shí)習(xí)，即使進(jìn)入企業(yè)實(shí)習(xí)，也無法保證學(xué)生的工程能力和意識(shí)得到強(qiáng)化[3-4]。目前，在化工與制藥類專業(yè)中，很多專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)存在以下現(xiàn)狀。

1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)久，教學(xué)內(nèi)容有限

化工與制藥類專業(yè)實(shí)踐內(nèi)容豐富，但是在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，學(xué)生往往只能掌握一些基本操作方法和技能，很難全面、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)化工生產(chǎn)過程中的工程知識(shí)，阻礙了學(xué)生拓寬視野、豐富專業(yè)知識(shí)。

1.2 教師工程素養(yǎng)參差不齊，教學(xué)效果難以保障

利用多媒體互動(dòng)教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)、打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限，對(duì)推動(dòng)化工與制藥類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)有一定的積極作用。對(duì)于這種教學(xué)模式，優(yōu)質(zhì)的教學(xué)課件與教師的工程經(jīng)驗(yàn)或背景是影響教學(xué)效果的關(guān)鍵性因素。然而，大部分高校教師沒有工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐方面的能力和精力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，知識(shí)結(jié)構(gòu)體系并不全面，可能并不完全了解化工行業(yè)的技術(shù)進(jìn)展和企業(yè)對(duì)人才的真實(shí)需求，在實(shí)踐教學(xué)中很難實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)，無法對(duì)學(xué)生予以有效指引、培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，不能滿足企業(yè)對(duì)工程技術(shù)人才的需求。

1.3 行業(yè)技術(shù)發(fā)展較快，實(shí)驗(yàn)條件的升級(jí)嚴(yán)重滯后

目前，受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、辦學(xué)經(jīng)費(fèi)、時(shí)間成本等因素的制約，大部分工科院校的專業(yè)實(shí)踐課程仍然限于實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模。比如在藥物合成實(shí)驗(yàn)中，僅依靠搭建玻璃儀器裝置，通過手動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)條件合成簡(jiǎn)單藥物，雖然能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，但與工業(yè)化生產(chǎn)現(xiàn)狀相差甚遠(yuǎn)，培養(yǎng)的學(xué)生不能良好地滿足企業(yè)發(fā)展對(duì)技術(shù)型人才的真正需求。將實(shí)驗(yàn)規(guī)模擴(kuò)大到中試水平，又會(huì)面臨實(shí)驗(yàn)成本高、易造成污染、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不夠、實(shí)驗(yàn)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。

1.4 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)多使用有機(jī)溶劑，安全隱患大

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可能要用到許多化學(xué)試劑，而這些化學(xué)試劑往往具有易爆炸、易燃燒、毒性大、腐蝕性和輻射等危險(xiǎn)特性。如果使用不當(dāng)，有可能引起灼傷和爆炸，造成人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失和其他事故。

2 虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真又稱模擬技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)軟件及硬件為基礎(chǔ)，利用多種技術(shù)手段，以一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡(jiǎn)言之，虛擬仿真是對(duì)已知或未知世界的仿真，用戶可借助感覺器官等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互[5]。

針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)化工實(shí)踐教學(xué)中存在的一些問題，將虛擬仿真技術(shù)引入專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)中，建立虛擬仿真訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅可以使教學(xué)形式更加靈活、手段更新穎，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以使化學(xué)操作過程更加直觀和易于接受，同時(shí)有利于訓(xùn)練學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力、培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，使其具有工程思維。通過實(shí)際動(dòng)手操作，學(xué)生可以更加熟悉工業(yè)生產(chǎn)的過程，知識(shí)更加具體化、形象化，教學(xué)內(nèi)容更易掌握，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的限制，實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

目前，在化學(xué)化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，大多需要用到一系列大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，比如在“藥物分析實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中，通常會(huì)用到紅外光譜儀、紫外分光光譜儀、高效液相色譜儀等。這些大型儀器更新?lián)Q代快、費(fèi)用昂貴、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成本高，難以保證每位學(xué)生都有操作儀器的機(jī)會(huì)。在“藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程中，常常使用有害試劑，產(chǎn)生一些實(shí)驗(yàn)廢液、垃圾等，后期的處理成本高且不可避免地對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。將虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)中，不僅能打破時(shí)間與空間的限制、降低實(shí)驗(yàn)成本，還有利于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)、有效規(guī)避化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種安全隱患[6]。

2.2 提高實(shí)驗(yàn)效率，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可通過在線學(xué)習(xí)功能，幫助學(xué)生快速掌握實(shí)驗(yàn)研究的具體目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。此外，互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了物理空間的限制，大大提高了學(xué)習(xí)和研究效率，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提供了強(qiáng)有力的支持。另外，虛擬仿真技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)與能力。

2.3 提高實(shí)踐教學(xué)的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)主要采用線下實(shí)體教學(xué)的模式，以老師現(xiàn)場(chǎng)講演實(shí)驗(yàn)過程為主，學(xué)生處于被動(dòng)聽課的狀態(tài)。虛擬仿真技術(shù)結(jié)合了動(dòng)畫和音頻的效果，模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作過程，使學(xué)生在一種愉快的氛圍中學(xué)到知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3 虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用前景

近年來，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是化工與制藥類專業(yè)實(shí)踐課程?；づc制藥類專業(yè)課程涉及工程學(xué)、化學(xué)、藥學(xué)三大學(xué)科體系，具有較強(qiáng)的交叉性，知識(shí)點(diǎn)抽象且知識(shí)面比較廣，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)不僅容易使學(xué)生感到枯燥乏味，而且教師的授課難度大。因此，有必要探索虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

3.1 在“化工原理”教學(xué)中的應(yīng)用

作為化工與制藥類專業(yè)基礎(chǔ)課程，“化工原理”是多個(gè)化工操作單元的集合，實(shí)踐課程涉及的裝置設(shè)備較大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、維修費(fèi)用高，直接影響了教學(xué)效果。在實(shí)踐教學(xué)過程中，可以利用虛擬仿真，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備和流程，按照1∶1的比例進(jìn)行建模，模擬生產(chǎn)中的流量、溫度、壓力等參數(shù)的變化情況，在無需實(shí)驗(yàn)設(shè)備、不會(huì)造成污染、不消耗原料的前提下，給學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的化工生產(chǎn)環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

3.2 在“藥物分析實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的應(yīng)用

“藥物分析實(shí)驗(yàn)”也是藥學(xué)學(xué)科中相對(duì)獨(dú)立且不可或缺的一門實(shí)踐課程，非常注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。虛擬仿真技術(shù)有利于構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件，完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí)操作，掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技巧。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降木_度較高，在避免使用有機(jī)試劑的基礎(chǔ)上，可以讓學(xué)生身臨其境地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)知識(shí)。此外，學(xué)生還可以通過軟件查看自己的實(shí)驗(yàn)操作，充分了解自己的知識(shí)弱點(diǎn)并及時(shí)糾正。

3.3 在“藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的應(yīng)用

相關(guān)院校探索了虛擬仿真技術(shù)在“藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的應(yīng)用。主要的教學(xué)目的是通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生驗(yàn)證已有的理論，幫助他們更直觀地學(xué)習(xí)相關(guān)藥物的藥理作用，還可以反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐瑫r(shí)，進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)[7]。

3.4 小結(jié)

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，不僅大大豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還可以提高實(shí)驗(yàn)效率，規(guī)避實(shí)驗(yàn)安全隱患，在有限的時(shí)間內(nèi)，盡可能覆蓋理論課程中的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)重點(diǎn)，完善相關(guān)專業(yè)的教學(xué)體系。

4 結(jié)語

化工與制藥類專業(yè)大多屬于交叉性學(xué)科專業(yè)，注重實(shí)踐性和創(chuàng)新性。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式具有實(shí)驗(yàn)資源匱乏、場(chǎng)地空間不夠、缺乏時(shí)代性等弊端。將虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)中，充分利用其特點(diǎn)，結(jié)合課程實(shí)際教學(xué)需求，革新實(shí)踐教學(xué)模式，能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷，整合教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的互補(bǔ)。虛擬仿真技術(shù)的生動(dòng)性和趣味性也為學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)提供了一條可行的路徑。