虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设

陈国辉, 刘有才, 刘士军, 韩响玲, 满瑞林, 钟 宏

(中南大学 化学化工学院， 湖南 长沙 410083)



虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设

陈国辉, 刘有才, 刘士军, 韩响玲, 满瑞林, 钟 宏

(中南大学 化学化工学院， 湖南 长沙 410083)

虚拟仿真实验教学可以实现矿冶工程化学类专业真实实验不具备和难以完成的教学功能。矿冶工程化学国家级虚拟仿真实验教学中心将虚拟仿真实验教学内容纳入工科化学化工基础课程和矿业化学专业课程，分工科基础化学仿真实验、矿物分离与湿法冶金虚拟仿真实验和高温冶金与节能虚拟仿真实验三个平台设计和建设了虚拟仿真实验教学内容。虚拟仿真实验教学包括分子层次微观过程的模拟，大型仪器实验结构和虚拟操作模拟，矿冶工程化学的复杂溶液体系和高温体系等高成本、高污染过程的模拟等实验教学项目。虚拟仿真实验教学以人才培养为核心，与真实实验相结合共同构筑了完整的本科人才培养实验课程体系。

虚拟仿真； 实验教学； 矿冶工程化学； 仿真实验

0 引 言

虚拟仿真实验教学体系与教学内容建设是虚拟仿真实验教学中心建设的核心。矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心作为学校第一个国家级虚拟仿真实验教学中心主要在矿冶材料学科群的资源加工与生物工程学院、资源与安全工程学院、冶金与环境学院、能源科学与工程学院、粉末冶金研究院、材料科学与工程学院以及化学化工学院总共7个学院开展化学与化工过程虚拟仿真实验与实践教学。目前，已经面向化学工程与工艺、应用化学、冶金工程、矿物加工、环境工程等11个本科专业，1 100多学生，总计开出了3个平台，17个类别的虚拟仿真实验教学项目。已经初步构筑了具有中南大学矿冶材料学科特色的化学化工虚拟仿真实验教学体系。

1 虚拟仿真实验教学体系建设的意义

当前，化学已经成为了现代科技发展的中心学科。随着计算机技术与信息科学的发展，化学基本原理与信息技术相结合也越来越成为复杂化学化工体系研究的有力武器。2013年诺贝尔化学奖授予的3位科学家的原因就是“从事多尺度复杂化学系统模型研究”，充分说明了计算机与信息技术在化学化工中的应用重要性，特别是对于通过虚拟和仿真揭示化学化工过程的本质规律有重要意义。同时对高校化学化工教学和人才培养提出了新的要求[1-6]。

矿冶材料类专业作为学校的传统优势学科，要求学生具有宽厚的化学理论基础与较强的实验技能。事实上，采矿、选矿、冶金、环境、能源、材料、医学和化学化工等专业都需要培养学生处理复杂条件下化学及工程问题能力，尤其需要在化学反应过程的机理研究、大型化工设备工艺流程、大型仪器的操作使用，资源加工过程中，贫矿、尾渣中化学成分的提取与分析、有色金属的高温冶炼、湿法过程化工设计、环境污染治理、功能材料设计等方面加强实验能力和创新能力培养[7-12]。但是，在本科实验教学过程中，面对这些需要加强培养的难题，却限于实验条件或安全方面的考虑，难以通过实际的操作解决；一些特殊的反应过程，难以通过实验现象观察，制约了高素质人才的培养。

虚拟仿真实验教学内容的建设可以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能[13-16]。涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗以及大型设备和综合过程的仿真训练，可靠、安全和经济的虚拟实验，仿真实验与实际操作实验的虚实结合、相互补充可以达到高层次人才培养的目标。因此，虚拟仿真实验教学内容的建设具有深远的现实意义和推广应用价值。

2 虚拟仿真实验教学体系建设的思路

早在十几年前，原中南工业大学化学及相关专业不少教师就进行虚拟仿真实验教学探索。1996年国家工科化学基础课教学基地建设开始，当时的化学实验教学中心就开发了虚拟仿真实验教学内容，为全校相关专业学生开设了“计算机在化学化工中的应用”等课程，建设了CAI实验室，率先在全国面向矿冶材料类本科专业开出了量子化学计算、分子模拟实验、大型仪器虚拟仿真实验和化工原理仿真等系列实验。2006年化学实验教学中心获得国家级实验教学示范中心称号，中心将原CAI实验室扩大建设，响应学校整合教学资源的计划，以化学化工学院教学为基础，联合矿物资源加工与生物工程等6个矿冶材料类二级学院建设了校级的矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心。中心建设的目标就是更有效地集中利用学校虚拟仿真教学的资源服务于人才培养。为此，中心确立了虚拟仿真实验教学体系域项目建设思路和指导原则就是按本科专业培养大纲要求，规划虚拟仿真实验教学体系与内容，与真实实验和实践教学环节共同构筑高层次人才培养的实践教学体系。

3 虚拟仿真实验教学体系建设内容

虚拟仿真实验教学内容的建设需要在本科培养方案的指导下，结合相应的课程共同建设。矿冶材料类学科群每年有7个二级学院,11个本科专业，1100多学生，全员开出的基础化学化工实验课程：“工科大学化学实验”和“化工原理实验”两门；按专业要求不同，开设有：“电化学”、“矿业环境工程”、“资源加工学”、“化学选矿”、“材料化学”、“配位化学的冶金应用”、“溶液萃取与离子交换”、“冶金物理化学研究方法”、“金属材料热处理”、“冶金原理”等工程化学专业课程共计10门。综合以上课程多年来开出的矿冶工程化学虚拟仿真实验教学内容，中心认为：“工科大学化学实验”和“化工原理实验”两门是基础，其虚拟仿真实验教学内容可以共同构筑为工科基础化学仿真实验平台；而其他系列专业课程的虚拟仿真实验教学内容则可以按实验对象分为复杂溶液(湿法)和高温节能(火法)两大平台体系。学生可以根据专业和开设的专业课程的不同，进行3个平台的虚拟仿真实验学习，保证实验教学与理论课程的合理衔接。

(1) 工科基础化学仿真实验平台。工科基础化学仿真实验平台面向工科基础化学与化工教学教学。虚拟仿真实验教学主要在三个方面提升实验教学效果。① 针对化学分子，化学反应的微观过程，进行虚拟仿真实验，帮助学生直观理解看不见，摸不着的原子、分子层次的结构，并借助于量子力学、分子动力学等现代计算化学知识帮助学生理解化学反应的微观过程，并学习进行分子设计合成.现阶段开设有分子模型与构象分析，化学反应机理过程的简单模拟两个实验教学项目；② 针对教学实验量大、大型分析仪器台套数不足，或学生只能上机操作，而无法直观感受大型仪器工作原理的问题，开设大型仪器系列仿真实验，通过仪器内部3D结构和原理展示、虚拟现实场景互动操作等手段，让学生进行计算机实验，形象、直观地掌握化学的基本原理和方法。现阶段完成了4个系列16种精密分析仪器的仿真及实验仿真开发：发射光谱仪、ICP等离子体光谱仪、原子吸收光度计、可见-紫外分光光度计、紫外分光光度计、分子荧光光度计、红外光谱分析仪、气相色谱分析仪、液相色谱分析仪、气-质联用分析仪、毛细管电泳仪、示波极谱仪、自动电位滴定仪、元素分析仪、库仑分析仪、电化学分析仪等；③ 针对化工单元操作设备结构复杂、微观过程或作用机理难以直接测定等问题，虚实结合开展化工原理仿真实验教学，既节约实验教学成本，降低实验过程带来的污染，还可帮助学生理解化工单元操作。现阶段与东方仿真公司合作开发与共享有整套化工基础单元操作的全部虚拟仿真实验。以上3个不同方向6个系列的虚拟仿真实验教学内容，配合真实化学化工实验的学习，帮助学生更深层次理解和掌握了化学化工的原理和方法。

(2) 矿物分离与湿法冶金虚拟仿真实验平台。 矿冶材料学科中无论是实验工厂，矿山还是科学研究，所涉及的物质体系之一就是复杂液体体系。复杂溶液体系研究与工艺处理是上述所列的10门专业课程的重点教学内容。矿物分离与湿法冶金过程涉及多相反应体系及复杂的反应热力学和扩散动力学过程，实验室实验过程中仅能从可测的宏观实验数据对实验结果进行分析，无法深入了解微观过程机理；另一方面，实际的工业过程处理周期长，且可能限于工业现场的条件而无法进行实验和观察。现阶段平台共建有：铝土矿磨矿-浮选过程仿真实验，芒硝矿的地下溶浸过程仿真实验，氰化浸金过程仿真实验，氧化锌矿的氨法浸出过程仿真实验，铜矿生物湿法冶金虚拟仿真实验，拜耳法氧化铝生产工艺仿真实验和工业污染物污染地下水的数值仿真模型7个虚拟仿真实验教学项目。其中，铝土矿选矿、芒硝矿地下溶浸开采、氰化浸金过程等属于选冶过程虚拟仿真实验，帮助学生深入理解浮选和浸出过程机理；而工业污染物污染地下水的过程进行数值仿真，可以帮助学生了解工业污染物的污染特点及其控制方法。

(3) 高温冶金与节能虚拟仿真实验平台。 高温冶金是的矿冶材料学科的传统方法，也是我校这些学科群学生学习专业课程的重点之一。现已设计有：大型节能铝电解槽虚拟仿真实验，火法炼铜工艺仿真实验，高炉焙烧的过程仿真实验和热电系统虚拟仿真实验4个虚拟仿真实验教学项目。其中，熔融电解、火法冶炼、高炉、锅炉等系统普遍具有高温、高能耗的特征，其过程不仅具有很大的危险性，而且无法采用实验室实验的方法获得设备内部的直观信息，采用虚拟仿真技术进行铝电解槽、火法炼铜工艺、高炉焙烧过程及热电系统进行仿真实验，不仅可使设备内部的流场、温度场可视化，而且可对过程进行节能设计和计算。

以上3个虚拟仿真实验教学平台都是基础化学化工实验课程和矿业化学工程专业课程所涵盖的实验教学内容。虚拟仿真实验教学与真实实验统一构筑了我校工科化学化工实验教学的整体，服务于现代矿冶材料学科人才培养的需要。

4 虚拟仿真实验教学主要作用

中南大学矿冶材料类学科群专业培养的学生都是工科专业。实际动手能力和工程能力是工程专业学生的最重要的能力培养。虚拟仿真实验教学的定位不是要取代学生这些能力的培养，而是根据实验教学特点和内容的不同实现了实际教学环节难以实现的实验教学内容，主要解决实际实验过程难以实现的教学内容，更好地培养学生的工程能力和科研素质。

(1) 虚实结合完善基础化学实验教学内容。我校矿冶材料类专业的学生都要学习仪器分析课程并且要做相应的实验。教学中，对于结构复杂的仪器讲解，无法让同学们了解其内部结构；大型精密仪器分析实验一般分组实验，不能让每个人都能独立操作，在我国的高校中是普遍存在的现象。中心经多年的努力，已完成16种精密分析仪器的仿真及实验仿真设计、开发，并应用于教学。

(2) 虚拟仿真深化学生对化工操作的认识。化工原理虚拟仿真实验主要包括化工原理单元操作仿真、化工生产流程仿真和化工分散控制系统(DCS)仿真等功能，是学生进行化工原理实验、认识实习、生产实习培训的重要工具。系统模拟实验室单元操作设备和工业中央主控室中的操作界面，提供标准仿真控制系统界面，可以进行化工原理实验仿真模拟、工业生产冷态开车、正常运行、正常停车、常见事故处理等培训教学任务。通过对单元操作及化工生产的仿真学习，使学生对仿真有较为深刻的认识，同时对化工操作的概念从工程观念上有一个突破式的了解和认识。

(3) 实现消耗大，污染重实验教学内容的训练。矿物分离与湿法冶金过程大量需要水资源，有机溶剂，消耗大，污染重。但是，作为人才培养的基本环节，仅仅靠工厂见习是难以达到人才培养效果的。中心采取了虚实结合，互为补充的方法开设这部分实验。小批量实验在化学实验室进行，培养学生对基本反应现象和反应过程的直观认识，放大实验和工厂实验则进行虚拟仿真，部分项目还设计了虚拟现实设备的，可操作仿真实验。在能实不需的原则下，解决了实验教学问题，实现了人才培养目标。

(4) 解决能耗高、成本大、危险性高的实验教学。高温冶金、真空冶金、特殊合金材料、粉末冶金材料的制备都属于高能耗，高危险性的实验教学内容。其中，不少教学内容可以促进国防技术，节能技术的发展。中心通过3D设计虚拟实验过程，学生通过虚拟操作，可以实现对高温过程的学习了解，进而掌握高温过程有色金属冶炼和材料制备的相关原理和技术，配合实际教学过程达到人才培养目标。

5 虚拟仿真实验的实验教学功能

中南大学矿冶工程化学国家虚拟仿真实验教学中心的实验教学项目都是立足于中南大学人才培养的客观需要进行设计和建设。实验项目的设计和建设都按照于本科实验教学需要进行开发设计，并以现代计算机技术为基础实现其实验教学功能。在已建成的部分大型仪器虚拟仿真实验中，按照网络教学的特点，建立的各种教学互动界面。具有信息发布、数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等功能。根据实验教学特点和内容的不同实现了以下平台功能：

(1) 人机交互，数据库，3D技术，多媒体和网络化多种技术手段结合。矿冶材料类学科研究对象复杂。为解决这些复杂体系的虚拟实验教学问题，教师和信息技术人员运用了多种信息技术开发实验教学项目。例如，仪器仿真实验比较注重3D动画设计，人机界面交互操作，以及实验过程的考核监控等功能；化工冶金过程和矿业过程仿真实验注重，真实场景模拟，虚拟现实。有的实验项目，例如“电解铝生产过程仿真实验”还可以通过数据库的支撑，使学生能在虚拟现实条件下，考察各种条件对电解效率的影响。为支撑这些实验项目的开出，学校网络信息平台给予了大力支持，目前所有项目可以实现网络化教学与管理。

(2) 3D设计，实现虚拟仪器和场景进行实验。系列分析仪器虚拟仿真实验内容如：发射光谱仪、ICP等离子体光谱仪、原子吸收光度计、气相色谱分析仪、液相色谱分析仪、气-质联用分析仪、毛细管电泳仪、元素分析仪、电化学分析仪等实现了学生对“仪器”进行交互式的3D仿真操作。学生可以虚拟连接，调试仪器进行实验，并得到相应实验结果。

化工原理系列虚拟仿真实验可以实现单元操作仿真、化工生产流程仿真和化工分散控制系统(DCS)仿真等功能，系统模拟实验室单元操作设备和工业中央主控室中的操作界面，提供标准仿真控制系统界面，可以进行化工原理实验仿真模拟、工业生产冷态开车、正常运行、正常停车、常见事故处理等培训教学任务。

(3) 模拟实际设备与操作过程。针对矿物分离与湿法冶金过程，中心联合矿物资源加工与生物工程学院开发了现场虚拟仿真实验。购置模型容器，设计传感线路，开发了浸出流程模拟设备。现阶段开出了氧化锌矿的氨法浸出过程仿真实验。

(4) 虚拟仿真实验项目实行网络化管理。经过多年建设，多数虚拟仿真实现了网络化管理。① 考核功能，通过服务器后台实现题库调用，配合仿真操作，方便对学生进行考核；② 实验指导功能， 配备有实验指导、实验操作、数据处理，图表生成，实验报告，思考题以及可扩展试题库等内容；③ 交流平台功能，学生通过留言板在网上与教师交流，也可在学生间进行讨论；④ 注册保密功能，保护学校的教学资源和知识产权以及用户信息；⑤ 后台管理功能，可以让非系统开发人员也能对系统进行维护；⑥ 扩展功能，网络平台可以嵌入新仪器的仿真软件，对试题库等进行扩充。

通过上述虚拟仿真实验的建设与实践，特别是在全流程仿真学习过程中，使学生通过观察、联想、识别，从感性到理性，从直观到思维，把握化学和化工过程控制的属性及其联系，了解和掌握有色金属资源和材料加工过程，进行系统化学习。切实提高学生的动手实践与过程分析能力。同时，可将仿真教学与真实的工厂实习、模拟装置的实际操作结合在一起，提高实践教学效率，培养学生较强的岗位操作能力，取代认识实习的教学环节。

6 结 语

综上所述，矿业工程化学虚拟仿真实验教学中心立足于矿业材料类工程专业本科人才培养的要求，将虚拟仿真实验纳入化学基础实验和矿业工程化学专业实验课程体系，构筑了3个平台的虚拟仿真实验教学内容，形成了我校矿业工程化学虚拟仿真实验教学新体系。利用计算机虚拟仿真技术与真实实验课程互为补充共同促进了我校矿业材料类学科人才培养。

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[2] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

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The Construction of Experimental Teaching System of Virtual Simulation Experimental Teaching Center

CHENGuo-hui,LIUYou-cai,LIUShi-jun，HANXiang-ling,MANRen-lin,ZHONGHong

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Virtual simulation experimental teaching can imitate the experiment process of mining and metallurgical engineering chemistry which cannot be exhibited in the laboratory. Based on subject characteristics, Mining and Metallurgical Engineering Chemistry Virtual Simulation Experimental Teaching Center in CSU works to bring virtual simulation experiments subjects into industrial chemistry and chemical engineering courses and mining and metallurgical engineering chemistry courses. Three virtual simulation teaching platforms which are basic industrial chemistry virtual simulation experiments, separation of minerals and hydrometallurgical virtual simulation experiment, high temperature metallurgical and energy saving virtual simulation experiments are designed and constructed, respectively. Together with real experiments, a integrated experimental teaching system is formed.

virtual simulation; experimental teaching； mining and metallurgical engineering chemistry； virtual simulation experiments

2014-10-15

陈国辉(1969-)，男，湖南耒阳人，博士，国家级化学实验教学示范中心及国家级矿业工程化学虚拟仿真实验教学中心副主任，主要从事有机化学教学与实验室管理工作。

Tel.: 0731-88879616; E-mail: gh-ch@163.com

刘有才(1970-)，男，湖南益阳人，博士，研究员，化学化工学院副院长，主要研究方向为二次资源的开发和利用、实验室建设与管理研究等。Tel.: 0731-88836053; E-mail: liuyoucai@126.com

TP 391.9

A

1006-7167(2015)08-0169-04