基于“虚—实”组合教学在应用化学专业实验课中的应用

代伟 王芳芳 滕波涛 朱钢国

[ 摘 要 ] 以浙江师范大学应用化学专业开设的实验课为例，提出了运用“虚实相辅、虚中带实、可实不虚”的新型教学模式，为优化应用化学专业实验教学的拓新性、实效性和多样性以及提高“教—学”成效提供了新视野。

[ 关键词 ] 实验教学;应用化学专业;虚拟仿真

[ 中图分类号 ] G640 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1005-4634（2018）03-0102-04

实验教学在高校应用化学专业的学生培养环节中处于极其重要的地位。传统实验教学存在的局限性已经严重影响了学生的学习成效，使得教学质量面临着严峻的挑战。随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，它不仅可以在一定程度上代替传统的实验教学，而且可以克服传统实验的各种制约和弊端，从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题[ 1，2 ]。如果能将虚拟仿真技术结合于实验教学中，必将有效地弥补传统教学过程中教学形式单一、学生自主动手操作能力差、学习效率低等问题，产生重要的实验教学示范效应。

1 “虚中有实”和“实中有虚”实验教学构思

遵循“虚实相辅、虚中带实、可实不虚”的指导原则。“虚实结合”可以解决如下问题。

1） 解决“想做而不能做”的实验问题。例如，涉及到易燃易爆、高温高压类实验。

2） 解决 “能做不愿做”的实验问题。例如，浙江师范大学开设的化工原理实验中的筛板精馏塔，此实验在常压操作状态才能保证整个单元操作的正常性，因此需要塔顶设置常开状态的放空阀。在虚拟实验过程中，学生通过关闭放空阀加热精馏塔就可以观察到塔内温度持续增加甚至超过200 ℃，塔板也不会出现沸腾回流现象，并且塔内蒸汽压力越来越大，最终导致爆炸和设备报废现象。以上实验在现实中是不允许执行的。

3） 解决“只看不能做”的实验问题。对于大型精密贵重的科研仪器及装置，学生必须经过系统培训才能操作仪器，这导致绝大多数学生“只看不能做”，学生视野难以得到拓展[ 3，4 ]。例如，浙江师范大学开设的化工仪表及自动化实验。实验中的仪器使用部分必须先通过3D虚拟操作的考核，既能规范操作提高实验成功率，又能了解仪器原理和维护，能够处理可能遇到的常见问题。为了进一步丰富实验教学的内容，让计算化学实验成为综合實验的一部分，结合现有实验，设计制作化学反应计算与模拟实验，使同学们能够通过计算化学方法更深刻地掌握相关知识;通过虚拟仿真的形式，变枯燥为生动，变抽象为具体，激发学生的学习兴趣，使其有效地掌握一定的理论计算化学的知识，阶梯式深入思考，强化思维创新训练，拓宽知识数据库，增强应用化学实验教学功效。

另外，“虚中有实”是教师提出实验教学的又一特征，实现了科研成果带动本科教学。实验周期长，操作复杂，对学生综合素质要求高，实验的成功率受到一定限制，学生对实验的理解也不够充分。结合现有材料化学和化学生物学实验，开发虚拟仿真实验平台，实现实验准备、操作过程、产品分析检测等完整实验步骤的模拟，师生通过人机互动强化训练，精通实验操作，大幅度提升真实实验成功率。模拟中对所使用仪器原理和内部结构的展示，标准的实验数据分析、处理、绘图等，对学生深入理解实验内容、了解创新研究的意义很有帮助。 “虚—实”教学模式既可提高“教—学”效率，又可获得直观、真实和实用的效果，还能对不可视装置的结构原理和不可重组的精密设备作仿真实训。一方面可锻炼学生操作、认知和查检的技能，另一方面可培养学生人机互动，自由“教—学”的能力[ 5，6 ]。

2 “虚—实”组合实验教学类型

浙江师范大学应用化学虚拟仿真实验室建成于2016年，将“虚—实”结合的实验教学用于认知实习、仿真工厂实习、化工原理仿真实验、化工仪表仿真实验等。学院构建了由展示型、仿真模拟型、实训工厂型、化工设计型、创新课题型等5层次“虚—实”实验教学体系（如图1所示）。

2.1 展示型

展示型“教—学”是借助“化工原理实验”“化工仪表实验”“反应工程实验”“基础化学实验”等多系列、多角度和多方位的仿真素材库，以视频、PPT、在线演示资料等展示真实教学过程。实施过程中，先通过虚拟仿真软件深化理论知识的学习，培养学生独立思考的能力，获得优化运行参数，再通过实际实验操作提升学生对仪器、工艺、原理和技术的认知，提高发现、分析和解决问题的能力。

2.2 仿真模拟型

仿真模拟型利用计算流体力学技术和虚拟仿真实验技术，对化工单元设备中介观微粒、气泡、液滴以及微元进行仿真，绘制出设备流场中的工艺参数的三维空间分布，优化设备的型式与结构，并进行流程的动态响应测试、安全评价、事故训练等实践训练，为化工过程的安全操作与经济运行提供参考。例如，丙烯高温氯化混合反应器仿真与优化设计。针对高温氯化法生产氯丙烯过程中存在的系统结焦严重、清焦周期过短、反应收率低的问题，运用计算流体力学，结合湍流结构理论和统计学理论，提出了流体多维变形扩散过程以及湍流剪切拉伸耦合的多尺度混合机理模型。通过将该理论模型与反应动力学模型、流体力学输运模型相结合，形成了反应器的整体仿真与优化设计平台。运用该虚拟仿真平台仿真模拟了丙烯高温氯化混合反应器的结构型式、操作参数，获得了浓度场、速度场和温度场等的数据分布（如图2所示），并探究出了反应器结构特征、操作条件和操作方法等对反应的不利影响因素，最终提出了反应器的结构优化改造方案。

2.3 實训工厂型

实训工厂型以“丙烯酸甲酯半实物虚拟仿真工厂”为例：以平湖石化现有的丙烯酸甲酯生产工厂为模板，等比例缩小生产装置，将此生产工艺设备安装进实验室。采用真实工业阀门和仪表配合真实比例的仿真设备。装置与丙烯酸甲酯3D仿真软件完美融合，实现在线开停车、事故处理等实训操作，极大地优化了学生的学习兴趣。师生利用实体设备和计算机进行DCS 控制风格的仿真训练培训。学生可在局域网内的学生工作站练习模拟工厂开车、停车、正常运行和各种事故现象处理。教师可在局域网互联的教师站实时规定或修改学生的培训内容、组织考试、学生成绩等，弥补了传统教学时学生无法亲自动手操作的不足。图3为丙烯酸甲酯 DCS 控制界面。借助高效仿真系统中的工艺流程、设备、分析数据等实时互动、交流，使师生在一种特殊的环境中产生了亲临真实企业的感受和体验（见图4）。

2.4 化工设计型

设计型“教—学”要求学生运用已学的四大化学和化工相关专业知识，根据指定的设计任务完成化工原理课程设计、车间设计、毕业设计以及课堂小设计等环节。例如，在流体力学模拟仿真实验中，由于化工原料及产品大多数是流体，并且在化工设计过程中需要应用流体流动的基本原理，因此，流体流动问题显得非常重要，具体表现如下：流体输送过程中一般需要输送设备，必须计算流体在流动过程中应加入的外加功，为选择输送设备提供依据;合理选择和安装测量仪表对管路或者设备内的压力、流速、流量等参数进行测定来控制生产过程;化工传热和传质是在流体流动的情况下进行，并与设备的操作效率和流体的流动状况息息相关，这对设备选型设计具有重要意义。因此，通过流体力学虚拟仿真软件（见图5），便于学生深入学习流体输送设备的基本结构、工作原理及特性，以便能根据输送任务正确地选择输送设备的类型和规格，决定输送机械在管路中的安装位置，计算消耗功率，使输送设备在高效率下可靠运转，再根据虚拟仿真实验的结果，在现场进行验证（见图6），使学生更好地掌握流体力学方面的知识。

2.5 创新课题型

针对学有余力的优秀学生，教师可以通过创新课题型“教—学”提高其创新能力，鼓励自主创新，解决若干具有挑战性的问题。学生参加创新创业学科竞赛、国家大学生创新创业训练、浙江省新苗人才计划等实现创新训练。例如，学生在教师的指导下，组成创新课题小组，完成了“基于 Aspen plus 软件的环氧丙烷生产工艺优化计算”“平推流与全混流反应器系统仿真开发”等项目;在题目为“针对某一含硫工业废气源设计一套深度脱硫并予以资源化利用的装置”的2017年第十一届全国大学生化工设计竞赛全国总决赛中，学院学生运用“虚—实”组合技术的作品“年产3 500 t牛磺酸项目”获得了全国赛一等奖的好成绩。图7是学生的ASPEN全厂工艺流程图。

3 结束语

强调“虚实相辅、虚中带实、可实不虚”的新型培养模式，利用仿真软件结合现实复杂实验组合的教学手段，不仅能实现“教—学”的虚实对照，更能完美地实现真实实验与虚拟实验结果的一一对照和评定。对于简单或已开设的实验，可引导学生对比真实实验与虚拟仿真结果，加深知识点的掌握，做到“能实不虚”;而对于复杂或没有开设的实验，则利用逼真的虚拟仿真结果生动地展现实验过程，优化整体教学内容，让师生对实验数据和虚拟仿真的相辅相成作用有更深刻的认识。

参考文献

[ 1 ] 宋建争，李建军，张永强.化工虚拟仿真实验教学探索与实践[ J ].教学研究，2014，37（ 3）：107-109.

[ 2 ] 许亚岚，罗雄麟.优化实践教学体系，培养复合型人才[ J ].实验室研究与探索，2013（ 32）：175-177.

[ 3 ] 曾芬芳.虚拟现实技术[ M ].上海：上海交通大学出版社，1977.

[ 4 ] 张亚涛，张文辉，陈卫航.化工类专业化工设计教学的改革与实践[ J ].化工高等教育，2010（ 5）：50-52.

[ 5 ] 孙小琴.基于理论与实践一体化导向的化工教学设计探析[ J ].化学教育，2015（ 10）：61-64.

[ 6 ] 胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[ J ].实验室研究与探索，2015，34（ 2）：140-201.

Application of "virtual-reality" combination teaching in experimental courses of applied chemistry major

Dai Wei，Wang Fang-fang，Teng Bo-tao，Zhu Gang-guo

（College of Chemistry and Life Sciences， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321004，China）

Abstract Taking the experimental courses in applied chemistry specialty of Zhejiang Normal University as an example， the paper proposes the application of the new educational model of "real complements with virtual， reality in virtual， real deprived of virtual"， providing a new perspective for the optimization of the innovation， effectiveness and diversity of the applied chemistry experimental teaching and meanwhile improves the teaching-learning effectiveness.

Keywords experimental teaching; applied chemistry; virtual simulation