化工类虚拟仿真实验教学中心建设与实践

代方方，费贵强，李 磊，姜 静

化工类虚拟仿真实验教学中心建设与实践

代方方，费贵强，李 磊，姜 静

（陕西科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710021）

以陕西科技大学化工虚拟仿真实验教学中心的建设实践为例，介绍了化工类虚拟仿真实验教学体系的构建、教学资源的具体内容以及中心的教学特色。以辅助教学平台、专业基础平台和工程实践平台为主体，构建了多层次、递进式的虚拟仿真教学体系和三梯度、“软硬结合”的实践教学模式。虚拟仿真实验教学体系和模式的建设与实践，提升了学生专业实践能力和解决复杂问题的能力。

化工；教学体系；教学平台；虚拟仿真

信息技术的不断发展，正在促进着教育领域的深刻变革。根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》要求[1]，人才培养必须以强化实践教学为着力点，必须以信息技术的应用作为提高教学质量的重要手段[2]。实践教学尤其是实验教学，对于化工与制药类相关专业至关重要，是培养学生动手能力和提高学生综合素质的关键教育环节[3]。虚拟仿真实验教学项目作为实验教学的组成部分，更加强调信息化技术在实验教学中的应用[4-5]。自2013年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，已遴选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心，并计划到2020年遴选出1000项示范性虚拟仿真实验教学项目[2]，这些工作取得了积极的反响和良好的效果[6-8]。

随着虚拟仿真实验教学中心的建设成果不断显现，“虚实结合”的新型教学模式已经充分展示出其特有的优势[9-10]。在国家“双一流”建设和陕西省四个“一流”建设政策背景下，陕西科技大学加强实验室硬件、软件建设，优化教学资源势在必行。进一步建设虚拟仿真实验教学中心，对于提高人才质量，支撑学科建设发展，提升学科综合实力和影响具有重要 意义。

1 实践教学体系构建

几年来，经过不断的探索与发展，陕西科技大学化工虚拟仿真实验教学中心（以下简称中心）按照“成本低、消耗少、零排放、易管理”的建设思路，根据“虚实结合、相互补充、能实不虚、科技融合”的建设原则，通过实验教学与优势学科相结合，实验教学与实习实训相结合，实验教学与科研项目相结合，形成“线上线下一体化，软件硬件相结合”的多层次、递进式的虚拟仿真实验教学体系，实现了“教学、培训、研究、交流”的功能。虚拟仿真实验资源的应用基本解决了实物装置占地面积大、维护费用高、利用率偏低、数量不足以及“三废”污染等问题[11-12]，有效解决了学生实际动手难的问题。

中心依托我校工科化学教学示范中心、化学工程实验/实训平台和我校化学工程与技术的学科优势建立，并与化工大类实验教学、化学工程实训形成一体，承担着全校化工大类本科生、职教生及研究生的化学工程实验教学和基本技能实训任务，兼顾科研中试、产品转化等工作。在中心建设的过程中，构建了与实体实验/实习紧密结合的专业实验与虚拟仿真实验教学体系，主要包括3大部分，即辅助教学平台、专业基础虚拟仿真平台和工程实践虚拟仿真平台，如图1所示。该体系从软件到硬件、从线上到线下、从教学到实训实习，基本涵盖化工专业的知识内容，通过虚拟仿真平台即互联网在线培训系统与实际化工生产技术相结合的方式，实现了化工人才培养要求，尤其是对工程实践能力的要求。

图1 化工虚拟仿真实验教学体系

2 教学平台资源建设

2.1 辅助教学平台

2.1.1 化工设备3D培训系统

本系统将抽象的、无法直接观察的化工设备技术形象化、具体化，基于丰富的表现力和良好的交互性，通过3D动画、视频、图片等多媒体技术，使传统教学过程中抽象知识转变为形象记忆，有效激发了学生的学习兴趣，提升了学习效果，使学生能够深刻掌握相关专业知识。

2.1.2 典型事故案例分析课件

2016年11月，国家安监总局、教育部联合要求，在全国相关高校和专科学校将化工安全生产课程设为必修课。为响应国家号召，我院对“化工环保与安全”专业课程的知识进行扩充，在虚拟仿真平台开设了“典型事故案例分析”课程。该部分内容包含28个课件，每个课件的时长为2~5 min，每个课件包含培训内容有装置简介、事故经过、直接原因、间接原因和测试题等5部分内容。以动画、录像、图片等形式讲述分析了化工生产中的一些常见的违规行为导致的事故。事故类型具有典型性，与工厂生产实际紧密契合。

2.1.3 知识点管理系统

知识点管理系统基于先进的设计和开发理念，以专业知识点和素材管理为核心，既可以实现对知识点、素材全面高效的管理，同时可使学生方便快捷地浏览访问素材，实现了知识点的统一有效管理和安全便捷的传播。服务器端能够将我校现有的分散的培训素材（含视频、图片、动画、文档等）以知识点的形式统一存放、安全管理，并利用各类网络以Web方式对外发布。

2.2 专业基础虚拟仿真平台

2.2.1 化工单元操作虚拟仿真系统

化工原理是化工大类本科生重要的专业基础课。该课程涉及面广、知识点多，学生普遍反映知识散而难理解。基于我院化学工程实验/实训平台，设计出了与该平台配套的化工原理虚拟仿真实验，并与实体实验形成互补关系，真正遵循了“虚实结合，以虚辅实”的原则。

化工单元操作虚拟仿真系统主要开设了10个专业基础实验，如表1所示，覆盖了所有的典型化工单元操作。针对不同专业方向的学生，选做与本学科密切相关的实验。系统中实验室按照美国工程技术认证标准布置，以高校实验室设备为原型进行建模，设备还原度非常高。学生可根据任务系统的提示独立完成整个实验操作，并可以进行反复练习。评分系统对学生的实验操作步骤和思考题完成情况作出整体评价，并给出最终成绩。该系统旨在提高分析问题和解决问题的能力，并培养学生团结协作的精神，从而提高学生综合能力。

2.2.2 大型分析仪器仿真软件

仪器分析是分析化学的重要分支，是现代分析测试的重要手段，很多理工科专业都开设了“仪器分析”课程。仪器分析教学任务是让学生掌握分析仪器的原理、结构以及熟练地进行仪器操作、数据处理等。目前，传统的仪器分析教学主要存在以下问题：（1）仪器设备数量有限，多数仪器造价昂贵；（2）仪器分析实验课教学课时有限，无法保证学习效果；（3）实验耗材消耗量大，带来环境污染；（4）学生缺乏实践经验，毕业后到工作岗位无法立刻上岗[13]。

为了解决上述问题，建设了与传统教学互补的分析仪器虚拟仿真培训软件。软件界面采用3D建模，高度还原分析仪器实验室场景，为学生提供一个立体化、沉浸式学习平台。场景中嵌入丰富的交互操作，学生可以进行如样品配制、仪器开机、样品测定、数据采集、数据分析等一系列操作；还可以自由设置样品浓度、分析方法，并可得到与之相符的实验结果，满足进阶学习的需求。辅以大量的多媒体素材，如结构原理动画、真人操作视频等，丰富培训内容，使学生全方位学习仪器分析知识。同时支持网络模式运行，便于组织学生培训及各种考核竞技活动。旨在使学生通过反复练习与观摩，熟练进行各种常规分析仪器的操作及项目检测，为我校仪器分析课程提供一个经济、高效的模拟实训及考核平台。

2.3 工程实践虚拟仿真平台

2.3.1 化工过程操作虚拟仿真系统

化工过程操作虚拟仿真系统共包含6个单元的化工过程操作（见表1），基本涵盖了化工行业中重要的基础操作，有助于学生了解基本操作原理和专业设备，掌握化工操作和提升工程实践能力。

系统所用工况均来自具体工艺实例，内部运算模型准确稳定。在满足软件操作的前提下，软件3D场景仿真度高，力求还原真实现场，特别对细节考虑周到。例如，车间管道布置布局和管道颜色等均按照相关工艺标准设计。

2.3.2 煤化工虚拟仿真实训

煤化工虚拟仿真软件包含甲醇生产工艺认识实习仿真实训和甲醇生产工艺生产实习仿真实训两部分，均采用最经典的煤化工生产工艺。

（1）甲醇生产工艺认识实习仿真实训。认识实习知识点范围包含甲醇生产的工业背景以及厂区情况介绍、甲醇工艺原理相关内容、化工相关的硬件设备知识、安全急救知识、仪表自动化知识等。

（2）甲醇生产工艺生产实习仿真实训。生产实习虚拟仿真实训包含四塔甲醇精馏工段和鲁奇甲醇合成工段操作。中控操作站拥有和真实DCS一致的逻辑控制程序，更可靠、更逼真。系统场景中，与实际生产装置的比例为1∶1的设备装置区，可以使学生更快更准确地熟悉设备装置、工艺流程及操作。软件充分参考真实车间设置与布局，比如中控台、安全标识、消防设备等。

2.3.3 DCS控制乙酸乙酯生产工艺仿真实训

乙酸乙酯是一种重要的工业溶剂，是应用最广泛的脂肪酸酯之一，其生产方式可采用间歇式或连续式，合成路线具有典型性。因此我们引入乙酸乙酯生产工艺3D虚拟现实仿真软件，不仅可以补充我院精细化工方向的教学内容，同时与我院购置的DCS控制乙酸乙酯合成实训装置（见图2），形成综合实训平台，真正做到“虚实结合”，有利于学生工程实践能力的提升。

图2 DCS控制乙酸乙酯合成实训现场图

3 教学特色

3.1 建立多层次、递进式虚拟仿真教学体系

从素材资源到化工单元操作，递进至化工过程操作及化工生产操作，逐步构成广而深的虚拟仿真实验教学内容。使学生从视频、动画、flash等教学素材资源入手，逐步过渡到单一的化工单元设备仿真操作；在掌握单一的化工单元设备仿真操作后，进行由多个不同的化工单元设备组合构成的化工过程操作仿真，最终独立或合作进行包括设备开车、调节、DCS控制、各工段整合、故障排查等一整套化工生产操作的仿真，在形象、直观的仿真操作过程中有效加强对化工生产过程中仓储、输送、反应、分离、控制等必要知识的掌握和理解。

3.2 打造三梯度、“软硬结合”的实践教学模式

即虚拟仿真教学平台、中试生产装置和生产实习基地形成紧密联系的三梯度实践教学模式，坚持“软硬结合”，实现“所见即所有”“所练即所用”。采用软件虚拟与实验设备相结合的方式，使得虚拟仿真软件与实验室设备相一致，虚拟仿真软件与教学用工厂模型相一致，虚拟仿真软件与实习工厂的真实设备相一致，“三个一致”有效缩短了“准现场实践”与实际实践操作间的距离。帮助学生由虚拟仿真软件中熟悉设备结构、操作流程后，在中心中试生产装置中进行“准生产”操作，直至生产实习时在化工厂生产现场进行参观、调研，形成从虚拟仿真-中试操作-化工厂生产的三梯度实践教学模式，充分满足各专业实践教学的要求，切实提高学生工程实践能力和创新能力。

4 结语

将虚拟仿真技术引入教学实验和实践中，构建了化工虚拟仿真实验教学中心。建立了多层次、递进式虚拟仿真教学体系，打造了三梯度、“软硬结合”的实践教学模式。丰富了实验教学手段和资源，提高了学生自主学习的积极性，强化了学生专业实践能力和解决复杂工程问题能力，更好地满足了人才培养要求。未来，本中心将进一步发挥学科特色，开发轻化工助剂相关的虚拟仿真实践教学内容，扩充教学资源与共享能力。

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室. 国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[EB/ OL]．（2010-07）http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/ moe/info_list/201407/xxgk_171904.html?authkey=gwbux.

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Construction and practice of virtual simulation experimental teaching center of chemical engineering majors

DAI Fangfang, FEI Guiqiang, LI Lei, JIANG Jing

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

By taking the construction practice of the Chemical Virtual Simulation Experimental Teaching Center in Shaanxi University of Science and Technology as an example, this paper introduces the construction of chemical virtual simulation experimental teaching system, the specific content of teaching resources and the teaching characteristics of the center. With the auxiliary teaching platform, professional basic platform and engineering practice platform as the main body, a multi-level and progressive virtual simulation teaching system and a three-gradient practical teaching mode with the “Combination of software and hardware” are constructed. The construction and practice of virtual simulation experiment teaching system and mode have improved students’ professional practical ability and their ability to solve complex problems.

chemical Engineering; teaching system; teaching platform; virtual simulation

G482

A

1002-4956(2019)10-0279-03

2019-03-04

2019-08-07

陕西科技大学博士科研启动基金项目（2016QNBJ-18）

代方方（1987—），女，山东邹城，博士，副教授，研究方向为环境催化与分离工程。E-mail: daifangfang@sust.edu.cn