新工科背景下虚拟仿真实验在化工专业教学中的应用

张仲利

(甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100)

当前国家工业正面临产业结构升级，为了更好地应对信息革命带来的产业变革，支持工业的发展，国家提出了工业制造转变为工业智造的战略口号。这对我国高校人才培养提出了新的要求，高校必须根据社会发展变化，转变教学理念和教学方式，提高学生的实践能力。将虚拟仿真技术应用在化工专业教学环节，可以提高学生的实践动手能力，实现理实一体化教学。虚拟仿真实验教学是教育信息化重要内容，是学科专业与信息技术深入融合的结果。

1 虚拟仿真实验概述

1.1 虚拟仿真实验

虚拟仿真是利用虚拟的技术仿照一个真实系统的技术。通过计算机、网络技术创建一个虚拟、交互式的三维动态场景，让人置身这个环境中立即有身临其境的感觉，并实现亲自操作，实现与虚拟环境的交互。虚拟仿真实验是利用计算机网络技术仿照实验室工作环境，利用可视化技术实现实验仪器设备的仿真，通过操作这些虚拟的实验仪器设备，即可完成实验，从而达到与真实实验教学一致的效果。虚拟仿真实验室改变了过去以教师为中心的实验教学，为学生提供一个逼真的实验环境，学生将自己设计的实验数据输入三维仿真软件系统，系统自动进行仿真，并得到相应的结果。学生可以通过仿真实验，找到自己实验过程中存在的问题，并不断提高自己的动手能力。

1.2 虚拟仿真实验特点

虚拟仿真实验具有交互性、沉浸性、开放性。交互性指虚拟仿真实验室可以实现实验室与学生之间的交互，学生在虚拟实验室操作鼠标、键盘或者其他设备，就可以看到真实实验现象，学生通过虚拟实验，得到相应的结果；沉浸性指虚拟实验室营造一个相对逼真的虚拟实验室，学生进入实验室感觉像进入了真实的实验室，在这个实验室学生可以操作相应的设备，从而达到实验的目的；开放性指虚拟实验室与传统实验室不同，学生不需要根据学校设置的实验时间、实现项目才能进入实验室进行实验，学生可以根据自己的需求随时进入虚拟实验室进行操作，并将实验结果发布到网络。

2 实施虚拟仿真实验的必要性

2.1 满足高校学生科研实验需求

目前，我校化工实验室引进了大量先进的设备，由于化工实验具有一定的危险性，化工生产工艺的流程比较复杂，设备自动化水平比较高，很多工作岗位需要持证上岗，因此很多化工实验学生不能动手操作。因此，学校化工专业的实验内容往往是一些不具备危险性的实验，实验内容固定，无法给学生个人发挥的余地。由于学校采购了大量的精密仪器，这些仪器设备价格比较昂贵，学校为了避免学生在实验过程中破坏仪器设备，往往明确了实验室的使用时间，导致学校大量的化学仪器设备处于闲置状态，无法发挥应有的价值。虚拟仿真实验室利用计算机虚拟技术，为学生构建一个真实的实验环境，学生可以操作虚拟实验设备，完成实验过程。根据化工实验项目不同，学校可以及时更新计算机软件，设置虚拟场景，即可完成虚拟实验，弥补传统实验室硬件设备不足问题，学生通过计算机就可以完成操作。其次，由于化工专业的实验具有一定的危险性，在实验过程中，可能产生有毒有害气体，一旦学生操作不当，可能引起火灾、爆炸等现象，造成人员伤亡事故。虚拟仿真实验模拟虚拟的实验环境，可以为学生提供更加安全、可靠的操作环境。

2.2 降低实验教学经费

化工专业涉及医药、化学用品、化妆品、服装、汽车用品等多个领域，化工实验过程中，需要耗费大量的实验器材、原料，是实验经费的重要组成部分。因此，实验教学费用成为高校教学费用一笔较大的支出。将虚拟仿真技术应用在化工专业教学，可以降低实验教学经费，只需要计算机技术人员编写一套软件或者设计一个场景，就可以让学生完成实验，极大地降低了教学成本。

2.3 激发学生学习兴趣

在学习化工工艺的时候，教师给全体学生演示实验过程，让学生了解实验原理和实验步骤。通过演示实验，学生可以直观地了解实验步骤、操作方法。虚拟仿真实验室采用虚拟技术模拟化学实验环境，在虚拟实验室，学生没有学习的负担，在操作过程中，不会对仪器设备造成损害，即便操作不当，学生只要恢复程序，重新进行操作即可，这样可以提高学生课堂的参与性，激发学生探究欲望，让学生进行自主探索，在不断探索的过程中，总结科学规律，提高教学效率。随着互联网的发展，虚拟仿真实验还可以采用远程网络教学方式，打破了教学的时间、空间限制。

3 虚拟仿真实验在化工专业教学中的应用

为了满足学校师生实验实训需求，目前学校正在拟建化工仿真实训中心，包括了化工实训原理控制、DCS控制单元仿真学习和考核软件、大型分析仪器仿真软件ISTS2.0、合成氨工艺仿真软件(包括净化、合成、转化等过程)、甲醇工艺仿真软件、水煤浆加压气化制水煤气工艺仿真软件、二甲醚工艺仿真软件等，这些仿真软件可以满足学校化工技术、安全管理、环境监测与评价等专业教学需求。

3.1 理论教学中的应用

理论是实践教学的基础和前提，化工专业课堂理论知识多概念性的知识点，知识面广，学习比较枯燥。当前化工专业理论教学主要以教师讲解为主，学生在讲台下做笔记，这种教学方式单一，很容易让学生失去学习兴趣。采用虚拟仿真实验，在理论知识教学过程中，可以为学生构建一个真实的学习场景，让学生进入到这个学习场景中，融入到教学环境中，提高教学效率。以《有机化学》教材第三章不饱和烃：烯烃和炔烃为例。学生需要掌握烯烃和炔烃的结构、同分异构、化学性质。烯烃烯烃和炔烃分子结构，sp2、sp杂化时教学的重点，在教学的时候，教师可以模拟烯烃和炔烃分子结构的环境，让学生置身到一个分子结构环境中，了解烯烃和炔烃分子结构的特点，烯烃结构异化是怎么造成的，官能团是如何运动的？通过虚拟仿真实验，学生仿佛置身于一个分子世界，将自己作为其中的一部分，感受分子运动变化，从而解决教学过程中的重点和难点，降低理论知识教学的难度。

3.2 实践课程中的应用

化工实践课程是检验学生理论知识和动手能力的关键环节，根据教学进度和学生的学习能力差异，构建实验类仿真实验、实训类仿真实验和创新拓展类三个不同层次的模块实验课程，用于学生理论基础学习、专业技能学习以及技能提高。实验类仿真实验室指高校教学过程中需要的各种实验教学项目，可以采用计算机仿真技术实现实验项目教学，解决一些由于危险性限制无法开展的化学实验；实训类仿真实验是模拟化工企业生产流程、生产工艺，让学生了解实际企业生产过程中的真实环境和要求，让学生掌握工作岗位要求的专业技能，帮助学生更好地适应工作岗位；创新类拓展仿真实验主要针对一些学习能力和动手能力比较强的学科，学生自主设计、开发实验，并得到一定的实验结果。高校必须根据化工专业的特点，设置不同类型的虚拟仿真实验中心，满足学生实验需求。

4 结束语

综上所述，虚拟仿真实验可以为学生提供一个真实的学习环境，激发学生的兴趣，提高课堂教学的效率和质量。将其应用在化工专业理论教学和实践教学中，可以降低学习难度和教学经费，解决教学难点。