化学化工虚拟仿真实验教学的新工科建设

李传 崔敏 唐艳凌 张淑霞 杜峰 罗辉 邓文安

【基金项目】教育部产学合作协同育人项目（202101033004）;中国石油大学（华东）教学研究与改革项目（SJ-202009）

【摘要】现阶段的化学化工专业已经形成了“五层面”、“五结合”与“五平台”有机统一的工程教学体系，确保了“立足于教学、产学研相结合、面向企业、围绕共享”的虚拟现实教学理念。将现代化科学技术与大数据云技术建设、教学资源管理以及虚拟实验室的高效开展与共享，进一步提升学生的动手能力与创新思维，其对推动双一流高等院校建设具有强有力的推动性，为新工科注入了全新的血液。

【关键词】虚拟技术;化学化工;新工科;资源管理

引言：化学化工属于最为典型的实验性学科，其在实验教学中占据主导地位。因化学与化工的实验过程中长接触各种各样的有毒、有害化学药品以及高压设备，导致实验本身具有一定的风险性和危险性。

一、化学化工虚拟仿真教学应用背景

1.化学与化工教学中存在的问题

现阶段的化学与化工实习已经成为高等院校人才战略培养环节的难点问题。对于企业本身而言，大多数不愿意接受高等院校的学生进行实习。现代的化工产业逐渐趋于自动化、半自动化，导致学生的动手能力不断下降，难以进一步接触相关生产设备、工艺以及操作方法的。对于工科学科而言，实训是培养高等人才非常重要的环节。目前的化学化工主要存在以下方面的问题[1]：①部分实验药品具有一定的毒性、污染性以及试剂费用高昂等;②部分化学药品的条件较为苛刻，实验室环境下难以实现;③化学化工的实验器材大多数属于高精密仪器，因此难以让学生通过实验进行掌握;④实训设备具有一定的体积，因此在实验室难以进行安装等。

2.资源共享成为改革趋勢

现代信息化技术对教育改革与发展具有非常重大的意义，现代网络信息技术处于快速发展阶段，利用互联网技术、仿真技术以及其他现代高科技产业进行相结合，在传统教育的基础上，搭建全新的教育教学体系结构与框架，建立具有可发展性可持续性的虚拟仿真教学，其可以满足教学、实训以及考核等项目的综合性。虚拟仿真教学的实验教学建设，将大幅度提升实验教学资源管理，弥补部分实验条件的缺失，有效解决实验环节存在的问题，虚拟仿真技术不仅可以通过虚拟仿真教学平台进行远程共享，而且还可以提高学生的动手能力，降低学校资源的浪费，降低教育教学的成本，为新工科高效建设注入全新的发展内涵[2]。

二、化学化工教育教学体系

1.明确实验教学体系

建立稳固的“着手与教学、产学研相结合，面向企业实现开放式”的虚拟仿真技术，将虚拟实验与真实实验相结合，将高等科研教学成果第一时间进行转换实现反哺式模式，将重大的发现与发展积极转化为实验教学内容，实验现有教学资源与仿真技术进行高效结合，不断提升学生的动手能力。

建立具有“五种层次”的教学培养模式，即人才类型培养与市场需求呈现正相关，将实验环节的内容划分为教育教学演示、仿真操作、化学化工实训操作、设计类型、科研学习创新型平台五部分，其主要按照专业知识的体系以及工程实践规律的搭建进行整体性考虑。“五结合”主要是指将理论课程相结合、与实验实践相结合、工厂实训相结合。其中，五个结合主要包括18种专业知识课程、12门化学化工实践课程，辐射类型包含16种专业类型的基础课程，其基本覆盖了化学、化工实践教育教学课程。如图1所示。

图1  全新实验教学体系

2.化学化工实验教学设计

根据现阶段的化学化工专业知识理论与实践流程，结合多年的优质教学资源教育教学，设立现代仪器的虚拟仿真设备以及具有化学化工特色的专业仿真平台，如化学技术原理、化学化工工艺、时间实训装置、实验实训场地，构建由课程教学演示型、仿真技术操作类型，实训综合类型、专业设计类型以及科研创新类型相结合的5种模式，开展分层教育，进行专业性，针对性教育培养模式，实现教学内容开放化、共享化[3]。

针对现代高精密分析仪器仿真平台，可以开展气体连用分析实验、液体联用分析实验、X射线衍射分析仪器，场发射扫描电子显微镜等实验设备;对于化学技术原理仿真平台，如传热的综合性实验，常用搅拌器类型检测，萃取实验的开展，离心泵组综合性能的开展。

3.网络信息实现共享

化学化工仿真技术主要基于实验教育教学平台进行搭建的，其中包含实验室资源管理和实验室教育教学管理。网络技术的应用可以有效管理教学教学资源并实现资源共享，不断提升实验教育教学的信息化。学生可以利用该平台进行提前预习，通过仿真仪器进行特定的虚拟实验。同时教师与学生可以实现课程内外的沟通交流，教师可以通过互联网平台对实践内容进行整体性改革，对于给出的评语，学生可以实现实时查看[4]。教师也可以在平台上实现作业的发布，对学生的预习、实验过程以及实验结果进行综合性的评价。

三、教学方式实现共享

1.教学资源实现共享

教育教学资源实现共享的代表性学校，井冈山大学在仿真实验室成功建立之后，实现了资源共享，其秉承着共建、共享的理念，为广大师生提供虚拟仿真资源的共享业务。化学化工虚拟仿真平台成为了教师与学生进行交流的第二个平台，并在全校范围内实现了免费访问。

2.共享建设规划

扩大辐射的范围、强化深度合作。不断加强兄弟院校的教学互动，认真开展共建共享合作机制，建设具有通用性、集成性的化学化工虚拟平台，进一步实现所有平台的虚拟仿真技术[5]。不断拓宽学生的视野，实现绿色教学。同时，在现有校企合作模式条件下，进一步扩大与企业的深度合作，共同开发具有特色的虚拟仿真平台，创建属于自己的知识产权，实现自主产权化，对重点项目进行共同建设、实现利润共同享有，确保化学化工仿真平台可以实现可持续化发展。

结论

本文主要阐述了现代虚拟仿真技术的研究背景以及教育教学模式，将虚拟实验平台与真实实验相结合，将高等研究成果与教学相结合，立足于企业发展需求，不断建立多学科共同发展的交叉优势，加快学生到技术人员的角色转变，推动化学化工实现快速发展于应用。

参考文献：

[1]王嘉晨，刘璐，王小锋，刘光祥，李明海.虚拟仿真技术对改进实验教学的探索[J].广州化工，2020，48（08）：148-150.

[2]岳玮，王菊，李靖.化学化工虚拟仿真实验室构建和实现方法研究[J].考试周刊，2016（A2）：133-134.

[3]陈海辉，刘小兵，张定娃，刘利民，陈民.化学化工虚拟仿真实验教学的新工科建设[J].广州化工，2019，47（17）：185-187.

[4]杜静，赵温涛，冯霞，马骁飞.化学化工虚拟仿真实验教学平台的建设与应用[J].大学化学，2021，36（01）：146-152.

[5]桂林理工大学化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心简介[J].高教论坛，2016（05）：129.