化学化工虚拟仿真实验教学中心建设与实践

王彬，秦川丽，刘一夫，孙少平

黑龙江大学化学化工与材料学院，哈尔滨 150080

自2013年以来，教育部先后开展了国家级虚拟仿真实验教学中心、示范性虚拟仿真实验教学项目和虚拟仿真实验教学一流课程的建设。近年来，各高校在相关的建设方面开展了积极探索与实践，虚拟仿真实验教学已成为提升高等教育发展水平和全面提高人才培养质量不可或缺的手段。特别是在高危、高污染和高成本的化学化工类相关学科的实验教学方面发挥越来越重要的作用[1-6]。虽然我校1998年就在化学工程与工艺专业开展化工模拟仿真课程，但因为软、硬件建设薄弱等原因并未实现系统、开放的现代信息化建设，没有将虚拟仿真实验教学融入化学实验教学体系。为了弥补实验教学无法或者难以实现的教学过程问题，我校有针对性地开设了系统的化学化工类虚拟仿真实验教学，建立了多功能、多层次、综合性的化学化工类虚拟仿真实验教学中心和体系、信息化平台、实验项目和课程[7,8]。

1 化学化工虚拟仿真实验教学中心建设

以省级实验教学示范中心为依托，以化学工程与工艺专业、化学工程与技术学科的化工模拟仿真实验室为基础，利用校内数据科学与技术学院、信息与网络中心和教育技术中心等资源，2014年，组建了黑龙江大学化学化工虚拟仿真实验教学中心(以下简称中心)[7]。多年来，中心充分利用本校化学和材料化学学科ESI数据库排名进入全球研究机构前1%的学科和国家级一流专业的专业优势，功能无机材料化学教育部重点实验室、中俄联合国家级科技创新平台和中俄联合本科实验室等科研资源，坚持能实不虚的大方向，以培养具有创新精神和实践能力化学化工人才为建设目标，按照“资源共享、学科融合、虚实结合”的建设理念，搭建了化工虚拟仿真实验室、化学制药虚拟仿真实验室和大型仪器材料表征虚拟仿真实验室，建立了多层次、多功能、综合性的虚拟仿真实验教学体系，服务于化学工程与工艺、环境科学、高分子材料与工程、材料化学、制药工程、生物工程、生物技术等2个二级学院7个专业。中心逐步成为了省级化学实验教学示范中心的重要建设组成部分，为2018年获得的省级高等学校教学成果特等奖——“黑龙江大学化学实验教学中心建设的改革与实践”做出了重要贡献。

2 虚拟仿真网络平台建设

开放共享的信息化网络平台是虚拟仿真实验教学运行和对外开放的基础，中心建立了辅助虚拟实验教学和管理于一体的开放性、共享的虚拟仿真信息化网络平台(以下简称“平台”，网址：http://119.163.195.34:8088/hljuweb/index.do)，实现了虚拟仿真实验中心、项目、课程和教学一体化管理。实行虚拟仿真实验中心实验室信息网络化管理，高效管理实验教学资源，具有较强的数据统计和分析功能；实现了虚拟仿真实验项目和一流课程申报，对外开放辐射，可持续完善、升级、整合和提升综合信息化管理；实现了实验教学安排组织，教学情况和信息数据统计及分析，时时师生在线交流，学生学习情况监督、分析和统计；实现了完善的学生成绩评价体系，实时反映学生操作过程，便于学生及时发现问题，提高学生分析问题和解决问题的能力，促进了虚拟仿真课程信息化建设，突破了时间和空间等多种因素的局限性。

根据“大工科”人才培养体系和国家级一流本科专业建设“双万计划”的建设需要，平台搭建了化工虚拟仿真实验教学、制药工程虚拟仿真实验教学和大型仪器材料结构表征虚拟仿真实验教学三大模块。化工虚拟仿真实验教学模块拥有合成氨三维虚拟仿真实验项目和一套化工单元实习仿真软件(其中包括15个基本单元操作)，服务于化学工程与工艺、环境科学、高分子材料与工程专业化工模拟仿真课程；制药工程虚拟仿真实验教学模块拥有硬胶囊剂生产三维虚拟仿真软件，服务于制药工程、生物工程、生物技术等专业课程；大型仪器材料结构表征虚拟仿真实验教学模块利用学院科研成果，开发了对二氧化钛纳米粒子的扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱四个大型仪器表征的虚拟仿真实验教学项目，服务于国家级一流本科专业建设“双万计划”材料化学专业的“材料合成、结构及性能测试实验”和“材料加工与设计实验”课程。

3 虚拟仿真实验项目建设

3.1 合成氨三维虚拟仿真实验项目

为了解决化学工程与工艺专业实验教学中工程能力不足，实习实训场地、环境、安全和动手操作难等限制实际问题，结合我省工业产业特点和国家化工类人才培养需求，以合成氨工厂工艺为模拟载体，2015年搭建了合成氨3D虚拟现实仿真实验项目[8]。在服务于化学工程与工艺专业化工模拟仿真课程基础上，成功推广到环境科学、高分子科学与工程等工科专业，此项目获得2017年黑龙江省示范性虚拟仿真实验项目。

该项目采用三维虚拟技术动态过程高度模拟实际合成氨工厂环境、生产过程，将厂区、生产车间、设备三维构象呈现，学生以不同工种角色可以身临其境地漫游工厂、操作设备、仪表控制、调节元件阀门参数、检查故障等实际操作(图1)，还可以满足多个角色共同合作生产，具有较强的沉浸感和交互性。满足了学生对经典工艺流程、设备原理、单元操作、控制系统、故障处理、环境安全生产等知识点的学习理解。其中，工艺技术主要包含能量转换、合成氨的制备、气体的分离与净化以及现代化催化反应工程技术等。

图1 合成氨工艺3D操作界面

在虚拟仿真教学中，分别进行脱丙烷精馏、吸收及锅炉等工艺岗位操作，重点掌握合成氨原料气的制备、变压吸附(PSA)工艺、氨的催化合成三个煤制合成氨的重要工段，每个工段重点操作开车、停车并登记操作分数，了解正常操作的工艺参数和典型的事故处理方法。掌握调节器和调节阀的基本操作方法，进而熟悉比例积分微分控制(PID)在线整定及对复杂控制系统的投运和调整技术，比如串级控制和分程控制。在合成氨3D虚拟仿真界面，熟悉整个合成氨工艺的主要典型设备，包括泵、压缩机、换热器、精馏塔、合成塔等。理顺从原料到产品经过一系列单元操作的主要工艺路线，了解化工厂的安全操作规程，能够角色扮演一名工艺人员或多个角色合作进行相应操作。

在基础和专业实验教学中，借助于我们实验室的化工单元操作设备，动手实际操作煤制合成氨虚拟仿真的核心相似单元操作，如精馏过程、吸收过程、回流过程、(真空)浓缩过程、传热过程和离心泵等，进而实现相应的虚拟实验的相近的实际操作练习，在化工厂实习不能动手的操作，在实验室教学中得以实施。通过虚实的结合，实现了虚拟仿真过程的真实再现，实现了虚拟实验教学和实验室教学、学校和化工企业的无缝衔接。

3.2 硬胶囊剂生产三维虚拟仿真实验项目

为了进一步解决制药工程专业实验教学中工程能力不足，实习实践等活动所需场地、时间、经费以及安全等多种因素的制约实际问题，以硬胶囊剂生产为载体，我们搭建了硬胶囊剂生产3D虚拟仿真实验项目，服务于化学制药专业化工模拟仿真课程，并成功推广到本校生命科学学院生物工程、生物技术等专业，此项目获评2018年黑龙江省虚拟仿真实验项目。

在虚拟仿真教学中，分别进行硬胶囊剂生产过程的206个知识点学习，包含单元操作(图2)：人员更衣消毒(包括换鞋、更衣、洗手、烘干、二次更衣、二次洗手、消毒等43个知识点)、领料称量(27个)、粉粹过筛(物料的粉碎和筛分操作，30个)、制软材、湿法制粒、干燥(物料制浆、混合、制粒以及干燥进行流程化操作，27个)、硬胶囊填充(空胶囊壳排序、拔囊、装料再到组合成完整胶囊剂的全过程，27个)、内包装(选用铝塑包装的形式，对零散的胶囊进行包装，任务中对规范的操作和设备的运作原理进行详细讲解，并对设备相关部件单独说明，便于理解和学习，26个)、外包装(模拟真实的生产车间，用户可在生产现场漫游，了解设备设施布局，并可以任意角度旋转查看设备部件的构造等，26个)。整个生产过程设计至少10个岗位，学生交互性操作步骤61步，通过人机互动，将药品实际生产场景虚拟现实化；通过虚拟仿真练习，提高学生的工程设计与应用能力。

图2 硬胶囊剂生产工艺3D操作界面

在专业实验教学中，在硬胶囊剂生产3D虚拟仿真实验平台训练和学习的基础上，开展拓展延伸的片剂制备实验，在包含部分虚拟实验的部分单元操作实验室技能训练的同时，拓展学习内容。教师对比平台实验知识点，将原理、设备、操作等重点知识点进行分析类比讲解，让学生利用多种学习方式获得综合分析解决问题的能力。

3.3 二氧化钛纳米粒子的材料结构表征虚拟仿真实验项目

材料化学专业实验是材料化学专业课程的重要组成部分，对材料化学专业国家级一流本科专业“双万计划”建设和发展具有重要意义。利用大型仪器对材料理化性质进行深入的分析在材料化学实验学习中具有十分重要的意义，熟练掌握最新的材料仪器分析原理和技术在现代材料化学实验教学中是必须的环节。但由于大型仪器都很贵重，且仪器操作步骤复杂，要求必须经过专业培训的人员才可以进行上机操作，难以保证每位学生都有上机操作的机会。同时，先进材料表征大型仪器都进行了自动化封装，传统的实验室教学很难帮助学生较完整和深入了解仪器的使用和拓展，制约了教学效果。大型材料结构分析仪器的虚拟仿真教学可以很好地解决传统材料化学实验教学中存在的问题。

依托国家级一流本科专业“双万计划”材料化学专业、材料化学学科(连续进入ESI世界排名前1%行列)，以及无机功能材料化学教育部重点实验室科研优势，以我校代表性科研成果“二氧化钛光催化材料”为载体，搭建了二氧化钛光催化材料的结构表征虚拟仿真实验项目，包含透射电子显微镜、激光拉曼光谱仪、X射线衍射、X射线光电子能谱四个大型仪器表征的虚拟仿真实验模块，服务于材料化学专业的材料合成、结构及性能测试实验和材料加工与设计实验，并推广应用到学院仪器分析实验基础实验课程，每年受益学生达400余人。此课程获评2021年省级虚拟仿真实验教学一流课程。

功能无机材料化学教育部重点实验室分析测试平台拥有先进的同型号实体透射电子显微镜、激光拉曼光谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪等大型仪器，结合这些优势，实现虚实结合、线上线下相互补充。所谓的“虚”，是指利用仪器匹配的大型仪器虚拟仿真培训平台(图3)，让学生围绕二氧化钛光催化材料的物相分析、超微形貌表征、微区晶体结构分析、表面结构分析四个模块展开，学习仪器的原理、内部构造、操作、分析处理等基本知识的同时，实现材料结构与相应结构分析方式相互关联、层层展开、环环相扣，让学生在过程中主动思考，培养逻辑思维能力与研究性学习能力。然后与“实”相结合，即学生以研讨小组进入分析测试平台大型仪器实验室进行相对应的实验，教师对比虚拟平台的知识点，将仪器的原理、结构、操作重难点进行拓展和延伸，让学生耦合、复合、协同优化知识学习，从样品制备、装样、测试、分析等方面进行动手技能实训，提升学习效果。

图3 实验室实体仪器图(a)和虚拟仿真平台构造图(b)

4 虚拟仿真实验课程建设

4.1 建立仪器分析实验四维课程体系

依托仪器分析理论课程，学生掌握仪器分析设备的原理、结构和应用等理论基础知识。通过仪器分析实验掌握部分仪器分析设备的操作、使用和分析方法等技能。但很多高端大型仪器设备由于高价格、消耗因素，以及资源缺乏原因，不能提供学生大量实验操作机会，仪器分析实验存在课程学生培养与实际需求不匹配的问题，虚拟仿真实验教学可以一定程度上弥补上述问题。搭建大型仪器材料结构表征虚拟仿真实验平台模块，包含了光谱分析、色谱分析、质谱分析及电化学分析四类11种仪器分析实验模块。利用3D虚拟仿真技术，突破传统的实验方法，实现大型仪器分析学习、实训、培训的综合能力培养。解决了原子吸收光谱、气质联用仪、透射电子显微镜、激光拉曼光谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪等仪器价格昂贵，以及红外光谱、电子吸收光谱和电化学系统资源缺乏等仪器分析实验教学问题，打破了时间、空间等传统学习的限制，实现了虚实结合、线上线下相互补充，巩固、拓展和延伸了仪器分析理论和实验课程的学习(如图4所示)。利用学习通等交流平台工具，建立课程慕课平台，组建仪器分析设备安全手册、课前预习题、课后讨论题、相关科研和课程视频推送、教学课件等课程教学资源，辅助课程教学。逐步建设成服务于“仪器分析实验”基础课程、拔尖人才试验班“大型仪器设备”课程、材料化学“双万专业”一流本科专业“材料合成、结构及性能测试实验”和“材料加工与设计实验”专业实验课等多门课程的多功能虚拟仿真实验课程，解决了仪器分析理论课+线下实验课+虚拟仿真实验+慕课四维课程体系建设中虚拟仿真实验教学的瓶颈问题，具有重要的现实意义。

图4 四维课程体系教学过程示意图

4.2 构建自主灵活、形式多样的线上线下混合式教学模式

课前，利用虚拟仿真平台和学习通建立SPOC慕课资源，对实验相关知识点(例如学习指南手册、相关科研资料、开放资源、预习题)进行线上自主学习，利用平台、学习通、微信等交流平台线上师生、生生交流答疑讨论。虚拟仿真实验项目作为仪器分析实验的准入制度，在线下实验开始前进行相关虚拟仿真实验的线上操作，成绩合格后，获得进入实验室进行线下实验的资格。课中，利用虚拟仿真实验项目的预习和操作练习完成线下实验，进一步熟练掌握仪器设备的使用、操作和应用，利用学生预习学情分析进行知识梳理、延伸、结合实验拓展学习。课后，利用虚拟仿真平台或学习通等交流平台围绕实验进行小组讨论、互评，并提交实验报告和课后测试题；利用虚拟仿真实验平台，学生可反复练习虚拟实验项目，巩固和升华知识掌握程度。

4.3 实现效果可视、评价多元的考核评价

采取形成性和终结性多元评价方式，例如利用信息技术交流工具讨论(如学习通、微信等)，学习通平台优质资源推送等手段，结合虚拟仿真平台测试题、学生在线操作跟踪等，根据实时记录学生学习及使用情况进行形成性评价。利用线上/线下实验操作、数据分析实验报告进行终结性评价。通过多元考核评价有效激励学生自主学习，使其深入理解、巩固、升华仪器分析设备知识、使用和应用，有效提升学生的研学精神，全面培养学生的科学作风、实验技能，以及分析、发现和解决问题的综合能力。

4.4 组建懂教学、会教学、爱教学和实验管理经验丰富的多元化教学团队

课程教学团队均由理论教学教师、实验教学教师、实验技术人员和技术开发人员组成。其中多名教师多年获得校级教学示范奖和教学标兵奖，具有丰富的教学经验、教学热情和实验室管理经验。组建学历、职称、年龄、教龄梯队合理、虚拟仿真实验教学经验丰富、实验教学管理严谨、综合性素质强、师德师风过硬的虚拟仿真实验课程教学团队。

5 亟待解决的问题

1)化学化工类专业人才培养离不开实验教学，实验教学是理论教学必要的延伸、拓展和补充，是实现理论知识升华的关键环节。虚拟仿真教学的应用虽解决了上述的诸多问题，但在学生实际操作能力的扎实培养方面仍很难实现，特别是难以实现真实场景中的手、眼、脑协同，因此必须坚持能实不虚，加强虚实结合环节。

2)虚拟仿真技术在实验教学软件开发中应进一步加强人机博弈，沟通的互动性、生动性，提升操作者的沉浸体验感，解决设备阻断了信息的全方位交流、缺乏生动性等问题。

3)虚拟仿真实验教学过程中因材施教、个性化培养有待解决，以及实验效果的评价难捕捉、难定量，需要在虚拟仿真实验教学方法、评价体系方面寻求突破。

4)考虑到特色课程建设、开发、软硬件建设与运维更新，虚拟仿真实验项目的综合成本并不低，受制于成本的因素，项目的仿真度达成和质量控制也将受到影响。应加强虚拟仿真一流课程建设和开放共享来顺应实际需求。

6 可持续发展

1)加强开发与建设可以服务于多门课程的虚拟仿真实验项目，做好虚拟仿真中心的顶层规划、有序发展。

结合学院本科生人才培养的总体目标，做到顶层整体规划，以持续有序发展的思路，依托化学、材料化学学科(连续进入ESI世界排名前1%行列)以及无机功能材料化学教育部重点实验室等国家级平台科研优势，开发与建设一批优质的服务于多门课程的多功能科研转教学虚拟仿真实验项目，发挥优势学科对本科专业人才培养的引领作用，发展学科与专业一体化建设，从而回馈支撑一流专业和拔尖人才试验班建设以及本科人才培养，为提高学校本科教学质量提供有力的保障。

2)制作慕课、教材等教学资源的可持续改进，加强虚拟仿真实验课程建设，丰富激励学生自主学习的教学方法。

结合我校虚拟仿真实验教学的特色和需要自制慕课，建立文本类、图像类、视频类、动画类等课程相关教学和科研资源，同时出版与课程配套的教材。进一步引入线上和线下混合式教学模式，加强线上试题库、课件、案例、常见问题解答、优质慕课课程推送等信息化教学资源的建设，加强课前和课后学生自主的碎片化学习提升。课中向学生主导式学习转变，加强提问式、引导式、任务式、探究式教学方法，进一步提升学生学习和研学成效。

3)加强持续改进的虚拟仿真实验评价体系，完善考核评价机制，构建服务终身学习的虚拟仿真实验体系。

根据“大工科”人才培养体系、“双万专业”一流本科专业和拔尖人才培养的建设需要，将虚拟仿真实验课程纳入相关专业人才培养方案，根据学校课程评价、督导督学评价、学生评价和教师本科生教学综合评价反馈，持续改进虚拟仿真课程的评价体系和开放共享的激励机制，加强课程形成性评价的考核评价方法，增加学生自主学习过程效果考核的比例，增加单元考试，细化评价指标，对学生后续实验活动建立全程化跟踪评价及反馈。

4)加强推广，完善稳定、安全的开放运行模式，充分发挥示范辐射作用。

在完善优化课程体系建设的基础上，进一步将优秀课程资源推广于我校中俄学院、农学院、生命、建工等相关兄弟院系，全面实施校内共享。同时推广应用至化学化工类虚拟仿真课程和培训需求的兄弟院校，充分发挥示范辐射作用。

7 结语

紧扣学校学科专业一体化建设、本科专业人才培养目标需求，黑龙江大学化学化工与材料学院率先在本校开展虚拟仿真实验教学和改革实践，构建了化学化工虚拟仿真实验教学中心。建立了多功能、多层次、综合性的虚拟仿真实验教学体系，在设计开发优质示范性虚拟仿真实验项目的基础上，强化虚拟仿真实验课程的建设，开展自主灵活、形式多样的线上线下混合式教学模式探索，采用了丰富的实验教学手段和信息化资源，激励了学生自主学习和研学兴趣以及强化了学生专业实践能力和分析解决问题的能力。在满足人才培养的同时，探索虚拟仿真实验中心、项目和课程一体化建设模式，希望对化学化工类虚拟仿真实验教育教学改革起到积极的促进作用。今后，中心将进一步发挥学科和科研平台优势和特色，设计和开发优质化学化工类相关的虚拟仿真实验教学项目，进一步加强课程的教学资源、模式和评价体系建设，提升示范辐射能力。