基于虚拟仿真技术的《化工原理实验》课程远程教学模式的探索研究*

米亚策，刘醒民

(内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051)

随着互联网、多媒体等多项高端科技的飞速发展，高新科技的普及使得人们的学习方式和获取知识的途径变得多种多样。基于信息技术和互联网络应运而生的全新教学模式不断涌现，学习技术和自主学习环境持续提高，这使得教育教学迎来了重大的历史性变革。根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》要求，人才培养必须以强化实践教学为着力点，结合时代发展，将信息技术融入到教学实践中去。实验教学对于化工类相关专业至关重要，也是培养学生动手能力和提高学生创新思维的关键教育环节。近年来，高校不断地将信息技术作为实验教学手段，其中虚拟仿真实验教学的教学效果明显，在教学中的占据重要地位[1]。虚拟仿真实验教学除了完成传统教学任务以外，它能更全面且形象地实现传统实践教学无法实现的教学功能，为在未来的新型教育模式下提升教学水平，改善教学效果奠定了基础。

1 《化工原理实验》课程引入虚拟仿真技术的必要性和可行性

继数学推理与科学试验之后，虚拟仿真技术变得越来越重要。把含有虚拟现实(VR)、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等技术的虚拟仿真技术应用到实验教学[1]，通过虚构出身临其境的实验操作环境和构造实验对象，不仅增强了学生的好奇心和求知欲，也极大地调动了学生对学习的积极性。让广大学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而避免了真实实验不具备或难以实现的教学效果的弊端[2]。虚拟仿真实验教学在达到教学目的同时，节省了教学资源，规避了危险，特别对于那些高风险或极端环境、难以进行或不可逆的操作，以及需要节省资源和成本的实验项目，虚拟仿真实验教学体现出明显的优势。虚拟仿真实验教学对传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都将产生深刻而又颠覆性的影响。《化工原理实验》是一门带有很强工程性和实践性的课程，虚拟仿真技术在这门课程中的应用，对培养学生的实践能力，创新思维，以及工程能力有着至关重要的影响。目前在大部分高校中，《化工原理实验》的教学模式仍然以传统模式为主，该模式下的教学活动存在严重弊病，主要表现在以下几个方面：(1)受设备数量的限制，容易出现单台设备人员分配过剩，因此部分学习比较被动的学生不能真正参与到学习活动中。(2)实验教学内容单一。实验室配备实验资源，通常只能开展课程标准要求的相关实验，没有增设供学生自主学习的拓展实验。一般情况下，学生只是按照实验指导书上所提供的实验方案内容及操作参数，按部就班的完成实验步骤，进而机械化地得到预期的实验结果。这种的循规蹈矩的教学方式可以帮助学生了解对书本理论知识，却不利于培养学生自主分析和自主动手的能力，学生们不能深刻体会到知识的本质，禁锢学生们的思维，流于实验步骤表面，周而复始的实验方式更不利于培养学生的科研思维及创新能力。(3)理论与实践脱节。实验课通常安排在相应的理论课结束以后，但由于受场地、设备的限制，需要按照班级依次开展实验教学，由于《化工原理实验》课程的授课对象较多，不免出现有的班级在理论课结束很长时间以后才开始该部分实验课的学习，这种情况下知识点不能得到及时有效的反复思考。(4)实验操作环节考核难度较大。目前，实验考核通常采用五级分制，根据学生出勤情况，实验操作情况和实验报告进行综合评定。实验操作部分是实验课的核心，但目前该部分没有有效的评价手段和约束机制，比如，由于设备间的差异性，我们不能单纯根据实验结果判断实验操作的标准性。目前实验操作部分评分标准主要根据实验过程中是否出现违规行为、设备物品是否损坏等，不能全面反映学生的实际动手能力及分析、解决实际问题的能力，针对学生对实验本质的思考和对实验知识的了解程度没有实实在在的考察标准。考虑到以上问题，在疫情防控的背景下，将远程教学和教学模式改革紧密结合起来，利用虚拟仿真技术，开展《化工原理实验》课程远程教学活动，提高教学质量，让“坏事”变成“好事”。虚拟仿真实验教学效率高、实验过程周期短，完成实验的成本低、内容丰富，使学生可以发散思维，勇于创新，不用受场地与设备的限制，深刻理解理论知识，掌握更多的技能，将虚拟仿真技术应用于《化工原理实验》课程的教学活动中，对于改善课程教学效果具有十分重大的意义。

图1 虚拟仿真实验教学平台系统四大功能体系框架Fig.1 Four functional framework of virtual simulation experiment teaching platform system

近年来，虚拟仿真实验教学平台系统的建立为实验类课程的虚拟仿真教学提供了软件支持[3-4]。虚拟仿真实验教学平台系统是一种创新型的仿真软件，相比于传统仿真系统，其针对性更强，受众面积更广，具有更强大的仿真性和互动性。如图1所示，虚拟仿真实验教学平台系统包括沉浸展示、动态演示、实操交互和协同与考评四大功能体系：① 沉浸展示，通过VR体验及立体展映对整体系统、场景进行沉浸式虚拟展示，对物体的外观、内在及结构进行三维可视化展示，给观看者带来身临其境的感觉；② 动态演示，对于特定的时间、情景进行剧本设定，并通过动画、资料影片、VR体验、全景视频等多种方式进行展现，达到教育、宣传和体验的目的；③ 实操交互，通过VR设备和交互控制系统，可在建筑和场景内进行VR漫游，可以更真实地观看场景内的每个细节，提高代入感和沉浸感；④ 协同与考评，根据教学要求，可进行2～4人的多人协同操作，并通过操作正确率、操作时长等数据形式进行考核评定，可与学校的教学管理平台或多媒体平台相结合，结合电子教学资源，提供手机端、网页端、APP端等附加形式，便于学生观看学习。虚拟仿真实验教学平台系统的不断完善，保证了实验课虚拟仿真教学模式的不断发展与推广。

2 基于虚拟仿真技术的《化工原理实验》课程远程教学思路

以《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》以及《国家中长期人才发展规划纲要(2010-2020年)》等文件及其主要方针作为指导，实现全国“双一流”建设和工程教育专业认证背景下[4]，本利用虚拟仿真实验平台，构建基于虚拟仿真技术的远程教学模式，规避目前传统教学模式下由于时间、空间、资源限制，实验类教学活动存在的一些弊端。

本文选择由东方仿真提供的易思在线作为《化工原理实验》课程的远程教学平台。通过远程教学模式的实施，在以下几个方面作出具体研究：(1)组织教学内容，确定教学设计。科学分析学生特点(知识储备、年龄特征和学习需求)和企业要求，结合最新的专业技术、一线工程案例，组织教学内容，确定教学设计。在这种教学模式下，可活动性大，涵盖知识面更广，可实现各种教学方法的有机融合，提高教学水平。(2)积极探索和构建虚拟仿真教学模式。借助虚拟仿真实验平台，进行新学期《化工原理实验》课程的远程教学活动。边教学、边反思、边改进，探索虚拟仿真技术在《化工原理实验》课程中的最佳应用办法。(3)充分利用“教”与“学”的反馈信息，充分优化教学设计。学生是课堂的主体，在教学过程中充分考虑学生的反馈，不断优化教学设计。具体实施计划如下(图2)：① “知识点学习”环节。通过优慕课平台，初步建立了《化工原理实验》网络课程。针对单相流体阻力测定、离心泵特性曲线测定、板框过滤、传热、单管升膜蒸发、精馏、二氧化碳吸收、干燥八个单元操作实验，借助优慕课平台，导入了包括实验理论讲解、实验装置讲解、化工设备讲解在内的教学文件(视频和课件)和配套习题。学生通过教学文件学习实验相关知识点，并通过线上测试考评该环节的学习效果。在“教”与“学”的过程中，遇到的困难，教师和学生可以在网上讨论区进行讨论。② “仿真学习”环节。借助易思在线虚拟仿真平台，利用已有仿真软件组建仿真课程。学生在线学习仿真操作流程，按照仿真软件制定的操作步骤，应用已学习的知识，在线操作仿真软件，得到实验数据，该环节学生可结合自身学习情况选择是否重复实验。任课老师结合学生练习记录及数据统计信息，掌握学生仿真学习效果。③ “考评”环节。通过自定义各学习模块权重，评定学生学习成果，给予最终成绩。主要包括：知识点在线测试分数(权重=0.1)、仿真操作成绩(权重=0.2)和实验报告成绩(权重=0.7)。

图2 基于虚拟仿真技术的《化工原理实验》 远程教学设计框架图Fig.2 Frame diagram of remote teaching design of Chemical Engineering Principle Experiment based on virtual simulation technology

3 基于虚拟仿真技术的《化工原理实验》课程远程教学效果评价与反思

学生是课堂的主体，在教学过程中应充分考虑学生的反馈，不断优化教学设计[5]。本文以调查问卷的形式，对仿真学习效果进行了测评，测评对象为2020年春季-2021年春季学期疫情期间，远程完成《化工原理实验》课程的包括留学生在内的约800名化工类专业学生。测评结果总结如下：(1)对虚拟仿真实验的熟悉度，大多数学生对虚拟仿真实验的熟识度不高，不能熟练操作相关软件，这给虚拟仿真实验的推广带来了一定困难，在加强学生计算机操作训练的基础上，仿真软件也需要进一步升级，操作简单，普适性高。应鼓励学生利用虚拟仿真实验来解决课程学习中的疑问，对于化工专业类学生尤其化学工程专业学生，掌握一门流程模拟软件对于今后的学习和工作都是大有裨益的。(2)对虚拟仿真实验的接受度，少数同学明确表示不喜欢虚拟仿真实验，后期跟进中发现主要原因有以下几点：① 不具备线上仿真条件；② 虚拟仿真不真实，缺少趣味性；③ 软件掉帧严重，易出现卡顿，体验感差；④ 同学之间沟通少，无法实现实验过程中的深入讨论；⑤ 不能锻炼动手能力。随着虚拟仿真实验平台系统的不断完善，以上问题均可逐一解决。例如：仿真软件是否可以实现由线上仿真操作改为单机仿真操作，这种改进将解决由于上网困难无法进行线上仿真操作的问题。(3)对虚拟仿真实验的改进建议：①进一步升级和完善软件系统；②强化小组沟通，体现团队合作；③增加课堂趣味性；④ 增加一栏常见问题解决，来解释学生操作出现各种现象的原因依据以及提供解决办法；⑤ 线上直播模拟程序。主要问题是线上教学方案还不完善，学生对线上教学还不能完全接受，线上沟通有限，不能实时掌握学生的学习状态，这些都需要在今后的教学活动中不断改进。例如：虽然建立了与虚拟仿真实验操作平台相配套的教学资源，但学生学习很被动，不能充分体现以“学生”为中心的教学理念，应充分利用当下网络交互平台，增加课堂互动，升华课堂内容。

4 结 语

将虚拟仿真技术应用于实验教学中，可更好地实现了“教、学、做”一体化，并且在营造良好的实验环境、提高教学水平、改善教学效果的同时减少设备磨损和资源消耗，尤其是耗材的使用量，而且对于实验的安全性也有极大提升，彻底的实现了实验本质化安全的理想状态，节省了实验经费，没有了时间、空间和资源的限制。本次远程教学发现，完全基于虚拟仿真技术的《化工原理实验》课程的远程教学模式存在学生学习积极性不高、学习被动等问题，但随着虚拟仿真技术的不断完善，以及教学方案的不断改进，这些问题都将迎刃而解。将虚拟仿真技术应用于《化工原理实验》课程的教学活动中，对于提高课程教学效果具有重要意义。