虚拟仿真实验室建设及教学应用初探索

＊刘四化 杨纯 罗婕 周贵寅 陶炳

（湖南工业大学生命科学与化学学院 湖南 412007）

虚拟仿真实验教学是指利用信息化的重要技术，如虚拟现实、多媒体、人机互交、数据库和网络通讯等，依托人才培养方案特点，构建实践教学所需、高度仿真的虚拟仿真实验环境和实验对象，学生可以在其构建的虚拟环境中开展实验，达到真实实验教学的效果[1]。高校虚拟仿真技术的普遍应用，打破了传统实验教学的界限，学生不但不需要亲临实验现场，也可以如身临其境般的参与如同真实环境的实验过程，大大改善了教学环境，优化实践教学环节，提高了课堂效率。

1.虚拟仿真实验室建设的必要性

2012年教育部发布《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》中指出要以教育信息化推动教育现代化，指明了国家未来十年教育信息化的发展方向[2]。随后2013年8月教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，阐述了虚拟仿真教学的内涵和要求，详细解释了虚拟仿真实验教学中心建设的指导思想和建设内容，正式推动了实验教学的改革，虚拟仿真技术开始崭露头角[3]。另根据教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知，计划到2020年认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目，大大推动了各个高校对虚拟仿真实验教学的建设。

(1)实验教学的需要

化工专业是一个对学生实践能力和动手能力要求十分高的专业，且在实践过程中存在很多潜在危险，很难保证百分百的安全；化工专业的实验课程主要依赖于化工设备比如管道、阀门、调节器、泵、换热器、塔设备等，装备复杂，控制点多，很难在正常的实际教学中让学生彻底了解设备、安全操作设备；化工专业发展迅速，实验设备更新换代快，已经不能很好地满足学生基本实验的需求，同时学校学院在经费有限的条件下还必须需要花费大量的人力财力去维护实验设备。虚拟仿真实验室的建设，可以减少教学投入、避免实践风险，可以通过虚拟仿真技术将化工常用设备仪器很直观的呈现在学生面前，让学生在接近真实化工生产环境的虚拟现场可以手动操作各种设备，观看设备的运转过程，大大提高学生学习的趣味性、安全性和积极性[4]。

(2)实践实习教学的需要

实践实习环节一直是化工专业面临的一大难题。作者从近几年指导学生认识实习和生产实习发现，实习经费的缺乏、实习基地的选择、实习时间的调控、实习效果的反馈、实习安全的保障等等问题突出，且难以得到有效解决。另外根据近几年我院生产实习的结果来看，指导老师带领学生去化工企业进行现场实习，会约束学生行为，整个过程中学生只能看不能动，易产生操作恐惧，另设备流程只看表象而不明白真实运行状态，使学生很难将理论与实际相结合。通过将虚拟仿真教学与人才培养过程中的认识实习、生产实习及毕业实习相结合，可以用虚拟环境去代替高危险、高污染、高消耗以及高成本的实践环节，让学生在高度仿真的场景中开展实践学习，不仅教学上可以节省大量时间和费用，避免因操作不当带来安全事故，还能有效提高学生的实践能力，弥补实践教学资源不足，强化学习的效果[5]。

(3)教学改革的需要

在化学化工实践课程的教学中，传统的授课受限于实验设备台套数、实验场地、操作安全等因素，学生很难直观的了解实验设备的仪器构造、过程、实验现象等，很难达到真正的实践作用，且学生真实实验出错后会造成仪器损坏、试剂浪费等现象，使理论联系存在一定偏差。虚拟仿真实验教学作为一种新型的教育教学方法，是高等教育信息化建设和实验教学示范中心的重要组成部分，是高等教育、人才培养、专业建设、学科发展与信息技术相结合且必不可少的重要评价体系。近几年高校扩招，需要进入实验室参与实验的学生人数越来越多，而受到实验产地、实验设备、实验老师有限等因素影响，另外传统的实验教学方法单一，理论和实践操作相互分离，学生缺乏学习主动性和创造性，已经不能满足“新工科”形势下的教学需求。虚拟仿真实验教学作为实践教学的第二课堂，线下与线上教学相结合，即可顺应以教育信息化工作为主线的高等教育改革教育发展趋势，也是实验教学创新和改革的需要[6]。

(4)大型精密仪器操作的需要

自从国务院办公厅出台《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，高校对创新创业愈来愈重视，也大力鼓励学生积极参与该类科技活动。而随着本科生参与学科竞赛以及科研项目的人数越来越多，更多的学生将接触到诸多大型精密仪器，例如气相色谱仪、液相色谱仪、红外光谱、核磁共振等，对于设备的添置、管理和维护变的愈发困难。通过虚拟仿真技术构建一个真实的实验环境，可以让学生在线上和线下同时学习各类大型仪器的基本原理和操作要领，大大降低学生因操作失误而造成仪器损坏的可能性。另虚拟仿真平台的建立，也节省了设备购置费，弥补传统实验室设备不足的问题[7]。

2.我院虚拟仿真平台建设现状

湖南工业大学生命科学与化学学院化学化工实训中心依托基础化学实验教学中心，服务于我院应化、化工等相关专业，建设原则是“虚实结合、相互补充、能实不虚”。在建立本院虚拟仿真平台前，我院成立专题小组，分析化学化工专业基础和核心课程教学大纲，组织教师深入企业调研，根据企业需要、学生需求再结合虚拟仿真资源而建立。该平台通过账号密码登入，管理员端登入主要负责上传下载相关的学习插件、资源，检测网站是否正常运行，确保运行网络畅通；教师端登入能够在平台上观看学生学习进度，学习时长和学习结果，能进行简单的问题答疑；学生端登入能够在平台上进行实验项目理论知识学习，选择实验项目进行仿真操作。

本平台从2018年开始构建,目前已涵盖化工原理虚拟仿真实验、化工工艺仿真实验、分析仪器虚拟仿真实验、安全工程仿真实验以及生物化工仿真实验等24个虚拟仿真实践教学体系。目前本虚拟仿真平台主要面向化学工程与工艺、应用化学、化学师范、生物技术四个专业的学生开放，占地面积200m2，共设80个虚拟仿真操作机位，可同时面向两个班级的虚拟仿真教学。该虚拟仿真实训中心设置主任1名，负责中心的主体规划和管理，实验员3名，主要协助主任负责各模块的发展，另本中心还有多名年轻博士教师承担虚拟仿真实验课程和1名专职设备维修维护人员。

3.虚拟仿真实验室建设中存在的问题

本平台自建立到运行已达三年时间，共计接待学生一千余人，取得了较好的教学效果。但在过程中依然发现了一些问题。

(1)教师专业性问题

本中心自建立至今，每年均会有计划地安排青年教师参加虚拟仿真技术培训，提高业务能力，也会邀请虚拟仿真软件工程师给相关任课教师进行培训和讲解虚拟软件的操作和应用，老师基本上也能完成虚拟仿真软件教学的基本操作。但是依然还存在一些问题，大部分老师对虚拟仿真教学模式陌生，虚拟软件实验项目不熟悉，课前课后没有花费时间去学习和研究此软件，对软件熟悉度不高，操作软件不流畅，仅仅是根据步骤提示进行操作，且上完课就不再操作。另外，老师的业务能力有待提高，对于虚拟操作过程报错不能有效分析报错产生原因，学生提出的问题老师不能给出很好的专业性的回答，且不同老师授课不同班级讲解的内容和重点也不同，没有进行教研室内的集体备课和讨论。

(2)课堂效果问题

本院目前教师采取的教学模式是学生登录进入虚拟仿真实验项目-教师讲解-学生软件操作-操作完成-评分下课。在这个过程中，我们发现绝大多数学生基本没有提前进入平台熟悉软件操作和课题重点，对所要学的实验项目原理理解不透彻，实验目的不明确，实验操作不熟悉，实验结果缺乏思考，仅仅为了完成软件所提示步骤。另外，操作过程中教师并未做好统一管理，学生进度不一，未能及时分析错误及数据，未能主动及时纠正学生错误，没有组织学生对实验结果进行剖析，课后未花足够时间去巩固课堂教学内容。

(3)仿真项目问题

基于我院虚拟仿真实验室建设正处在起步阶段，并未与企业合作共建虚拟实验项目，该平台现有的仿真项目均是直接从仿真公司购入，并未根据培养方案特点去开发新的实验项目，缺乏自主知识产权。虚拟仿真实验室建设经费投入过少，导致大多数实验项目都以租借的形式展开，不利于虚拟仿真实验室长久发展。另外我国虚拟仿真实验教学刚处于发展阶段，各个公司所开发项目存在共性问题就是学生在进行仿真学习时基本都是机械性的跟着任务提示一步步进行操作，部分项目设计趣味性不强，很难激发学生的兴趣。

(4)覆盖面问题

本平台开设的虚拟仿真项目大多是化学化工类专业实验项目，而其他专业的项目相对偏少，如本院的生物技术专业、生物医学工程专业就很难使用虚拟仿真进行授课教学，导致了本虚拟实训平台仅限于本学院化学化工类相关专业学生使用。另外比较严重的一个现状就是，老师们倾向于实践教学，主要原因也是缺乏学习精神，不愿意花多余的时间去学习新事物，对软件功能、操作不熟悉，这也迫使他们在授课过程中不太愿意使用虚拟仿真软件，使得平台的虚拟仿真实验中心没有被充分利用起来。

4.虚拟仿真实验室建设建议

针对在虚拟仿真实验室建设过程中发现的问题，我院已经采取相对应的措施，主要从以下几个方面展开：

(1)加大对教师的培训和实践

虚拟仿真技术将会是未来实践教学的发展方向，教师必须学会和提高对软件的应用能力。学院应建立相对应的管理制度，有计划地选派相关老师参加虚拟仿真技术培训，提高业务能力；有计划地安排青年博士教师深入企业学习，熟悉化工工艺生产流程、设备和装置，提高工程实践能力；建立相对应的激励制度鼓励老师与企业联合合作开发针对性的、符合专业需求的虚拟仿真软件；建立对虚拟仿真实验授课老师的考核制度和考评制度，强化虚拟仿真教学过程管理，把虚拟仿真教学环节纳入实践课程考核的指标体系；强化虚拟仿真教学环节中的过程材料管理，包括教学大纲、考核大纲等，突出教学内容和重难点。

(2)加强学生使用虚拟仿真软件的意识

大多数学生没有接触过虚拟仿真软件，基本都停留在实地实践过程，所以学生不会主动的去学习和使用虚拟仿真软件。教师应该在授课时结合化学化工生产的特点，预留一定的时间介绍讲解仿真技术的好处，培养他们使用虚拟仿真软件的意识，让实践过程更安全和高效。另依托湖南省化学化工学科竞赛中的虚拟仿真操作竞赛，鼓励老师和学生积极参与该类学科竞赛，宣传学科竞赛对学生的好处，加大对该类虚拟仿真操作竞赛的扶持力度，同时学院要优化虚拟仿真实验室场地条件，营造好的学习氛围，并且对机房要定期检查和维护，为学生使用虚拟仿真技术进行学习和实践提供后援保障。

(3)优化教学手段提高授课效率

虚拟仿真授课也可以采取翻转课堂，老师可以准备知识点视频提前布置给学生预习，促使学生经过课前的思考在课堂中完成相互的学习和答疑，让学生能积极主动的发现问题和解决问题，大大提高学生的参与程度，进而提高学习效率；另外还可以引入雨课堂，在课前课中课后均可以进行分组讨论，使学生牢固掌握知识点，让学生成为课堂的主角，教师仅在讨论没有结果的时候才出来答疑。这样的话可以让学生有效利用课堂时间消化知识，并且可以大大提高学生自主解决问题的能力。

(4)优化和扩充虚拟仿真实验项目

在选择虚拟仿真项目时，要紧密结合培养方案和教学大纲，确保人才培养质量，并要随着人才培养方案的修订和修改更换相对应的实验项目；在设计虚拟仿真项目时，要充分调研一线实验教学教师和学生的意见和建议；成立相对应的虚拟仿真教学团队，打造一批示范性、代表性的虚拟仿真实验项目。加大生物技术和生物医学工程专业虚拟仿真建设，促使教师积极参与其中，通过设计和购买一些好的软件，使学生真正学到传统实验学不到的知识；可以尝试与相关联的学院如包装与材料工程学院、城市与环境学院、冶金材料学院等进行联合共建本虚拟平台，整合现有的虚拟仿真实验室，扩大本虚拟实训平台的使用面和覆盖面，为后期申报更高一级的虚拟实践平台做支撑。

5.总结

虚拟仿真实践教学具有其独特的优越性，为应用型高级化工专业人才的培养提供了新的渠道，可以在教学过程中极大的帮助化工专业的学生进行实践操作，能显著提高学生的学习积极性和学习效率，能激发学生的学习兴趣和创新思考能力，能加强学生理论联系实际的能力，另外也可锻炼学生应对化工生产突发事故的解决能力。我院应借助教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的契机，加大对本院的虚拟仿真平台的投入和建设，优化专业实验教师结构，加强仿真软件的使用效率，让学生在一个更加真实有效的虚拟平台，进行实践能力的培养。另学院应加强虚拟仿真建设，激励教师将虚拟仿真教学融入于日常教学，改善教学质量，全面提升教学效果和改革教育教学模式。