化学化工虚拟仿真实验教学中心建设探索

2016-05-30王彬王晓琳

黑龙江教育·高校研究与评估 2016年10期

王彬王晓琳

摘要：文章以黑龙江大学为例，从化学化工虚拟仿真实验教学中心建设的意义，阐述了化学化工虚拟仿真实验教学中心建设的路径，并提出了化学化工虚拟仿真实验教学中心的发展方向。

关键词：化学化工；虚拟仿真；实验教学中心

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）10-0038-02

1989年，美国弗吉尼亚大学威廉沃尔夫教授首次提出虚拟实验室的概念[1]，由于其强大的应用前景，各国均在大力开发，经过二十余年的发展，取得了喜人的进展。在发达国家虚拟实验室建设已经普及，特别是科研实力雄厚的美国，在该领域的研究已占据领先地位。目前，世界各大院校和科研机构争先开展虚拟实验室的建设，也将其应用到教学、科研工作中，如墨尔本大学建立的化工3D虚拟实践教学系统，是国际上一致认同的化工工程教育的典范。在国内，特别是高校，虚拟实验室建设越来越受到重视。目前，大部分高校已经开发虚拟仿真技术，并将其应用到教学和科研中，尤其是在实验教学方面其发挥越来越重要的作用[2-5]。例如清华大学、复旦大学、上海交通大学、陕西师范大学、常州大学、中国科学技术大学等[6]。随着信息化技术的不断发展和深入，教育信息化受到了国家的高度重视，教育部在建设国家级实验教学示范中心加强实验教学基础上，进一步提出建设国家级虚拟仿真实验教学中心的建议。黑龙江大学化学化工与材料学院以省级实验教学示范中心为依托，建立了化学化工虚拟仿真实验教学中心，对虚拟仿真实验教学资源、管理、平台、教学和管理队伍、管理体系进行了初步的建设和探索。

一、虚拟仿真实验教学中心建设的意义

为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）精神[7]，根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》[8]，教育部自2013年将开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作作为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。化学作为材料科学、纳米科技、生物化学等科学的重要核心，被称为“中心科学”。化学是一门以实验为基础的自然科学，实验教学在化学类专业学生培养中起重要作用。但某些实验我们无法在真实的实验室为学生开展，例如某些化学反应速度很快，物质间微观作用机理，微观结构的影响机制无法用常规宏观实验直接获得，学生无法直接感知，学习抽象，不易理解，严重影响实验教学效果和质量。某些化学反应需要在高温高压等苛刻条件下完成，也有些化学实验会生成危害性物质，容易产生环境污染和危害学生身体健康，都无法在实验室中正常开展。再如随着化工企业生产规模日益扩大，设备趋于巨大复杂化、高度密集化、控制自动化，同时，化工生产过程存在高温高压、易燃易爆、有毒有害等高危险性。而在化工实验教学中很难达到实际化工企业的规模和效果，在一定程度上降低了实验教学效能和影响了创新型人才的培养。开展虚拟仿真实验可以解决传统化学无法或者难以实现的过程，弥补真实实验教学的不足，提高实验教学效能和学生创新能力。

二、化学化工虚拟仿真实验教学中心建设路径

黑龙江大学化学实验教学中心高度重视实验教学的信息化建设，积极探索实验信息化教学改革与创新。早在1998年，以化学工程学科、“黑龙江省普通高校转化的化工过程与技术重点实验室”、中俄联合国家级科技创新平台和中俄联合本科实验室等资源为依托，以学院网络信息化平台为基础，与北京东方仿真公司合作开发了8个工艺流程仿真实验项目，用于化学工程与工艺专业本科教学。经过多年的建设，开发了一批虚拟仿真实验项目。近年来，黑龙江大学利用校内信息科学与技术学院、信息与网络建设管理中心和信息现代教育技术中心等资源，充分发挥化学、教育技术、信息技术等学科的优势，2014年成立了化学化工虚拟仿真实验教学中心，内设化学虚拟仿真实验室和化工虚拟仿真实验室，在基础化学实验和化工原理实验方面开展了虚拟仿真实验教学。目前的中心已初具规模，拥有专门的百余台高性能计算机组成的虚拟仿真实验室和虚拟仿真实验教学平台，专门用于虚拟仿真实验教学工作，服务于化学工程与工艺、化学、环境科学、高分子材料与工程、材料化学、应用化学、制药工程、生物工程、生物技术、食品科学与工程、农业资源与环境、植物保护、土木工程等7个二级学院的13个专业。

（一）加强虚拟仿真实验教学中心教学平台建设

化学基础虚拟仿真实验教学平台拥有9个三维和2个二维虚拟仿真实验项目，实验内容仿真效果逼真、交互功能强、可情景化参与、可实施评价。将化学实验中无法观察的微观作用机制和现象，通过虚实结合的形式展现给学生。构建的大型科学仪器虚拟仿真实验操作系统，实现了虚拟仿真实验对实体仪器操作和训练的有效补充和动态化展示，消除了学生对科学研究的神秘感，提升了学生对科学研究过程的理解力，突破了传统实验的限制，实现了化学实验的绿色化、手段现代化和结论科学化，让学生在安全、环保、节能的实验环境中获得与真实实验相近的体验，使教师获得事半功倍的教学效果。

化工虚拟仿真实验平台现拥有一套化工单元实习仿真实验，其中包括15个基本单元操作；结合我省工业产业特点，开发了常减压虚拟现实仿真石油化工类和甲醇工艺仿真煤化工2个仿真实验；与北京欧贝尔公司合作开发了合成氨三维虚拟仿真软件。形成了虚拟现实实验环境、实时交互、远程网络运化、沉浸感和趣味性强的化工虚拟仿真实验平台。采用三维动态过程高度模拟工厂实验设备，所有操作站都实时模拟各种控制仪表的参数。克服了常规操作危险性、功能单一、人机联系差的缺点，弥补了实验教学学生动手操作受限的不足，满足了学生对工艺原理、操作环境、控制系统、故障处理的理解。

（二）注重虚拟仿真实验教学中心师资队伍建设

中心实行主任负责制，由主任、秘书、专职、兼职实验教师和专职实验技术人员组成一支相对稳定的实验教学和实验室管理队伍。经过几年来的教学运行，中心已经形成了由专职教师、专职实验技术管理人员、技术支持人员以及兼职教师所组成的，能覆盖多个专业的教学、管理及开发的师资队伍。管理人员相对固定，以保证实验教学中心的正常运行。专职、兼职教师共同负责实验课程的设计与全程教学，教学人员将会随着以后课程项目的增加、变动而改变，实行动态管理，择优选择。实验技术人员负责实验课程的准备与安排，实验的日常管理，耗材的管理，小型实验仪器的维护工作。

三、化学化工虚拟仿真实验教学中心建设展望

教育部相继批准的国家级虚拟仿真实验教学中心中理工类占70%，化学化工类约7%，理工教育集中了大批优质虚拟仿真实验教学资源，这也与理工类学科一直以来重视实验实践教学密不可分[9]。随着虚拟仿真实验教学资源共享机制的建立和地方高校对虚拟仿真实验教学的不断投入，预计在今后几年的建设工作中，批准建设的部署和地方高校的比例将会增加到近1：1。黑龙江大学作为黑龙江省人民政府共建的有特色、高水平、现代化地方综合性大学，应该抓住发展机遇，利用现有化学学科优势，加大对化学化工类虚拟仿真实验教学中心建设力度，学习先进理念，早日进入国家级虚拟仿真实验教学中心建设的行列。应大力解决以下待解决的问题：（1）应充分利用化学一级学科强大的科研优势，以及功能无机材料化学教育部重点实验室先进的科研成果，将其科研成果转化成虚拟仿真实验教学内容。（2）加大与虚拟仿真实验开发公司以及黑龙江省化工企业的合作，自主和合作开发符合学校自身和我省实际需求的虚拟仿真实验教学平台。（3）加强网络化和信息化建设，优化共享资源配置，健全合作机制，实现平台资源共享，加大中心的辐射作用。

经过多年建设，化学化工虚拟仿真实验教学中心已成为黑龙江大学化学实验教学中心的重要建设组成部分，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，搭建了化学虚拟仿真实验室和化工虚拟仿真实验室，建立了虚实交融、开放共享、综合性的虚拟仿真实验教学体系，制定和完善了中心管理体系和规章制度，建设了虚拟仿真实验网络信息平台，实现了虚拟仿真实验教学资源的智能化和网络化管理。中心将不断完善虚拟仿真实验教学平台建设，为国家建设培养优秀的化学化工人才做出更大的贡献。

参考文献：

[1]费克文，倪光峰，王伏玲.高校大型仪器设备开放共享实

践与探索[J].实验室研究与探索，2011，（9）.

[2]李亮亮，赵玉珍，李正操等.材料科学与工程虚拟仿真实

验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014，（2）.

[3]万坚，宋丹丹，涂海洋等.在基础化学实验教学实践中培

养学生综合素质[J].实验技术与管理，2012，（5）.

[4]余建星，赵伟，李辉等.深化实践教学改革形成实践育人

氛围[J].中国高等教育，2012，（Z2）.

[5]梁芳，李国柱，肖文俊等.高等学校实验资源利用效益评

价指标体系构建研究[J].西安石油大学学报：社会科学

版，2010，（4）.