化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心开放管理平台建设探索——化工类专业实践教学改革系列研究之三

梁　军,刘勇平,刘　峥

(桂林理工大学　化学与生物工程学院,广西　桂林　541004)



化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心开放管理平台建设探索
——化工类专业实践教学改革系列研究之三

梁军,刘勇平,刘峥

(桂林理工大学化学与生物工程学院,广西桂林541004)

以桂林理工大学化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心开放管理平台建设为例，介绍虚拟仿真实验教学平台建设的思路与内容。利用现代信息技术与互联网技术，构建了具有教学资源管理模块、实验教学管理模块、实验室预约管理模块的虚拟仿真实验教学平台。此平台具有统一、开放、可扩充、可配置、跨区域共享的鲜明特色。为我校实验教学网络化、信息化进程的推进，创造新的教学思路和方法，推动创新人才培养和社会服务模式的改革奠定了坚实基础。

虚拟仿真；网络平台；实践教学；化学工程

2012年，为推动实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新,教育部下发了《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)和《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》等文件。信息化、互联网+等概念作为现代化的教学理念和教学手段，逐渐在高等院校的教学、科研、管理等方面带来改变，其中对传统教学模式带来的冲击尤其明显[1]。

互联网+化学工程虚拟中心平台建设，是利用信息通信技术以及互联网平台，使互联网与传统的化学工程实训中心融合，创造新的教学思路和方法，推动创新人才培养、科研组织和社会服务模式的提高。例如：依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真实验教学中心能够实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目[2]。

一、当前高校化学工程与工艺实验室管理平台建设存在的问题

1.开放性不够。很多化学工程与工艺中心管理平台的功能仅侧重于实验预约和登记，仅仅解决了教学组织的部分问题。而对于课程建设、课程学习、交流互动、教学评价等内容都有很多不足，各教学环节未能形成统一的整体，不能充分发挥平台的最大效益。

2.资源共享不足。当前高等教育重复课程多，教学资源重复建设比例大，很多优秀资源仅仅集中在教育经验非常丰富的优秀教师、名师手里，广大新进高校教师获得起来非常困难，同时也不能保证所有的学生都学习到优秀教师的授课资源。很容易形成信息孤岛，达不到共建共享的目的。同时很多老师把精品课程当做科研项目执行，做完之后能持续应用到教学一线的非常有限。造成了资源的极大浪费。所以在线教学资源的整合还是有非常有必要的，而互联网+开放管理平台在资源共享方面有着得天独厚的优势。

3.针对性不强。化学工程特色显著，强调化学反应、化工单元操作、化工过程与设备、工艺过程系统模拟优化等知识贯穿结合，使学生具有设计、优化与管理能力。目前的化学工程虚拟中心，除了理论课程基本上可以在网上进行之外，专业实验、实践性教学环节在管理平台上的整合还非常欠缺。

4.互联网作用发挥不够。互联网具有不受空间限制进行信息传递，信息交换更新速度快，具有互动性，使用成本低，趋向于个性化发展等特点。很多化工虚拟中心平台信息更新慢，互动性不强，不能满足学生个性化需求等[3]。

二、化学工程与工艺虚拟仿真实验教学中心开放管理平台建设

依托桂林理工大学校园网，基于J2EE架构的B/S结构系统的解决方案，系统用户角色包括学生、教师、教务员、实验室管理员、系统管理员等角色。搭建一种多层次弹性可分的虚拟仿真实验教学平台。突破传统实验教学中的时间和空间约束，使学生可以在任何时间、任何地点开展虚拟仿真实验，体现教学平台的统一、开放、创新、可扩充、可配置，跨区域共享的鲜明特色(见图1)。

图1　虚拟仿真实验教学中心开放管理平台功能概况图

1. 教学资源管理模块

本模块是一个开放的虚拟实验教学资源管理平台，可实现对实验教学资源：各种虚拟实验、仿真软件和演示动画的上传、发布和管理。化学工程与工艺虚拟仿真实验中心的教学资源包括以下六大主要内容:

工科基础化学仿真实验: 近年来我院老师采用HTML+ASP+flash等技术制作的基于Web平台的网络系统，自主开发了“普通化学”(含实验)、“物理化学”(含实验)、“仪器分析”(含实验)、“大学化学”(含实验)、“化工原理”、“理论电化学”等13门课程的多媒体教学课件。课件中包含理论教学、实验教学(仿真实验和模拟实验)、教学积件(教学动画、3D分子库和动态图表)和在线测试几大模块。课件多次参加全国、广西区的多媒体课件大赛，获全国多媒体课件大赛一等奖6项，二等奖1项，最佳教学设计奖1项；省级多媒体教育教学软件大赛一等奖 3项，二等奖 2项。

化工原理单元操作仿真实验: 化工单元操作主要有柏努利方程实验、雷诺实验、化工流动过程多功能综合实验、多功能吸收与解吸实验、多功能传热实验、多功能液固分离实验的实体与3D仿真操作软件。

化工工艺虚拟仿真实训: 包含常规化工产品生产的化工设备、工艺虚拟仿真，如合成氨系统、苯胺2D和3D系统，可直接服务开设合成氨厂、苯胺生产工厂仿真实训、工艺运行调试实训实验和各化工设备操作等仿真实验项目。依托合成氨教学项目模拟动画库建成合成氨典型工艺虚拟实训实验室；依托苯胺生产线建立苯胺生产3D虚拟仿真系统；可以根据仿真系统模拟装置工艺条件，再现生产中的各种现象，如开、停车，正常生产工况，生产过程中出现异常工况的处置。

微型化工工厂仿真实训: 中心建立的苯加氢制备环己酮装置实体，与虚拟仿真软件相结合的大型化工工厂实体教学资源，化工工艺流程基于动态模拟技术，有真实的装置实体，模拟生产时不进真实工艺原料，依据电信号的变化来判断、调节工艺参数的变化，模拟装置工艺条件，再现生产中的各种现象。对该生产装置全部设备和生产工艺均制备专用二维码，使学生可以通过手机很方便学习各种设备的使用、维护、操作工艺条件等，将化工设备和化工工厂装进学生的口袋。

大型仪器仿真实验: 开发的大型仪器原理解析、使用规范、故障分析处理等多方面的仿真教学及训练系统开发。目前有X-射线单晶衍射仪、X-射线粉末衍射仪、热重-红外联用分析仪、原子吸收光谱仪、紫外-可见分光光度计、气相色谱、液相色谱等10余台大型精密仪器的脱机模拟操作软件。

化工安全事件应急处理与虚拟仿真实验: 通过虚拟仿真手段，模拟危险化学品泄漏事故应急处置、化工生产过程安全事故处理方法及大型高危化工企业安全模拟管理及应急等，设置交互动作，同时制作常见实验室事故的应急预案演练动画，易燃、易爆等化学品安全存放方法模拟软件，培养学生对化工安全的认识和事故应急处理能力。能够实现生产安全理论系统学习、生产安全操作与应急演练、现场许可作业培训、化工安全技能竞赛和技能鉴定等多种培训功能。

2．实验教学管理模块

教师根据教务处的开课计划，进行典型实验库的维护、实验安排、查看学生实验进展、批改实验结果及实验报告、统计并发布实验成绩。学生根据任课教师的要求，进行实验预习，进入实验室完成实验，提交实验报告。实验教学管理的主要功能有(见图2)：

实验库管理: 维护各门课程实物实验和虚拟实验的典型实验，提供增、删、查、改操作。

实验安排：进行相应课程虚拟实验教学安排和实物实验的教学安排。

考勤管理：对参与实验的学生进行签到签离，考查学生的出勤情况。

虚拟实验：学生根据实验要求，完成验证性虚拟实验，或者进行设计性和创新性实验。

实物实验：根据教师的实验要求，完成相应的实验任务并提交实验结果和实验报告。

实验批改：针对实验结果和实验报告进行相应的自动批改、人工批改及评价。

成绩导出：按照实验课程汇总成绩并输出，或提供数据接口给教务部门的成绩管理系统。

图2　实验教学管理流程

3． 实验室预约管理模块

在本模块中，学生可根据自己的兴趣爱好，提交实验预约以及工位预约，进行个性化实验。也可以向实验室提出设备借出申请。教师也可以组织兴趣小组预约实验室来开展课外实验，同时也可以向实验室提出设备借出申请。实验室预约管理模块的主要功能如下(见图3)：

实验室信息管理：实验室管理员对实验室及工位、设备相关信息进行增、删、查、改；实时监控实验室画面。

实验预约：学生通过系统查询可预约的实验，预约实验。

预约工位：预约实物实验室的工位及设备，预约成功后前往实验室做实验。

设备借出：通过系统查询可以外借的设备，申请及归还设备登记。

预约实验室：通过系统预约申请整个实验室开展相应的实验教学。

实验室预约审核：教务员对教师提出的实验室的预约申请进行查询及审核。

设备借出审核：实验室管理员查询以及审核实验设备的借出与归还状态。

实验室使用率：统计各个实验室课时使用、工位预约、实验室预约情况。

图3　实验室预约业务流程

三、结语

桂林理工大学化学工程与工艺虚拟仿真平台的建设，推动了我校实验教学网络化、信息化的进程，对深化虚拟仿真实验教学内容的深刻改革具有重要的现实意义。

1. 基于网络的虚拟仿真实验教学管理和共享平台具有安全性、开放性、可扩展性、标准化、易操作的特点。降低对真实装置和设备的依赖，避免高危实验、实训等带来的隐患，解决学生实际生产实习不能动手操作等困难，无污染、低运行成本、易管理，最大限度发挥了互联网+、信息化的特性，符合教学信息化的趋势，为新时期下化工教育教学带来新的变化。

2. 多种角色用户身份管理，多种业务权限配置，增强学生、教师、教务人员、实验室管理人员之间的信息传输，实现高效、灵活的实验室信息化管理。学生可以自主安排学习计划，提升学习效率，不受时间空间和地域等限制。学生自主灵活参与实验，充分发挥学生的主观能动性，个性化的协同分组学习提高了学生的团队合作能力和创新能力的培养。

3. 平台运行可以辐射周边院校和地方性炼化企业。服务于兄弟院校化学化工专业学校，同时也可以为地方性企业做员工培训，带来良好的社会效益和经济效益。实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，符合虚拟中心建设共建共享的理念。

(责任编辑：夏璐)

[1]李平， 毛昌杰， 徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013 (11) ：5-8.

[2]唐向阳，马骁飞，郭翠梨，等. 建设高水平“化学化工虚拟仿真实验教学中心”的思路与探索[J].高等理科教育，2015(6):102-106.

[3]杨南粤，李争名，戚宇恒.一站式虚拟实验平台的设计与建设[J]. 中国教育信息化,2016(7):74-77.

Exploration of the Construction of Chemical Engineering and Technology Virtual Simulation Experiment Teaching Center Open Management Platform——the thirdseries of chemical-industry type professional practice teaching reform research

LIANG jun，LIU Yong-ping，LIU zheng

(College of Chemistry and Bioengineering ,Guilin University of technology,Guilin 541004,China)

Taking the construction of open management platform of the chemical engineering and technology virtual simulation experiment teaching center of Guilin University of Technology as an example, the idea and content of the virtual simulation experiment teaching platform construction is introduced. Using the modern information technology and Internet technology, the virtual simulation experiment teaching platform is constructed, which contains teaching resource management module, the experimental teaching management module and the laboratory reservation management module .This platform has distinctive features: unified, exoteric, expandable, configurable, transregional sharing. It lays solid foundation of propelling web based and informationized instruction of experimental teaching, creating new teaching methods, promoting the training of innovative talent and reforming of social work mode.

virtual simulation;network platform;practical teaching;chemical engineering

G647

A

1671-9719(2016)9-0025-03

梁军 (1969- ),男,广东高州人，教授，硕士研究生导师，研究方向为教育管理。

2016-05-30

2016-06-13

广西高等教育教学改革工程重点项目“基于广西石化产业发展的化学工程与工艺专业实践教学体系研究与实践”(2015JGZ129)。