化学化工虚拟仿真实验中心建设与实践

龚成斌, 彭敬东, 马学兵, 王 强, 张 浩, 何荣幸, 申 伟

(1. 西南大学 化学化工国家级虚拟仿真实验中心, 重庆 400715；2. 西南大学 化学化工学院, 重庆 400715)

化学化工虚拟仿真实验中心建设与实践

龚成斌1，2, 彭敬东1，2, 马学兵1, 王 强1, 张 浩1，2, 何荣幸1, 申 伟1

(1. 西南大学 化学化工国家级虚拟仿真实验中心, 重庆 400715；2. 西南大学 化学化工学院, 重庆 400715)

西南大学化学化工国家级虚拟仿真实验中心利用现代信息化技术,结合高等教育创新能力培养的发展需求,以培养学生的实践能力和创新能力为目标,深入开展了虚拟仿真实验教学研究,构建以方法为中心、分层次、模块化、共享的虚拟仿真实验教学体系,建成能提供界面友好、人机和谐、功能先进的网络资源共享平台。

化学化工； 虚拟仿真； 实验教学体系

由于受化学实验条件、易燃易爆高危等安全方面的因素制约,化学及化工过程中一些环节的实验无法在实验室进行,因此,开展化学化工虚拟仿真实验教学的探索具有重要的现实意义[1-5]。根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》和《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》的精神[6-7],我校化学化工虚拟实验教学中心科学地根据已有“方法学”为中心的实验教学体系,按照“虚实结合、相互补充、能实不虚、相辅相成”的原则,以“基础训练、综合提升和创新设计”3个层次、“基础化学、化学工程、大型精密仪器、虚拟实习实训和化学教育”5大模块整合了化学化工虚拟仿真实验教学资源,2015年成为国家级化学化工虚拟仿真实验教学中心(下称中心)。

1 中心建设的发展历程回顾

我校是教育部直属重点综合性大学、国家“211工程”和“‘985工程’优势学科创新平台”建设高校。化学化工学院始建于1952年,是我校办学历史最悠久、学科实力最强、教学科研实力最雄厚的学院之一。学院以“基于综合、立足专业、归于个性”的本科人才培养理念,以院训“探广、索微、创新；求真、厚德、达美”为教育指导思想,坚持人才培养的中心地位,已成为我国西南地区创新型化学人才培养的核心基地。

中心拥有实验室面积7 685 m2以及总价值7 000万元的教学科研设备,承担化学、应用化学、化学工程与工艺等28个专业的化学实验教学,实验学生数7 000人/年,实验生时数约35万学时/年。中心秉承“实践创新、能力至上”的实验教学理念,依托学科建设,整合教学资源,构建了独具特色的化学一级学科平台上“以方法为中心”虚实结合的化学化工实验教学体系,在西南地区具有良好的示范作用和辐射效应。中心建设经历了3个时期：

(1) “萌芽期”(1999—2008年)。 2000年12月通过重庆市“合格实验室”评估,2005年首批被批准为重庆市“化学化工实验教学示范中心”。随着现代信息技术及互联网技术的快速发展,2008年化学化工实验教学示范中心启动了虚拟仿真实验教学的建设工作,先后投入50余万元购买2D化工原理实验课程虚拟仿真软件。

(2) “过渡期”(2008—2013年)。现代信息技术及互联网技术的快速发展,引起化学实验的教学模式、教学方法和学习方式的深刻变化。2008—2013年间,中心先后投入100多万元购买流体阻力实验、过滤实验、精馏综合实验等3D虚拟实验项目和化工单元操作的虚拟仿真项目,组建全天候开放虚拟终端机房和虚拟仿真教室。2013年,为满足化学化工虚拟仿真实验教学的需求,成立了西南大学“化学化工虚拟仿真实验教学中心”,开启了化学化工虚拟仿真实验教学的全面建设。

(3) “发展期”(2014—2016年)。中心秉持“实践创新,能力至上”的实验教学理念,本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则,大力建设和构建化学化工虚拟仿真实验教学体系和平台。2014—2016年投入200多万元,“三层次、五模块”构建辐射西南的综合性虚拟仿真实验教学平台。

目前,中心已经建成能提供199个虚拟仿真实验项目的、交互性、人机和谐、功能先进的网络共享平台,搭建了完善的虚拟仿真实验教学平台的支撑体系(见图1)。

图1 西南大学化学化工虚拟仿真实验教学平台的支撑体系

2 中心建设概况

2.1 教学体系建构

中心结合化学实验教学的特点,以学生能力培养为核心,构建分层次(基础、综合、创新设计)、模块化(基础化学、化学工程、大型精密仪器、实习实训和化学教育技术)、共享的虚拟仿真实验教学体系,建成能提供界面友好、人机和谐、功能先进的网络资源共享平台,能提供199个虚拟仿真实验项目,其中29个3D虚拟仿真实验项目(见图2),涵盖化学化工各个分支学科,具有基础训练、综合训练和创新设计功能。

图2 化学化工虚拟仿真实验教学体系框架结构图

2.1.1 基础化学模块

中心一直在探索与实践培养学生形成3种能力(综合应用能力、解决问题能力和创新能力)的实验教学模式,尤其重视实验课程体系、课程内容和教学方式的构建与改革研究。通过10多年来持之以恒的探索,形成了有自己特色、基于化学一级学科平台上以“方法”为中心的基础化学实验教学体系[8-9]。在此基础上,本着以实为主、以虚补实、虚实结合的原则,中心开发的虚拟仿真基础化学实验,解决了实验教学中想做而不能做、能做而不愿意做的现实问题,实现了对实验的有力补充。

虚拟仿真实验项目与真实实验相互结合、相互补充,既可以让学生体验真实化学反应情境,获得生动直观的感性认识,又可实现化学实验的绿色化和安全化教学,增加学生的参与度,有利于学生综合应用、解决问题和创新能力的形成。该模块包括化学基础、理化测试和化合物制备3个子模块。

2.1.2 化学工程模块

“化工工程”虚拟仿真模块以“基础训练、综合提升、创新设计”3个层次整合校内外虚拟仿真资源,以“化工过程”为主线重点建设“化工原理实验虚拟仿真”“化工工艺操作虚拟仿真”“化工过程质量控制虚拟仿真”“化工三废处理虚拟仿真”4个虚拟仿真子模块的虚拟仿真实验项目。在现有实做实验项目的基础上,开发了相应的虚拟实验项目,主要功能是对实体实验的补充和扩展,强化对学生实验方法与技能的训练,加深学生对原理和设备的理解,拓宽学生的知识面,培养学生自学、操作和分析解决问题的能力,具有较强的交互性功能。

2.1.3 大型精密仪器模块

受制于大型精密仪器的台套数限制和学生操作大型精密仪器偏少的实验教学现状[10],中心采用三维虚拟现实技术,以Virtools为开发平台,基于科研成果数据库和内容开发构建了具有标准实验室环境(安全消防设施、安全防护设施、安全救护)的、可任意角度查看和设计操作的、具备较强沉浸感和交互性的3D“大型精密仪器”虚拟仿真模块(见图3)。

图3 “大型精密仪器”虚拟仿真实验模块结构示意图

该模块由色谱类、光谱类和电化学类3个子模块构成,包括气相色谱分析、液相色谱分析、离子色谱分析、色谱—质谱联用分析、红外光谱分析、紫外光谱分析、分子荧光光谱分析、原子吸收光谱分析、原子发射光谱分析、核磁共振波谱分析、XPS能谱分析、电化学工作站、三维扫描电子显微镜等大中型精密仪器的虚拟仿真实验。模块还包括理论学习与仪器维护维修，能使学生学会处理日常仪器故障,更深地掌握实验原理和仪器构造。虚拟仪器的在线、离线工作站可以调节实验参数,模拟实验出图,进行实时数据分析。系统仿真度高、操作灵活规范,能记录实验过程的全部信息、参数和实验结果,能网络提交虚拟实验报告。

2.1.4 虚拟实习实训模块

利用虚拟现实技术和高精度三维建模,中心将2项实际应用重大横向项目的生产工艺流程、生产参数和工厂实景,以“虚拟技术企业—化工生产企业—高等学校”“三位一体”模式自主研发“乙基香兰素生产”和“妥布霉素片剂制剂”3D虚拟实习实训仿真工厂,具备360°沉浸式漫游、任意方位交互操作和错误警示等功能。同时,购置1项2D“甲醇合成虚拟仿真工厂”。该模块具备360°沉浸式漫游、任意方位交互操作和错误警示等功能,解决了学生工业实习走马观花和大型工程内部结构难于了解等现实问题,为学生工业实训打下坚实的基础,也为企业在线培训员工提供真实的场景和便利条件。

2.1.5 化学教育模块

中学化学实验操作能力和实验教学能力,是化学(师范)专业学生的核心能力之一。中心面向化学(师范)专业本科生开设“中学化学实验教学能力训练”和“中学化学实验教学研究”2门专业实验课程,开设实做实验项目和预设自主训练项目,满足师范生实验教学和实验研究的需要。但中学化学实验特点是“项目多、实验小、功能和分类精细”,鉴于课时限制以及时空局限性,中心与四川师范大学合作开发了“化学教育”交互仿真实验教学平台,提高师范学生实验教学能力。平台针对目前使用率最高的人教版现行高、初中化学教材中的实验,开发虚拟仿真实验训练项目。

交互仿真教学平台具有3个主要作用,一是帮助师范生尽快熟悉现行中学化学实验教学的内容、重点和难点,加强实验教学能力的训练和促进能力提升；二是实现对现行中学教材中部分易燃易爆、有毒有害的危险性中学化学实验模拟,具有错误提示与模拟、人机交互和可视化的功能,弥补现实实做实验项目的不足；三是为师范生提供信息技术条件下数字化教学的模拟平台。“化学教育”交互仿真教学平台为成套的单机版,已作为化学教师远程培训和研修的课程,对西部地区基础化学教育实验改革产生了深远的影响。

2.2 师资队伍建设

中心始终把教学队伍建设作为首要工作来抓,不断提升教师的教育教学质量和科学研究水平。中心加大人才引进和骨干教师、青年教师培养力度,不断完善教学队伍建设体系,初步形成了一支以优秀中青年教师为骨干,知识结构、学历结构、年龄结构合理的爱岗敬业、创新力强、工程实践经验丰富的专兼职实验教师队伍。其中,教授33名、副教授和高级实验师37名,学科专业覆盖无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、材料化学、化学工程与工艺、信息工程、生物工程和化学教学论等领域。教师队伍科研能力强、教学水平高。化学实验教学团队和分析化学教学团队均获重庆市市级教学优秀团队。高水平的教师队伍为科研成果转化为虚拟仿真项目提供重要的保证,使科研与教学深度融合,虚拟仿真实验教学资源大量来源于中心教师科研成果的转化。

2.3 校企合作

中心一直重视与各类型技术特点企业的合作与共建共管。按照《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》的要求,本着“拓宽内涵,提高互动,信息互通,合作共赢”的原则,探索多层次合作运行机制,以“契约型”“知识转移与训练计划”“人才互补战略”等为载体,建立长期有效的、互动共赢和创新的合作模式。

中心通过“共建联合实验室、科技成果转化、顶岗实习、教师进厂和员工培训”等手段架构具备持续开发能力、稳定、共赢的合作机制与模式。中心充分发挥学科优势,作为组织牵头单位,联合北京欧贝尔科学仪器、北京泰科博思科技有限公司、北京东方仿真软件技术有限公司等制作公司和北大医药重庆大新药业股份有限公司、重庆华医控股集团、重庆市欣欣向荣有限责任公司、重庆紫光国际化工有限责任公司等核心生产企业,“三位一体”创构虚拟仿真教学资源和共享平台,自主开发适合自己的、有特色的虚拟仿真资源,如与重庆大新药业股份有限公司、重庆市欣欣向荣有限责任公司合作研制实景3D虚拟仿真实习实训平台。

2.4 共享辐射

中心积极为西南地区高等教育、基础教育和企业发展服务。基于“共建共享”原则,虚拟仿真教学资源和平台向合作学校和企业开放。目前,已建虚拟仿真实验资源丰富的中心门户网站,具备实验教学管理的功能,学生使用计算机,通过网络进行远程实验预习、虚拟实验和创新设计。

中心门户网站经过几年的运行和完善,虚拟仿真实验教学改革成果在校内外的辐射与示范作用越来越显著(见图4),服务于学院4个专业近1 500名学生和学校化学化工相近专业6 000多名学生的实验教学,对西南地区11所高校、5所重点中学的师生开放,为企事业单位培训各类人员2 000余人次。中心网络资源对校外高校、中学和企业等单位集中授权开放,也可接受个人申请,实现优质资源的共享。充分发挥其在西南地区的示范引领作用。

图4 教学资源平台共享范围示意图

2.5 人才培养

中心注重培养学生综合素质,特别是创新创业能力,让学生在实践中全方位发展,知行合一。虚拟仿真实验教学对增强学生综合能力、应用能力和创新能力培养做出了重要的贡献,为培养学生过硬的专业技能和科学素养起到举足轻重的作用。近5年来,中心人员指导学生参加“东芝杯·中国师范大学理科师范生教学技能创新大赛”、全国“中石化-三井杯”化工设计大赛、全国高等师范院校大学生化学实验邀请赛和全国高等院校化学专业师范生教学素质大赛等竞赛,学生荣获国家级特等奖3项、一等奖6项、二等奖14项；本科生获国家大学生创新创业项目30项、校级科技创新基金项目50项；仅2015年,以第1或2作者发表SCI收录学术论文50余篇、授权专利4项；本科生每年考取研究生超过30%,就业率高于97%。

3 中心教学特色

3.1 构建完整、系统的化学实验教学体系

虚实结合,以“基础—测试—合成”为主线构建完整的、系统的化学实验教学体系(见图5)。

图5 虚实结合的化学基础课实验教学体系示意图

(1) 注重顶层设计。打破以二级学科设置实验课程的传统体系,构建基于化学一级学科的实验教学体系,构建“化学基础、理化测试和化合物制备”3大实验课程模块,改变传统以“知识结构”设置项目的原则,课程模块以“方法与技术”设置实验项目,形成“基础—测试—合成”为主线、以“方法”为中心的化学实验教学体系,使学生全面、系统地掌握化学一级学科所涵盖的实践技能和学科方法。

(2) 注重能实不虚。以“方法与技术”设置“化学基础Ⅰ、化学基础Ⅱ、理化测试Ⅰ、理化测试Ⅱ、无机制备和有机制备”6门真实实验课程,包含124个实做实验,使学生熟练掌握基本操作技能,培养学生形成综合应用、解决问题和实践创新的能力。

(3) 注重系统设计。科教融合打造了以“基础、综合及设计”3个层次设置“基础化学”和“大型精密仪器”2大虚拟仿真实验模块,构建“时时能学、处处能做”的化学虚拟仿真实验教学体系,开发的虚拟仿真实验项目,解决了课外学习、大型精密仪器训练不足的问题。

(4) 注重虚实融合。设置与真实实验模块“化学基础、理化测试和化合物制备”相融合的虚拟仿真实验项目,学生既直观地体验了真实化学实验和仪器设备,又通过虚拟仿真实验强化了基本操作、综合应用和实践创新的能力。虚实融合的化学实验教学体系让学生架构起完整的、系统的学科知识结构和实践技能体系。

3.2 构建辐射大西南地区的虚拟仿真支撑平台

构建了界面友好、人机交互、功能先进的虚拟仿真实验教学支撑平台,能提供包含操作训练、综合提高和创新设计的199个虚拟仿真实验项目,其中29个3D虚拟仿真实验项目搭建了实验室对学生开放的运行机制,学生不仅可在预约时间与地点进行实做实验,同时也可进入虚拟开放实验室进行虚拟实验,还可以通过校园网访问虚拟仿真实验教学平台。

学生在网上完成虚拟实验,教师在课堂上辅导和答疑,实现了虚拟仿真实验教学“课堂翻转”的全新实验教学方式,搭建了线上线下混合式的虚拟仿真实验教学平台。联合云贵川渝高校,与重庆长江师范学院、重庆工商大学、重庆三峡学院、重庆文理学院和重庆第二师范学院,四川省西华师范大学和四川文理学院,贵州省贵州民族大学、贵州工程技术学院和遵义学院和云南省昆明理工大学11所高校共同打造多功能的共享虚拟仿真实验教学平台,有效地解决了多民族西南地区高校实验教学资源相对有限的困境。

4 结语

我校化学化工虚拟仿真实验中心在长期的实验与实践教学探索中,在教学理念、教学体系、自主研发、师资队伍建设、人才培养等方面都取得了可喜的成绩。学校坚持立足于重庆化工行业特色,实现了化工行业的实验教学资源与科研成果的统一,并进一步融合共享,促进了仿真实验教学中心的教学品质不断提升。

References)

[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,2013,32(11):5-8.

[2] 钟宏,韩响铃,刘有才.矿业工程化学虚拟仿真实验教学中心“四位一体”建设模式的探索与实践[J].实验技术与管理,2014,31(9):10-14.

[3] 王卫国. 虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J]. 实验室研究与探索,2013,32(12)：5-8.

[4] 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,2015,124(6)：101-105

[5] 刘亚丰,余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理,2016,33(4):108-110.

[6] 教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[EB/OL].(2012-04-20) [2014 -10 -18]. http: / /www. gov. cn / zwgk/2012—4 /20 /content_ 2118168. htm.

[7] 教育部办公厅.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB /OL].( 2013-08-12) [2014 -10-19]. http: / /www. moe. gov. cn /S78 /A08 /A08 _ gggs /A08 _ sjhj /201308 / t2013082 /_ 15612. html.

[8] 彭敬东,马学兵.综合性大学化学实验教学体系和教学方法的思考与实施[J].西南师范大学学报(自然科学版),2010,35(2):259-263.

[9] 龚成斌,唐倩.《有机制备》实验课程体系的建构实践与探讨[J].西南师范大学学报(自然科学版),2014,39(9)；205-209.

[10] 曹玉珍,何峰,刘鸣,等. 仪器类专业虚拟仿真实验教学中心的建设思路[J]. 实验技术与管理,2016,33(5):165-167.

Construction and practice of chemistry and chemical engineering virtual simulation experiment teaching center

Gong Chengbin1，2, Peng Jingdong1，2, Ma Xuebing1, Wang Qiang1, Zhang Hao1，2, He Rongxing1, Shen Wei1

(1. Chemistry and Chemical Engineering Virtual Simulation Experiment Teaching Center, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest University,Chongqing 400715, China)

The Virtual Simulation Experimental Center of Chemistry and Chemical Engineering in Southwest University carries out in-depth research on virtual simulation experimental teaching by making use of modern information technology,combining the development needs of the cultivation of innovative ability of higher education,and cultivating students’ practical ability and innovative ability as the objective. The hierarchical,modular,and resource sharing virtual simulation experimental teaching system is constructed based on methods as the center,which can provide friendly interface,man-machine harmony,advanced cyber source sharing platform.

chemistry and chemical engineering; virtual simulation; experimental teaching system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.055

2016-10-15 修改日期：2016-11-30

重庆市高等教育教学改革研究项目(162010)；西南大学实验技术研究项目(SYJ2016001)；西南大学教育教学改革项目(2015JY019,2014JY089,2014JY087)

龚成斌(1972—),男,重庆涪陵,博士,副教授,化学教学示范中心副主任,主要研究方向为实验室的教学与管理、有机功能材料的设计与合成.

E-mail：gongcbtq@swu.edu.cn

TQ02;G642

A

1002-4956(2017)4-0216-05

虚拟仿真实验教学中心建设