仿真模拟实验在化学化工实验教学中 的探索与实践

曹高 申东升 周臻

摘 要：随着教育信息化的迅速发展，仿真模拟实验以其新颖独特的教学形式及相对于传统实验教学的优势，越来越受到各级教育行政部门和高校的重视。文章以广东药科大学为例，阐述了医药化工省级实验教学示范中心在化学化工相关专业中开展仿真模拟实验教学的经验。通过仿真模拟实验教学项目的建设与应用，进一步丰富了示范中心的教学资源，对实验教学质量的提高和实践教学改革的深化都将产生积极的影响。

关键词：仿真模拟实验；实验教学；化学化工

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）03-0038-04

随着计算机信息技术的飞速发展，仿真模拟技术受到了前所未有的重视，已经成为继理论研究、实验研究之后的第三大认知世界和科学研究的方式[1]。为落实国家信息化发展战略的要求，仿真模拟技术在科学研究及教育教学领域中的应用正逐步深入。教育部近年来加强了对实验教学信息化工作的宏观指导，先后出台了强有力的政策和措施：2012年3月，教育部印发了“教育信息化十年发展规划（2011—2020年）”；2013年3月，教育部出台了“教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见”；同年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学示范中心的建设工作[2]；2016年2月，教育部办公厅印发了“2016年教育信息化工作要点”，试点开展优质虚拟仿真实验项目资源库的建设；2016年6月，教育部又下发了“教育信息化十三五规划”，进一步确定了教育信息化的目标任务。各省市在2017年开始的“新工科”建设行动路线中，也越来越重视仿真模拟等创新工程实践教学方式，不断完善新工科人才“创意—创新—创业”教育体系。

在我国高等教育规模不断扩大的同时，高等学校需不断推进各类实验室的建设和升级改造，但传统真实实验室建设成本高，实验设备和教学环境需要持续的经费和人力投入进行维护，这给部分高校的财政及师资带来不小的压力，同时也难以保证实验教学的效果；另一方面，传统真实实验教学模式存在一定的单一性、被动性等缺点，不利于新时期下学生创新能力的培养[3]。而仿真模拟实验教学是传统实验教学的有益补充，它能够优化实验教学资源，营造多样化的教学环境，增强实验教学的互动性，能有效克服真实环境中的诸多限制，营造更加安全的实验教学氛围，并能激发学生自主学习的积极性，对实验教学质量的提高及应用型创新人才的培养都具有积极的意义。

2015年10月，教育部、国家发展改革委、财政部联合下发了“关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见”，明确提出要加强应用型、复合型、创新型人才的培养。仿真模拟实验教学的开展正是顺应了教育信息化的发展趋势和应用型人才培养的现实需要。化学化工所涵盖的专业如应用化学、化学工程与工艺、高分子材料与工程等都是典型的工科专业，也是典型的技术型、应用型专业，其对实验及实践教学的质量提出了更高的要求。广东药科大学医药化工学院抓住医药化工省级实验教学示范中心建设的机遇，在上述专业的实验、实践教学中，引入仿真模拟实验教学项目，积极培养学生的信息化能力和工程素养，为同类院校开展仿真模拟实验教学提供一定的参考。

一、仿真模拟实验教学的探索

（一）CSD数据库及晶体结构软件在立体化学分子搭建与模拟实验教学中的应用

在化学化工专业必修科目“有机化学”课程中，分子的对映异构、构象异构和构型异构等立体异构的内容，是教学过程中的重点和难点。在传统的有机化学实验教学中，安排了有机化合物分子模型搭建这一实验，其目的就是通过搭建有机分子的球棍模型，加深对分子立体结构的理解。这一实验通常是分发球棍模型在课后完成。但在实际的教学过程中，学生的积极性不高，教学效果欠佳，很多学生学完后对相关的概念仍是模糊不清。国外已有一些高校开展了一些分子水平上的仿真模拟实验[4-5]，我们对这一实验项目进行虚拟化改革，尝试应用英国剑桥结构数据库CSD（Cambridge Structural Database）及相关的免费三维可视化软件Mercury、Encif于立体化学关于构型、构象、手性等概念的教学中[6]。CSD数据库是剑桥晶体结构数据中心建立的基于X光和中子衍射实验的小分子及金属有机分子的结构数据库，该数据库自1965年建立以来，到现在已经收录超过了80万个分子结构数据。我们在庞大的CSD数据库中检索到有关双键、环状化合物的顺反异构、手性中心R/S对映异构、船式、椅式构型等的典型实例，并结合使用相关的晶体结构软件，可清楚地了解有机化合物分子中各原子的三维空间伸展情况，增加了立体化学教学的直观性。

在实验教学过程中，医药化工省级实验教学示范中心一直强调要尽可能结合研究前沿的新内容和新成果。在上述基础上，我们从CSD数据库中，又系统总结出含氮、磷的手性杂原子、轴手性、平面手性、螺旋手性、超分子手性等最新的一些不含手性碳原子的手性化合物及其絕对构型[7-8]，并同样地应用到立体化学的虚拟实验教学中，极大地加深了学生对手性概念的认识和理解。相对于机械化地搭建分子球棍模型，此类型的虚拟实验教学更能吸引学生的学习兴趣，对相关专业知识的理解更加深刻。

（二）ChemOffice在桌面化学实验教学中的应用

化学化工专业的学生，在很多课程的学习及完成本科毕业论文的过程中，都会涉及分子式、反应式、反应装置图等的绘制。然而在实际教学过程中，却没有针对这一方面对学生进行专门的训练，因而导致了相关的课程作业及毕业论文中，各类分子式、反应式书写极不规范，学生没能掌握必要的专业技能等问题。因此，我们利用省级实验教学示范中心完备的多媒体及网络教学的有利条件，在“有机化学”课程的实验教学中专门开设了ChemOffice的应用这一实验项目。

ChemOffice是美国剑桥公司出版的化学分析桌面套件，软件包括ChemBioDraw、ChemBio 3D、ChemFinder、ChemBioDraw for Excel等模块。其中的ChemBioDraw主要用于化学结构绘图，ChemBio 3D可在分子水平上模拟和分析分子的立体构象，可用于设计化学模型，进行动力学模拟、化合物构象分析和过渡态能量最优化等。

在该项目的实验教学中，我们与学生详细介绍绘制普通结构式、反应中间体、复杂环结构、Fischer投影式、Newman投影式、透视图、立体化学结构式及反应式等的步骤和方法，讲解ChemBioDraw的扩展功能，例如绘制薄层色谱图、反应装置图、显示分析信息及物理性质、预测NMR谱、结构式和命名互相转换以及其与Word和ChemBio 3D的关联等，然后在实验课堂中布置绘制简单分子式、官能团结构式、反应式和试验装置图等练习，在课后绘制复杂分子结构式，化合物名称与结构式转化，3D图形绘制，波谱解析，键长、键角、二面角、分子间距离、分子所在空间的计算等拓展练习。借助于ChemOffice仿真模拟实验项目的教学实践，使学生更好地掌握化学化工的专业知识与专业工具，实现了专业软件与化学化工专业课程的相互融合。从实际的教学效果来看，ChemOffice桌面化学软件的应用无论是对教师的课堂教学，还是对学生的课程学习、论文写作以及科研参与，均能起到良好的效果。

（三）Origin软件在化学化工实验数据及图表处理实验教学中的应用

在化学化工相关的课程实验，如“物理化学”“化工原理”，以及完成本科毕业论文过程中，经常要处理批量的实验数据，需要对数据进行整理和分析，然后用表格或图形来表达，用以对实验现象进行说明并做出科学的结论。现今大量的实验数据和图形都可以通过计算机软件如Excel＼Matlab＼Spss＼Origin等进行分析和处理，这已经成为当代大学生必须掌握的知识和技能。但现行大多数培养方案的计算机课程中，对这一方面很少涉及。同时在实际的教学中我们也发现，多数学生在进行化学实验后，不会应用计算机软件处理实验数据、绘制结果图等。因此，我们在学生专业实验及生产实习开始前，利用实验教学示范中心的平台，在三个化学化工相关专业中统一开设了Origin软件在实验数据及图表处理中的实验教学项目。

Origin是美国OriginLab公司开发的数据分析和绘图软件，其应用领域非常广泛。该软件的功能主要有数据分析和图表绘制两个方面。我们开设的Origin数据分析与处理实验课程，第一课对软件的基本界面、数据输入和导入、二维图形绘制做出详细的说明，其中二维图形的绘制是教学的重点，对简单图形绘制、添加误差棒、文件及图的保存、图形观察和数据读取、多层图形绘制都进行了详细的解释。第二课主要与学生讲解函数拟合，包括Fitting 菜单工具拟合、非线性曲线和曲面拟合、自定义函数拟合以及拟合结果分析等教学内容。

通过这一实验项目的教学，不但能提高学生对实验数据的分析处理能力，而且能深化学生对所学专业知识的理解，同时也提高了学生完成真实实验的兴趣。另一方面，提高学生的计算机应用水平，尤其是提高学生专业软件的应用水平，也是实验教学的一个重要内容和目标，这样能使学生较早地接触到专业的科研工具，培养其初步的科研兴趣及创新能力。

（四）AutoCAD/PIDCAD/AutoCAD Plant3D在化工工程设计实验教学中的应用

化学工程与工艺、高分子材料与工程、应用化学专业都属于工科专业，在这些专业的培养方案中，有一门基础必修课程“工程制图”常常因为师资等原因被一些地方非综合性普通院校所忽视。实际上，在高等工科课程中，制图是一门重要的基础必修课。该课程主要培养学生绘制和阅读工程图样的基本能力。近年来随着计算机多媒体技术的发展，计算机绘图已经代替了传统的手工绘图。我们在三个专业的工程制图课程中，均开设了18个学时的上机实验项目。AutoCAD是美国Autodesk公司设计的计算机辅助设计软件，主要用于二维工程制图和基本三维设计，现已经成为国际上广为使用的工程制图软件。在化学工程与工艺专业的专业课程“化工制图”中，同样开设了18个学时的上机实验课程。在使用AutoCAD软件的基础上，我们引入了PIDCAD及AutoCAD Plant 3D的教学。PIDCAD是专为工程技术设计人员及高等院校师生设计的，用于化工工程设计、管道和仪表、工艺物料流程图绘制的工具软件。其多达600多项的功能，如在图上添加设备、仪表、阀门、管件，以及添加管线、标示管线号、管内介质流向等，都非常简便快捷。而AutoCAD Plant 3D实验教学的引入，使学生掌握了一定的三维绘图的基础。通过这些实验项目的教学，学生除了掌握基本的制图技能以外，还能较早地接触工程思想，培养学生的工程素养，且对后续的“化工机械基础”“化工设计”等课程都打下了坚实的基础。

（五）Aspen Plus/PRO II的化工流程模拟与仿真实验教学中的应用

化学化工学科是应用性、实践性很强的学科，尤其是化工专业，与实际应用的结合比其他学科更加密切，因此化工专业的实践教学至关重要[9]。一方面，为了提高实践教学的质量，医药化工省级实验教学示范中心已经投资了近150万元，建设了化工原理及化工专业实验室，购置了机械能转化、板式塔流体力学、雷诺演示实验装置，空气—蒸汽给热系数测定、筛板精馏塔、填料吸收塔、洞道干燥、流体力学综合实验装置等多套化工专业实验设备。这些实验室的工艺设备庞大，资金投入大，利用率却较低。

另一方面，化工实验成本高，耗时较长等特点使得实验室仅能开设一些小型的、简单的验证性实验，这对于培养学生的创新能力和解决工程实际问题的能力作用有限。利用信息化的仿真模拟教学手段把真实的化学工业过程展现给学生，能夠体现仿真模拟过程的先进性和优越性，也能由浅入深，激发学生的学习兴趣，培养其综合分析解决问题的能力。随着实验教学示范中心网络机房的建设以及电脑在学生中普及率的提高，为使用模拟软件进行辅助教学提供了条件。我们尝试将Aspen Plus、PRO II等化工专业模拟软件有目的、有步骤地引入到化工专业实践课程的教学中。

Aspen Plus是化工行业公认的通用化工流程模拟软件，它提供了全面的单元操作模块，包括反应器、分离操作单元、换热器等；同时它还提供了大量的物性数据，模型/流程分析功能、工程设计能力等。PROII软件是由SIMSCI公司开发的大型流程模拟软件，该软件用数学模型对各个操作单元以及整个工艺流程进行描述和模拟，是一种可以将全流程视为一个整体的综合性计算模拟软件，它包含了巨大的化学组分库和热力学方法。因此，它在化学、石油、天然气，合成燃料工业方面可提供复杂可靠的模拟功能。我们通过单元模型操作、过程系统模拟和化工厂设计3个阶段的训练，将这类仿真模拟软件引入化工专业核心课程“化工原理”“化学反应工程”“化工热力学”等的教学中，强化了化工专业核心课程体系的建设，可以使学生理论联系实际，不仅能提高学生的学习兴趣，促进学生动手解决工程实际问题的能力，还培养了学生使用计算机进行科学研究的技能，为日后从事实际的工程设计工作打下良好的基础。作为此类仿真模拟实验教学的成果，在近年举行的一些设计大赛如“全国大学生化工设计竞赛”中，我院化工专业的学生都取得了优异的成绩。