应用型高校化工虚拟仿真教学中心建设的探析*

付兴平，赵升云，胡家朋，范荣玉，林维晟

(武夷学院生态与资源工程学院，福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建 南平 354300)

虚拟仿真技术，又称虚拟现实技术，是通过信息技术系统来模拟现实世界中的真实系统，并随着信息技术的不断发展而逐渐成熟，在许多领域得到广泛的应用[1]。国家中长期教育改革与发展规划纲要(2010-2020年)指出：“信息技术对教育发展具有革命性的影响，必须予以高度重视[2]”。开展虚拟仿真实验教学中心建设，是开展实验教学改革和高等教育信息化发展的要求，是国家级实验教学示范中心的重要建设内容和有力延伸，具有重要的现实意义[3-4]。由于仿真虚拟技术在教学实践中的突出优势，国内外许多学校、企业和研究机构都开始关注仿真虚拟技术在课程教学中的发展和应用，仿真虚拟技术逐渐成为科学技术领域的热点。我国对虚拟实验教学系统的研究从21世纪开始，大连理工大学通过与麻省理工学院的交流，建立了国内第一个虚拟现实实验室，并将麻省理工学院微电子网络实验室与微电子电子课程实验相结合，取得了良好的反响[5]。近些年，国内部分高校针对自身的教学与科研需求相继开发了专业相关的虚拟仿真实验，有力地推进了虚拟仿真实验教学平台的建设。通过虚拟实验教学技术，学生可以选择合适的虚拟实验设备进行相应的虚拟实验，有效的提高了理论联系实际的能力，对实验教学模式的改革具有重要意义。

武夷学院是以工科为主的具有鲜明行业特色的院校，化工类专业基础雄厚，教育教学资源丰富。学校立足于行业专业特色，对化工类虚拟仿真实验教学进行了积极探索和深刻变革，2014年，成立了“化工过程模拟仿真实验教学中心”，2016年获批为“省级绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心”。仿真实验是教育信息化的重要手段，借助计算机虚拟仿真技术，解决化工行业技术领域不具备或难以实现的真实实验问题，尤其对于那些涉及高危或极端环境的实验，虚拟仿真相对于传统的实验教学具有明显的优势，并对传统的实验教学思想、体系、模式和方法等产生深远的影响[6]。

本文论述了应用型地方高校绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心的建设必要性、思路和建设内容，提出“一体化、多层次、模块化、重开放”的应用型绿色化工技术虚拟仿真实验教学体系和资源平台。将虚拟仿真技术与传统实验教学设备和装置相结合，通过模拟实验环境、实验过程、实验现象、实训场景，获得直观真实的实验效果，更好地开展本科生的实验实践教学工作[7]。

1 仿真实验中心构建

1.1 仿真实验中心建设的必要性

化工类专业是一门实践性很强的专业，绿色、高效、经济、安全是化工类相关行业的重要指标，需要工程素养高、专业基础扎实、实践能力突出的专业技术人才。学生不仅要学习相关的理论知识，还要灵活运用相关的理论知识进行化工生产实践，而在传统的化工类课程实践模式中，存在以下几个问题：①实验实训设备和场地限制。化工类等相关专业的课程实践环节，通常都具有设备体积大、流程复杂、物料和设备的损耗较大等特点，而大部分高校实验场地不足，经费有限，许多与实践结合十分紧密的实验项目无法开展；②实验实训安全问题。化工实验过程中常涉及易燃、易爆、有毒及强腐蚀性物料，且反应通常是在高温、高压环境下进行，出于安全考虑，实验无法开展，影响教学效果[8]；③教学内容与实际生产不匹配。化工等相关专业实验装置的更新换代非常迅速，传统的实验、实训设备和方法往往不能紧跟化工发展的脚步，造成实验实训教学内容与化工生产的实际发展需求严重脱节，不利于学生掌握化工前沿技术，影响学生的发展[9-10]。

实验教学是新工科人才培养的重要环节，绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心的建设，按照虚实结合、相互补充的原则，中心自行设计并与自控厂家、东方仿真和青松股份有限公司等公司合作，开发和引进大量工艺与装备的虚拟仿真软件共享实验等优质教学资源，开展校企合作，在校内建立仿真工厂，将真实的工厂搬进校园，可以弥补传统实验实训教学的不足，保证了学习效果，有效地解决了学生实习实训的难题，满足国家高等教育的内涵式发展对学生实践创新能力培养的要求[11-12]。

1.2 仿真实验中心的建设思路

根据高水平应用型技术人才培养的要求，绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心紧密结合化工类行业发展趋势，以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，依托福建省基础化学实验教学示范中心、福建省生态产业绿色技术重点实验室、绿色化工技术福建省高等学校重点实验室、化学工程与工艺福建省特色专业、环境工程福建省服务产业特色专业等优质资源与创新平台，建成适应化学工程与工艺、生物工程、环境工程、高分子材料与工程等生物资源利用专业群的仿真实践教学体系。建立一套完善、先进的开放运行管理体制与校内外资源共享的网络运行管理平台，实现更广泛的安全生产3D实习、过程控制、工艺优化与设计等在线学习、仿真实验和仿真工厂实训等功能，服务于省内外化工、环境和生物类专业学生仿真实习教学及相关企业员工培训。同时注重师资队伍建设，不断优化师资队伍结构和水平，加强与企业的合作交流，建设一支“双师双能型”虚拟仿真实验管理与教学团队，力争将虚拟仿真实验教学中心建设成为教学科研成果培育转化基地、教学方法探索与改革基地和面向社会提供实践训练服务与专业培训基地，致力于服务地方产业升级和区域绿色发展的应用型人才培养。

1.3 仿真实验中心的建设方案

绿色化工虚拟仿真实验教学中心经过几年的实验教学和创新积累，围绕化工仿真实验室、化工过程模拟实验室、化工开发与设计实验室的建设与升级，更新和添置仿真仪器设备，并对实验中心的环境加以改善，不断丰富虚拟仿真实验教学资源，逐步加大校企合作力度和广度，以满足应用型人才培养和服务地方能力提升的需要。中心将虚拟实验与真实实验相互补充，将科研成果反哺实验教学，将工程实践转化为实验教学内容，与地方企业在过程控制、生产工艺优化、安全生产、绿色技术开发和联合培训等方面开展合作，不断提升学生的实践与创新能力，同时为企业提供技术支持。通过规范、高效的运转管理，充分发挥实验室的功能，中心面向化学工程与工艺、环境工程、生物工程及其它相关专业，立足服务区域生态环境保护与资源绿色利用，结合自身科研与教学优势，建设了包括专业基础实训实训、强化专业课程实验实训、综合创新训练等三大层次教学体系，建立了五个模拟仿真实验实训教学模块，形成“一体化、多层次、模块化、重开放”的实验教学平台，如图1所示。

图1 绿色化工技术虚拟仿真实验教学体系

其中，“三个层次”即按照应用型人才成长和培养规律，将实验教学内容划分为专业基础型、专业课程型和综合实践型。“五个模块”即按专业知识体系把各层次实验细分为单元操作模拟仿真、工艺模拟与优化、过程控制模拟与优化、见习实习虚拟仿真、工程设计等虚拟仿真实验模块。虚拟仿真实验与专业基础课程、专业核心课程、专业综合训练课程配套，有效的解决实物装置占地面积大、维护费用高、利用率偏低、“三废”污染、产品出路等问题，使学生在掌握理论知识后通过虚拟仿真实验进一步掌握其应用的领域和方法，提高学习兴趣和增强知识运用能力，有力的促进应用型人才培养质量提高，推进学校向应用技术大学转型。

2 建设特色与创新

2.1 产教融合，构建具有区域特色的的实践教学课程体系

绿色化工虚拟仿真实验教学中心适应学校向高水平应用型大学转型发展，依托现有的福建省基础化学实验教学示范中心、福建省生态产业绿色技术重点实验室和绿色化工技术福建省高等学校重点实验室等优质资源与创新平台为支撑，紧紧围绕地方产业的需求，积极推进生物资源利用专业群实践创新平台建设，形成了“化工过程与安全”、“生物资源绿色技术”和“环境治理与清洁生产”三大虚拟仿真平台的实践教学体系，建设了包括专业教学、综合创新创业训练和工程实训等多类不同层次的实验体系。在满足应用型人才培养的基础上，以企业安全生产、过程开发、过程控制和工艺优化等环节为纽带，积极服务企业技术开发和岗位培训，与南平市生物资源利用产业创新升级紧密对接，满足了实践教学既要有深度又要有广度的要求，丰富的实验教学资源与高水平的教学质量。

2.2 虚实结合，形成实体和仿真实验教学互为补充的教学模式

开展虚拟仿真实验教学不是一味的追求虚拟，脱离实体实验，而是要依托虚拟仿真技术，更好地发挥实体实验的教学功能[13]。虚拟仿真可以弥补传统实验室投入多产出率低、开放性受限制、实验教学条件要求高等缺点，为实验室资源共享提供一种新解决方案。基于这种考虑，将实验课程分为实体实验和虚拟仿真两条线，虚实并举，互为补充。目前，绿色化工虚拟仿真实验教学中心订制开发了合成樟脑半实物仿真工厂、实验室综合废水处理虚拟仿真、合成氨生产虚拟仿真以及甲醇工艺3D虚拟仿真系统等，丰富和完善了“化工过程与安全、生物资源利用技术、环境治理与安全”三大模块的单元操作实训、工艺模拟与优化、仿真实习的校内虚实结合的一体化教学体系，拓展20多家产教融合的校外实践教学基地，适应新工科发展的实验实践教学条件持续改善，有力地促进了应用人才培养质量的提高。

2.3 科教结合、校企合作的建设模式

绿色化工虚拟仿真实验教学中心建设依托学校优势学科，将科研成果转化为虚拟仿真实验项目，科研一线老师参与中心建设，一大批省部级重点实验室为中心建设提供支撑，以科研带动实验教学，丰富了实验教学内容。中心与青松化工、和泉生物、绿康生化、福建邵化、世竹环保、南平市环境科学研究所、武夷山污水处理厂以及东方仿真等相关企业建立了广泛的合作关系，采取共同开发、共同运营、共同建设、优势互补等多种方式开展与企业的长期、深度合作，共同开发实验项目，研制实验设备，完善实践课程内容，改进教学方法，提升实验教学水平，使中心持续健康发展。如中心与青松股份有限公司共建“武夷学院-青松股份精细化工技术研发中心”，推进合成樟脑﹑冰片、脂松香等绿色化工产品生产工艺的仿真软件开发，合作开发“樟脑合成柔性反应系统”；中心与自控厂家、东方仿真公司合作，推进“化学沉淀+芬顿氧化+混凝气浮+臭氧/紫外光催化氧化+石英砂过滤+活性炭吸附”实验废水处理仿真系统，用于水处理仿真操作和实体运行；中心与福建和泉生物公司、东方仿真公司合作，将生物医药中间体发酵生产工艺的研究成果开发为虚拟仿真教学资源等。

3 中心的教学成效

从2016年获批为“省级绿色化工技术虚拟仿真实验教学中心”开始，通过近年的建设和改革，中心主要教学成效如下：

(1)依托中心平台资源，将学生的创新训练和科技竞赛活动植根于实验室和项目开发过程中，提升了学生的专业实践能力、创新能力和信息化应用能力。近年来，化工类专业学生依托中心各个教学平台完成“大学生研究性学习与创新性实验计划”国家级项目20多个，省级大学生创新创业训练项目30多个；基于绿色化工技术虚拟仿真常用软件(如ASPEN、SP3D、PDMS、3D MAX、SCATCHUP软件等)进行辅助设计、模拟计算，学生的工程实践能力得到明显增强，多次在省级以上竞赛中获奖，如在全国化工设计竞赛中获得二等奖，中南地区高校化工原理大赛中获得二等奖和三等奖；在近年的“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛和大学生创业计划竞赛中，中心指导的学生也获得多项奖励；化工类学生参加各类“双创竞赛”人数占学生总数的68.2%。学生还积极参与教师的横向课题和工程实践项目，参与发表论文40多篇、申请专利10余项。

(2)虚拟仿真中心和企业技术骨干教师共同组成的“教学指导委员会”，根据学校和企业的实际情况，定时召开研讨会，进一步整合学校实验教学资源，联合企业技术人员与设备资源，推进案例化项目化教学改革，形成“仿真实验教学案例库”，构建理实一体、虚实结合的教学体系，有效的提升了实验教学质量和专业群内涵建设，促进了实验教学管理体系的改革，不断丰富应用型教学资源。

(3)按照学校建设“区域特色鲜明、服务地方能力强的应用型本科院校”的目标定位，借助虚拟仿真实验教学中心资源，积极推进产教融合、校企协同育人的“订单式预就业”联合培养模式改革，与福建青松股份有限公司、福建永晶科技有限公司联合开办了“青松定向班”、“永晶科技定向班”，形成“1+n”多企联合育人的新模式。在实施定向培养的基础上，进一步与拓展与企业的合作，与绿康生化有限公司完成了“合成樟脑半实物仿真工厂”，与福建省环境保护设计院和北京东方仿真公司合作开发“实验室废水处理虚拟仿真实验”。为学生提供了良好的实践、实习条件，这为提高学生的实践能力，培养创新型人才起重要作用。

4 结 语

化工类专业作为一门工程性强和综合性强的学科，不仅要求学生掌握理论知识，而且要求他们具备相应的理论联系实际的能力。为提高化工类专业的教学效果，将虚拟仿真技术融入化工类专业教学中，相比于传统实验教学，虚拟仿真实验教学较具有明显的优势。首先教师可以根据教学进度和实际需要，在虚拟仿真系统中设计相应的课程任务，将理论知识的学习和实践能力的培养有机地结合起来。虚拟仿真实验平台可以使学生在不受时空限制的情况下完成实验，大大节省了教师和学生的时间；其次，在这种教学模式下，教师可以实时掌握学生的学习状况和薄弱环节，及时调整教学内容和方法，打破传统实验的限制，学生可以通过虚拟仿真实验中实验参数的改变，实现不同实验过程，以验证理论知识，提高学生参与实验的积极性和主动性，使学生的思维得到充分的发挥。最后，这种教学模式，加强了与企业的联系，对学生整体分析、思考和解决实际化工生产问题有明显的提升。总之，虚拟仿真实验实训对学生创新能力的培养和问题解决能力的培养具有良好的效果，为新工科建设人才培养模式改革提供一个重要而可行的方向。