“互联网+”背景下虚拟仿真实验在化工原理实验教学中的应用探索

牛古丹 杨秀春 鹿桂芳

摘  要：传统的化工原理实验教学手段由于受到实验客观条件的影响，很难让每个学生独立的完成实验任务，影响了教学效果，通过“互联网+”虚拟仿真实验在化工原理实验课中的应用与实践，既能较好的弥补传统实验教学方法的不足，又提高了高校化工原理实验课的教学质量。

关键词：高校;互联网+;虚拟仿真实验;化工原理实验

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）25-0096-03

Abstract： Affected by the objective conditions of experiments， it is very difficult for each student to complete the experiment task independently under the traditional experimental teaching methods of chemical engineering principles， which has influenced the teaching effect. With the application and practice of "Internet+" virtual simulation experiment in the experimental teaching of chemical engineering principles， the deficiencies of traditional experimental teaching methods can be made up， and the teaching quality of experimental courses in chemical engineering principles can be improved.

Keywords： colleges and universities; Internet+; virtual simulation experiment; experiment of chemical engineering principles

一、引入互联网+虚拟仿真实验的必要性

化工原理实验是化工原理理论教学的补充、持续和优化，通过化工原理实验，不仅能够巩固学生在理论方面的基本知识，还能培养学生分析问题与处理问题的能力，培养学生的综合素质，提高学生自助进行科学研究的潜能，增强学生的创新理念，使学生能够树立正确的工程观点。由此可见化工原理实验在化工专业与相关专业的人才培育方面发挥着至关重要的作用[1]。伴随着计算机技术的不断发展，虚拟仿真技术也逐渐崛起，该技术把系统技术、相似原理、信息技术和其应用范围内相关的专业技术为本原，将各种物理效应和计算机设备为工具，采用系统模型对遐想中或是现实的系统开展试验探讨的一项综合性技术[2-3]。早在2012年易观第五届移动互联网博览会上，于扬在发言中第一次提出“互联网+”的概念。于扬认为，不久的将来，“互联网+”这个公式在我们所在行业的产品与服务中都会涉及到。2015年全国人民代表大会上，马化腾提交了《关于以“互联网+”为驱动，推进我国经济社会创新发展的建议》的议案，他指出“互联网+”的概念是采用信息通信技术、互联网相关平台把传统行业在内的各种类型的企业和互联网有机结合起来，进而在其他领域建设一种全新的生态体系。2015年3月5日国家总理李克强在第十二届全国人大三次会议的政府相关工作报告中，第一次提出开展“互联网+”行动计划[4-6]。从2012年开始，我国的互联网在教育方面就得到了迅猛发展，普及范围十分广泛，传播速度非常快。2017年我国驱动了《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，同时以“平台共享和项目开发”为特征的创新型的虚拟仿真实验正在建设中[7]。而在高等教育的专业基础实验领域，则仍是以虚拟仿真为主，基于网络平台的仿真实验鲜有报道。构建基于化工原理互联网+仿真实验的网络控制实验中心，使学生能够不受时空限制，进行实际操作和研究，并与同学进行信息共享，这是一项非常有价值的课题研究。

二、互联网+虚拟仿真实验的应用与实践

互联网+虚拟仿真是通过数字仿真技术、仿真工厂技术、多媒体技术、3D虚拟现实技术、AR增强现实技术、互联网技术和移动app技术实现的。教師和学生共用此平台。教师可以通过知识点学习进行在线学习、资料上传、资源分配;通过理论学习，进行题库管理、题库分配、理论考试管理、在线阅卷、统计分析;可以通过仿真学习，进行考试管理、学习日志、统计报表、在线答疑等;仿真课程可以进行仿真课程管理、课程分配、成绩管理和证书管理;还可以进行机构管理，进行学员信息查看和密码修改;还可以通过通知公告、创建公告、发布公告、接受公告;还可以进行个人信息管理密码修改等。教师可以不受时空限制完成与学生的互动，并能了解学生参与情况和实验的完成情况。学生则可以进行以下情况学习（见图1）。

图1 学生进行互联网+虚拟仿真实验学习内容

学生进行仿真操作之前，先要进行理论知识的学习和实验安全知识的考核，二者考核合格之后，获取虚拟仿真操作的证书，之后才能进行仿真内容的学习。学生进行仿真内容学习、操作、事故的紧急情况处理、数据报告处理、思考题回答，合格通过之后获取实验操作证书，才能预约实验，进入现场实操。如图2所示。

（一）安全意识培训

通过3D动画的形式了解化工厂基本安全规范和技术要求，培养学生的安全意识和遇到安全事故处理问题的能力，包括练习和考核两部分。考核是模拟现实安全隐患，让学生查找并解决问题，使学生有种身临其境的感觉。考核不合格者不能进入下一步的学习。通过这种3D形式的学习，使学生印象更加深刻，学习效果更加明显。

（二）理论知识学习考核

学生通过安全知识培训之后，可以进入理论知识的考核，理论试题是在题库里随机抽取，也可以是老师针对某一方面的内容，有针对性的考核，考核结束后，进行在线评分，系统直接出成绩。学生理论考试通过之后，才能获得进入仿真练习的通行证。

（三）虚拟仿真实验内容

学生进入仿真系统之后，可以根据学习进度选取不同的仿真实验项目。我们选取的虚拟仿真实验软件，几乎包括了化工原理所有实验内容，分别是：1. 化工流动过程综合实验;2. 离心泵特性曲线测定实验;3. 汽-气对流传热实验;4. 填料吸收塔实验;5. 精馏塔实验;6. 干燥曲线和干燥速率曲线测定实验;7. 萃取实验;8. 恒压过滤实验;9. 液液萃取塔实验;10. 搅拌器性能测定实验;11. 流化床干燥实验;12. 渗透蒸发膜分离实验。

（四）虚拟仿真系统实践

选择实验装置进入系统之后就进入到了具体仿真操作界面。每个仿真项目都有相关内容介绍，其中包含实验目的、实验内容、实验原理、实验装置、实验设计、实验步骤等，涉及设备及某些复杂部件的工作原理，会插入有关的录像资料，真实设备的照片等，如需演示，单机鼠标左键，则在右侧演示区，出现相关的三维动画演示。进行仿真项目操作时，学生可以任意转换DCS页面和现场图。每个操作的界面都十分简洁，直观呈现给学生，学生直接获取数据，非常便捷，而且还具备放大局部效果的功能，使仪表及数据读取清晰明了。

（五）互联网+仿真实验结果处理

学生实验操作结束，可以进行实验结果的处理，包括原始数据的记录、运算结果的生成、绘制曲线和图表、实验分析、设备列表等最后生成实验报告。最初始的数据，由学生自助收集，软件处理自动生成原始表格，学生将实验测得数据，填写在相应数据输入框中，本界面中已输入的数值为软件默认值，可对其进行更改。点击“数据处理”按钮即可获得实验处理结果。在“数据处理”区获得实验数据计算结果后，点击“绘制”即可得曲线图，生成的实验报告可以直接打印出来，也可以存储在电脑或U盘里。这一部分也可以由学生手动计算完成。

（六）基本操作和综合设计考核

可通过局域网或Internet网络进行基本操作和综合设计的在线测试考核，基本操作进行虚拟仿真软件中化工工艺及设备仪器仪表认识、设备操作的开车、正常运行，停车的考核，综合设计进行异常情况及事故的紧急处理，参数变化对实验过程的影响等考核，考核结束在线直接评分，扣分和得分情况一目了然，而且会指出错误原因并给予纠正。这两项考核合格之后，系统会自动上传到化工原理实验室，预约时间进行化工原理实操实验。

三、互联网+虚拟仿真实验的优点及不足

我们在开展传统化工原理实验的基础上，增加互联网+虚拟仿真实验。通过两年时间的实践，体会到互联网+虚拟仿真实验的引入有如下优点：

（一）节省大量实验装置费用

众所周之，实验能加深学生对理论知识的理解和记忆，充分的实验对学生知识的掌握和综合素质的提高无疑是起到不可估量的作用，但是由于学校资金紧张，实验设备和场地不充分，师资和课时有限，学生想要独立完成每一个实验是很难实现的。而仿真实验的引入就解决了这样的难题，既可以满足每位同学一台计算机，单独操作，又可以多增加很多单元操作实验，而无需增加任何费用，使教学效果明显提高;同时可以进行多终端仿真学习考核：移动端、PC端、网页端，真正实现随时随地学习，不受时间、空间限制。常规的实验装置，每年都需要较多的维修费用，而仿真实验投资少，使用及维护方便。

（二）提高了实验教学质量

首先，传统的化工原理实验室，只能开出七个实验，且每五人共用一台设备，而仿真实验是每人一台设备，必须自己亲自动手，完成全部过程才能得到理想的分数;其次由于资金和占地空间的缘故，原有学校只能安排学生做七个实验，而仿真实验可以做十三个，这就弥补缺少的实验。这对学生知识的掌握无疑起到了加强。另外，我们要求学生实操之前，先配以互联网+虚拟仿真实验，完成实验预习，进行理论知识点、安全知识、基本操作和综合设计的考核通关，全部合格获取双重证书，才能预约实验室進行实验，这就迫使学生必须自己独立做好预习工作，强化了教学效果，提高了教学质量。

（三）提高了学生的实验兴趣和设计能力

传统的化工原理实验课程对实验原理和实验流程的讲解都是在黑板上开展的，描述的不够形象且十分呆板;然而互联网+虚拟仿真是一种全新的教学模式，它是针对于实际过程和流程创建的一种教学模型，通过卡通人物讲解、VR实验等众多新形势的大众化使用。模拟真实的化工生产过程，并将其实际工业现场通过计算机再现于学生面前，这样一种既生动又形象的教学，使学生有种置身于其中的体验，更容易接受和理解，提升了学生的实验兴趣，强化了学生们的感性认知，并减轻了教师的教学负担。通过虚拟仿真可以发现在使用过程中有可能出现的设备缺陷、故障或事故模式，以增强学生对设备设计思维、设计方式和关键部位的改进或改善。

互联网+虚拟仿真实验，作为一种新的教学模式，可给实验教学带来许多益处，但必须指出的是，仿真实验毕竟不是真正的实际对象的操作，本身有不可替代的局限性，会造成一定的负面影响。比如学生在使用仿真实验软件的过程中，会淡化对基本训练和动手能力的培养，同时由于仿真实验的软件过于智能化，对学生错误和故障的排除，能及时提示，造成学生的过于依懒，减少了学生应对突发事件、排除故障及对实验仪器的常规检修的能力。

四、结束语

综上所述，可以清晰的看出，在化工原理实验课上引入互联网+仿真实验，能显著提升教学效果。但仿真实验只是虚拟的，具有失真性，不可以全部代替亲自动手的实际实践，如何提高二者的互补性，并找到仿真实验和传统实验的最佳结合点，还有待于我们继续探索和完善。

参考文献：

[1]杨郭，颜杰，等.仿真技术在化工原理实验教学中的应用[J].四川理工学院学报，2007（10）：252-253.

[2]王小光，杨月云，谢东坡.试论高校建立化工仿真实验室的意义和功效[J].实验室科学，2010（04）：138-140.

[3]姚颂东，方志刚，等.虚拟仿真在OBE实践教学及创新创业中的作用[J].实验技术与管理，2019（6）：229-233.

[4]郑琼.基于“互联网+”战略的O2O模式发展研究[J].市场周刊（理论研究），2015（12）：51-52.

[5]孟庆国，赵雪娇.新常态下的“互联网+”行动计划前瞻[J].人民论坛·学术前沿，2016（2）：84-95.

[6]解继丽.“互联网+”引领教育改革新趋势[J].楚雄师范学院学报，2015（2）：85-88.

[7]张玉梅.“互联网+教育”背景下高职“计算机应用基础”

MOOC构建探索[J].无线互联科技，2017（22）：97-88.