探索虚拟仿真实验在《化工原理实验》教学中的应用

孙智慧，杨连利，张卫红

(咸阳师范学院化学与化工学院，陕西 咸阳 712000)

化工原理课程是化工、材料、制药等专业学生必修的一门专业基础课，其工程性和实践性较强。该课程教学环节主要分为两部分，即理论教学和实验教学。其中化工原理实验环节是在完成各单元操作理论学习的基础上而开展的，可使学生进一步深刻理解和掌握典型化工单元操作中设备工作原理、操作过程及设计理念等。实验课程的开展，可使学生更好地理解和掌握课堂上所学的枯燥无味的理论知识，同时有助于提高学生的动手操作能力和各项实验技能，也有助于培养学生的工程思维等[1]。

但是，随着大学课程教学改革的深入，化工原理理论和实验课时都出现下调现象，任课教师为确保所学理论体系的完整性，平均课时所学知识量加大，导致学生对所讲内容不能很好地理解并掌握，另外，由于实验设备数量限制，学生只能分组轮流实验，如果出现设备故障等突发状况，有些实验量并未达到课程任务要求，日积月累，学生很容易失去学习兴趣。此外，化工原理实验的开展也受到时间和空间教学资源的限制，部分实验只在特定条件下开展。例如，筛板塔精馏实验，由于受时间和空间限制，往往要求学生测定精馏塔在全回流特定条件下的理论板数、总板效率，而关于回流比、温度等条件改变对精馏塔精馏效果影响却无从获知，从而影响教学效果。

随着信息技术的不断发展，虚拟仿真实验教学平台因其"成本低、消耗少、零排放、易管理"等优点而逐渐应用到高校实验教学中[2-3]。学生通过借助虚拟仿真实验平台开展化工原理实验，在各单元操作2D界面上熟悉实验设备、工艺流程等，在3D界面上体验实验环境，操作虚拟设备，借助视觉、听觉、触觉上熟悉并掌握实验操作过程[4]。

1 教学平台简介

咸阳师范学院化学与化工学院已建立虚拟仿真实验中心，该中心具备多套工艺仿真软件，均由北京东方仿真公司开发。其中也包括化工原理2D与3D仿真实验软件，具体实验项目列于表1中。例如，精馏塔精馏实验2D与3D仿真实验操作界面如图1所示。在仿真实训环节，教师通过教师站启动控制平台，指定训练项目和训练室，学生按照教师指令在电脑上启动进入学生端登陆窗口，进入指定的仿真实训界面。教师通过教师机可以方便地监控学生整个操作过程，能够及时发现学生理论掌握情况以及操作过程中存在的问题。同时，教师也可以查看学生训练成绩，实时掌握学生的整体训练效果。

表1 化工原理虚拟仿真实验项目

2 教学方法

按照传统的实验教学模式，学生课堂上学习完化工原理理论知识后，接下来即将进入实验室进行实际设备操作。通常情况下，在开展实验前，教师会依次给学生讲解实验原理、实验内容、实验主要设备、实验操作步骤及实验注意事项等，然后才让学生动手操作。但由于学生缺乏实践操作经验，在实验过程中遇到突发状况时，难免会手忙脚乱，增大实验安全隐患。为使学生更好地掌握操作过程以及避免部分误操作引起安全事故等突发状况，此时化工原理仿真实训平台可以发挥很重要的作用。学生通过虚拟仿真实验教学平台，可以预先体验和熟悉实验环境，熟悉和掌握操作步骤和实验关键环节，以及实验注意事项等，通过实训可为实际实验操作打好铺垫[5-6]。

化工原理仿真实训项目中2D画面中完整呈现了单元操作的整个工艺流程，操作界面中标注了设备名称与位号，以及操作提示。例如在做精馏仿真实训时，学生首先可以通过仿真界面熟悉精馏塔的主要部件、阀门及其安装位置、主要控制参数等；其次可以通过调整操作，实现全回流和部分回流，或者改变塔釜温度或塔压等工艺参数，可以直观地观察到操作条件改变时对塔顶和塔底产物浓度的影响规律。

化工原理仿真实训项目中3D画面模拟了真实的实验环境，学生可以真实感受到精馏单元中各设备摆放位置、物料出入口、阀门样式及安装位置、操作面板参数控制、机动设备的启停方式等。通过实训装置开车、正常运行、停车后，可以很好地掌握整套装置的运行。此外，也可以直观地感受到装置在一些异常状况下的现象。如此反复训练，可以对学生有效地强化工程实际运行的感性认知。

通过化工原理仿真实训，学生由被动实验变主动实验，从开车前准备工作到顺利停车，任何一个环节都要亲自操作。在装置运行过程中，如果出现异常现象，此时并没有现成的解决方案供他们借鉴，学生必须自己分析、思索问题产生的原因，进而找到解决异常事故的方法。通过本环节的训练，可以培养学生发现问题与解决问题的能力，同时也可以培养他们的自信心。此外，系统中设置了有关本次实验的知识点测试，实验结束后，同学们要根据实验情况对一些实验理论、操作异常等方面进行综合测试，从而进一步巩固理论和实操知识。以上方面均可以激发同学们的创新意识，激发同学们的学习兴趣[7]。

3 考核方式

由于实验设备台数的限制及实验空间和时间的限制，造成学生无法参与到实验过程中的每一环节，不仅影响整体教学质量，同时也影响教师对学生整体素质的考评。例如，在传统的实验教学模式下，学生往往以小组的形式共同操作某一单元装置，所以无形中增大了对个人进行考核测评的难度。因此，教师考核学生时往往主要通过课堂纪律、实验态度、实验结果、实验报告这几个方面综合考评。化工原理实验仿真平台应用后，有利于教师对实验过程与效果进行监控与评价，例如学生仿真实训时间、测评成绩、操作过程等，仿真系统内都有详细的记录，教师对学生的考核途径也多样化，从课前准备、操作、实训过程、实验效果等多方面进行综合考评。

4 结语

化工原理虚拟仿真实验能够较真实地还原实际实验室的实验环境，学生可以按照自己的想法或实验预案完成各类化工单元操作，通过反复实训，可以培养学生的动手操作能力、工程实践能力和创新能力。虚拟仿真实验是一种全新的新型高效教学模式，但不能完全代替实际设备操作过程，两种教学模式应有效结合，使学生各方面能力培养上发挥极佳效果。