虚拟仿真在化工实践教学中的研究*

谢伟芳，干方群，秦品珠，程 婷，程小娟

(江苏开放大学环境生态学院，江苏 南京 210017)

虚拟现实(VR)是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展，目前虚拟现实技术被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。《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》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》教育部在文件中指出要推进建设一批虚拟仿真实验教学中心作为实验教学的示范，通过开展在线教学服务或技术支持等，积极发挥对专业类内实验教学信息化建设的示范引领作用”。通过推动高校化工类专业实践教学模式改革与创新，丰富实践教学的内容和内涵，为培养具有创新和动手能力的高素质人才创造条件。

在化工课程中，传统的实践教学存在场地限制、管理人员配备不足、设备贵、维护成本高和操作安全性等问题[1-5]，已不能很好满足当下实践教学需求。当下随着教学信息化技术的进一步发展，虚拟仿真软件在各类实践教学中的应用越来越广泛，极大地丰富了传统的实践教学。为了适应教学信息化的发展需求，弥补实践教学条件的不足，提高实践教学的效果[6]，将虚拟仿真软件引入化工实践教学已成为一种趋势。

本文从传统化工实践教学中存在的问题入手，阐述了虚拟仿真软件在实践教学中的优势，初步探讨了虚拟仿真软件在化工实践教学中的意义。

1 化工实践教学的现状及存在的问题

1.1 教材更新不及时

当今社会，科学技术日新月异，同时伴随着环保要求越来越高，新工艺、新技术、新设备在化工领域不断更新换代；而高校化工专业学生所使用的教材大部分是几年前编写的，再者教师下企业挂职锻炼的机会和时间较少，无法及时掌握化工领域的新工艺新技术，使得学生在实践教学中所学到的知识与社会企业的需求存在一定的脱钩，大大影响了人才质量的培养效果。

1.2 设备数量不足、老化严重

近几年高等院校对学生操作技能越来越重视，实践教学在教学中的比例不断提高，但是化工设备造价昂贵，且占地面积较大；此外由于国有资产管理的原因，很多技术落后的化工设备和实训装置无法及时报废和更新换代，造成实践教学资源紧张，时常出现几个学生共用一台设备的情况；结果是不仅学生对工艺原理和设备结构理解不透彻，实践技能也掌握不够熟练，大大影响了实践教学质量的提高。

1.3 实践教学安全性问题

众所周知化工行业是一种高危行业，在生产及装置运行过程中具有高温、高压，易燃、易爆的特点；此外化工设备装置的复杂性、精密性，给参加专业实习学生带来了一定的安全隐患[7]。同时由于教学经费的紧张，部分高校实验室某些在用设备陈旧老化严重，甚至使用年限已到达报废标准，也会给实践教学学生带来安全隐患。

1.4 实践教学时空限制

在当前的实践教学活动的过程中，实践环节还存在诸多不足，因为学生人数多，且必须到指定的实训室进行实践教学，造成实践教学任务集中、时间短、强度大、无法课前预习和课后复习操作等特点，不利于对学生发现问题以及解决问题等实践能力的培养[8]。

1.5 企业生产实习效果不佳

由于化工行业的特殊性，部分学生产生畏惧心理，参与实践教学的积极性不够高，也是造成无法达到预期教学效果的原因之一。其次企业出于生产和实习学生安全考虑，禁止学生生产现场操作和贴近生产流程观察[9]，因此学生们的生产实习流于表面，对企业生产的工艺原理和操作流程了解不够深入，使得实习质量不能尽如人意。

2 虚拟仿真软件在化工实践教学中的优势

2.1 实践教学成本低

在传统的化工实践教学中，为了保证实践教学的质量，往往需要投入大量的人力物力和财力建设化工基础设施和教学仪器，加之实践教学过程实训材料的消耗，仪器设备运转损坏和老化，维修困难、工作量大，成为许多高校的负担。而虚拟仿真软件虽然前期投入较大，但是后期实践教学易于组织管理，不存在重复建设浪费等问题，此外仿真软件具有重复利用，运营维护成本低费用少，使用寿命和适用周期长等优点。可见在实践教学方面虚拟仿真模式的综合运行成本远低于传统的教学模式。

2.2 实践教学安全性高

化工专业是一个对学生实践能力与动手能力要求十分高的专业，但同时也是一个在实践种存在很多潜在危险的专业，在实践的过程中很难百分之百的保证 学生的安全，很多设备、工艺和生产过程学生无法去现场亲身体验；而在化工实践教学中，应用虚拟仿真软件既可以满足学生实践需求，不会因操作不当而造成安全事故。例如在北京东方仿真控制技术有限公司(以下简称“北京东方”)的“危险作业仿真培训系统”中(如图1所示)，以三维仿真技术构建典型的化工现场作业场景，并以情景化、任务化、交互式的训练方式，将抽象的安全管理规定转化为具象化、案例化的教学情境，这样既能保证学生的安全，又能达到实践教学的目的。

图1 危险作业仿真培训系统

2.3 实践教学的可重复性

相比传统的实践教学，在虚拟仿真模式下，学生可以在实验前进行预习，实验后也可以重复复习操作，能有效地克服实践教学中的盲目操作。对于一些本身带有一定危险性的、操作难度大的、步骤多的实训，学生可以先利用虚拟仿真软件完成模拟操作，等对步骤熟悉后再进行实际操作，不仅能有效缩短实际操作的时间，还能加深对实操原理和内容理解，大大提高了教学效果。

图2是北京东方的三维仿真培训系统，该软件模拟化工装置现场的生产设备、阀门、管线及连接关系、现场仪表和消防、安全设施，逼真模拟实际装置的室内和室外生产环境及动态表现，学生线下可以利用该软件进行课前预习和课后复习，针对性的提高自己薄弱环节。

图2 三维仿真培训系统

2.4 不受时空限制

现实中由于学生数较多，实践教学往往无法满足每个学生的个性化需求，而通过虚拟仿真软件，实践教学不再受物理空间和上课时间的限制，学生只需要网络和一台电脑，就可以根据自己作息规律自主安排“课表”，除预习和复习外，还能针对自身的薄弱点进行重点加强，达到因材施教的目的。同时教师不仅能利用虚拟仿真软件后台的反馈机制，了解学生实操的掌握程度，还能根据学生学习情况及时调整教学计划。

3 结 语

虚拟仿真实践教学在突破传统实践教学的时空限制上有着无可比拟的优势，是对传统实践教学模式的有力补充，它打破了实践教学的时间、空间和硬件水平的限制[10]，在资源条件有限的情况下，能给予学生可操作的“实操平台”，能基本满足学生自主学习的需求。但同时我们必须认识到，实践教学必须遵循“虚实结合、相互补充”的原则，虚拟仿真实践教学不能完全替代真实的实践教学。当下虚拟仿真实践教学研究尚处于快速发展阶段，还存在不少问题，比如很多软件体验感并不是那么好，不同公司的软件兼容性也存在问题，软件的专业性还有待提升等等。但坚信虚拟仿真先进的理念和创新的实践教学方法会得到广泛的应用和认可，也是今后实践教学发展的趋势和必然选择。