虚拟仿真技术在当代化工专业课程中的应用研究

喻燚，杜可杰，贺楚华(南华大学 化学化工学院，湖南 衡阳 421001)

0 引言

自教育部于2017年在教高厅〔2017〕4号文件 《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》中提出虚拟仿真实验教学项目以来，各地高校均加快了虚拟仿真教学项目的建设步伐。自2017年以来，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上各类项目已达728项。

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，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，将虚拟仿真软件引入化工实践教学已成为一种趋势[1]。

1 虚拟仿真在化工专业实践课程建设的必要性

化工专业实验是一门锻炼学生操作动手能力的课程，对于学生的实践操作培养必不可少。真实的实验教学固然可以提升学生的动手能力，但仍存在一定的局限性。化工专业实验尤其是工艺实验工程性强，以对化工工艺中的仪表控制、阀门和泵等组件的操作应用为主，同时锻炼同学们的各个工艺工段的练习(如乙醇精馏工段)。目前学校内教学工艺主要是以小型设备为主，如精馏操作量仅为1 000 mL。大型化工反应装置需要投入巨额资金且必须制定安全措施，实践化工工艺工段差距甚远，学生对于化工工艺参数、管路设备等的认知受到了很大限制。此外，化工工艺常常涉及高温高压、易燃易爆的反应，这些实验也不易于在实验室中进行操作。但是实际化工工艺实验案例教学对化工专业人才培养具有引领作用。因此利用虚拟仿真技术，引入经典大型化工工艺案例进行教学，可以极大地填补学生无法动手操作、无法接触大型工艺的缺点，同时也将化工工艺实验安全系数大大提高。

2 化工专业实践课程中虚拟仿真的优势

2.1 降低教学成本

通常对于大型化工工艺实操工作设备，一般造价昂贵，并且化工专业要求分组人数越少越好，因此一般高校化工专业实验设备台套数由于受资金限制，远远没有达到国家认证的要求。此外，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。应用化工仿真技术能极大地降低教学成本，通过化工仿真软件的讲解，学生只需一台电脑就能达到教学目的、理解工艺原理。

2.2 提高学生参加实训课程的参与度，提升教育公平度

目前由于各个高校对于专业实验条件建设程度差距极大，传统的化工专业实验资源分布不均，导致学生的学习水平受到很大的限制。教育公平是全球教育面临最突出的问题，其根本在于传统教育受时空和地域所限，使得教育对象无法共享最优质的教育资源[2]。目前国家投入巨大人力物力，建设了实验空间—国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台，实验空间平台上的2 069个实验项目覆盖了 41个专业类中的255个专业和1 561门课程，并且在疫情期间所有实验项目均开放使用[3]。这就大大提高了专业对于大型专业工艺实验的开设要求。同时，虚拟仿真大大提高了学生的实验参与度，不会出现传统实验中“一人操作，组员旁观”的现象，有效地改善了教育公平问题。

2.3 激发学生学习的热情

对于以前的课堂教学模式来说，理论和实践之间联系微弱，甚至于脱节。各种原理的讲解，没有联系生产实际，很多理论在学生眼里都是抽象的，没有实物参照，晦涩难懂。但是通过仿真软件，学生能清晰地观察各种仪器设备的结构外形，与书本的理论原理相结合学习，极大提升学习效率。例如，在学习化工仪表时，配合3D仿真软件的学习，学生能够直观地观察到各种各样的仪表设备，加上老师的实时讲解，纵使手上不能拿到实物，也能更好地理解知识；单元操作模拟中，学生可按照仿真软件的提示进行操作。操作有误时，模拟界面还会有相应的错误提示，帮助学生改进操作。由此，学生在课堂上有更大收获，对学习专业知识的热情也会有所提高。

2.4 保证实践操作的安全性、环保性

要达到培养方案所要求的实践教学要求，并且使学生行之有效地初步掌握职业技能，传统的化工实践教学很难完成这个目标；出于安全考虑，在工厂实训中学生也不被允许接触真实设备。随着虚拟仿真技术和虚拟现实技术(VR)的发展，国内很多公司开发出的产品可以让人员实训无障碍的在“实地”进行，设计出特定的教学情境，既能使学生的实践能力得到提升，又能绝对保证学生的安全。相较于真实的实践教学的能耗和排放，仿真技术在环保性上具有绝对的优势。

3 化工虚拟仿真技术的应用局限性

3.1 学生易把仿真操作游戏化，淡化安全操作意识

虚拟仿真实践操作是基于信息技术建立起来的，输入数据、移动鼠标、戴上VR眼镜就可以完成相应的学习任务。在提高学生兴趣和参与度的同时，容易让学生把重点关注在如何完成学习任务，随意操作而不够重视操作过程中出现的各种错误，而在实际的生产过程中，这种错误可能会造成严重的后果。在教学过程中，随意操作仿真界面，容易养成不严谨、散漫的习惯，为以后进入企业工作学习带来了很大的隐患。故而，过度应用仿真实训会淡化学生对于化工安全生产的责任感和对化工实际生产的敬畏之心。

3.2 仿真实训与下厂实践存在差异，部分操作过于简化

以化工原理实验模拟为例，有些实验涉及大型的设备和数量众多的管道、阀门，为了方便学生操作，在仿真软件界面中，设备和管线间的排布与真实情况存在很大差异。一方面，学生无法结合实际情况理解实际生产时的管线排布；另一方面，过度简化操作(例如阀门开度只需手动输入一个百分数)也会导致仿真实训与实际操作脱轨。总而言之，仿真实训重点在于帮助学生理解工艺原理，而学生难以学习到实际操作的细节、难以了解各种操作的原理是什么。并且，在日常的仿真实训中，成熟理想的仿真模型使学生缺少对工艺参数变化的探索；而在实际生产中，并不存在一成不变的情况。

4 化工虚拟仿真专业课程教学中的改进建议

4.1 工厂实习相结合

仿真实训与实习结合起来，使学生先进行仿真操作，对实际的生产工艺、设备状况有初步的认识，然后下厂实习，再加深对工艺和设备的理解，从而使理论与实践紧密结合[4]。另外，仿真实训时学生容易淡化安全意识，不利于增强安全生产的责任感。因此，在通过仿真实训让学生掌握化工生产操作技能的同时，也要灵活结合真实的工厂实习，使学生加强对于化工生产安全的重视。

4.2 合理利用仿真技术，注重实效，杜绝形式主义

与传统教学相比，仿真软件的教学模式更容易激发学生的好奇心，提高学生的学习兴趣，为了能够最大程度地发挥仿真软件在化工实践教学中的效果，必须灵活使用仿真软件，提升学生对仿真软件的认识。另外，也要强化教师的教学意识，引入仿真技术是为了帮助学生更好地了解化工生产实际，要达到预期的效果就要坚决杜绝形式主义，不以高分作为评判学生是否理解知识的唯一凭据。教师可以通过开展阶段性小测试等方法，结合教学实际情况，让学生真正的理解和掌握知识。

4.3 结合“互联网+”技术，实现高效教学

化工类国家虚拟仿真实验教学项目是信息化时代工程教育的重要组成部分[5]。目前各高校的仿真实训仍停留在微机室，学生仍缺少巩固练习的机会。建设“互联网+化工虚拟仿真”实训系统，面向“互联网+”加快推进继续教育网络化管理系统的建设，构建多功能、高效率、方便适用的信息管理与传输平台，实时了解和掌握学生学习活动的开展情况。建设更开放的仿真教学体系，实现高效教学。