虚拟仿真实验项目助力线上教学*

原平方，张 伟，刘振锋，陈改荣，苗 郁

(新乡学院化学与材料工程学院，河南 新乡 453000)

2020年初，一场突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情打乱了人们正常的工作、生活计划，为了打赢这场疫情防控阻击战，切断病毒传播途径，也为了保证广大师生的健康，1月27日，教育部发布通知，决定推迟2020年春季学期开学时间[1]。同时，为了不耽误学生的学习进度，教育部又于2月4日发布《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求各高校应充分利用慕课、共享实验平台等在线教学资源，进行线上教学，保证疫情防控期间教学进度和教学质量，实现“停课不停教、停课不停学”[2]。

开展线上教学是疫情防控背景下的一个不得已而为之的举措，但对推动教育教学信息化建设有着积极作用，可以进一步提升教师运用先进信息技术的能力，改革课堂教学模式。虚拟仿真实验不受时间空间的限制，可以让学生随时随地学习训练。因此，在疫情防控期间，利用好虚拟仿真实验项目，可以助力线上教学的顺利开展。

1 虚拟仿真实验教学项目

1.1 虚拟仿真

当今社会虚拟仿真技术的应用十分广泛，它是运用信息技术来模拟真实世界，随着科技的进步，虚拟仿真技术也在不断地发展成熟[3]。大连理工大学是我国最早开始进行虚拟仿真教学系统建设的高校，通过与麻省理工学院合作，将网络实验室和真实实验课程结合起来，取得了非常好的效果[4]。

1.2 虚拟仿真实验教学项目

实验教学在化工专业的人才培养过程中具有举足轻重的作用[5-6]。但是长久以来，由于一些化工操作工艺规模较大，化工专业的实验教学效果一直受到安全、场地、资金等问题的制约[7-8]，学生的实践能力得不到有效的锻炼。虚拟仿真实验教学项目的出现，解决了很多存在许久的问题，它可以利用现代信息技术手段，将真实环境中的易燃易爆、有毒有害的实验通过虚拟现实技术呈现出来[9]，避免了学生暴露在危险的环境中，同时学生也得到了锻炼。虚拟仿真实验教学是新工科背景下化工实验教学的一个发展趋势，对培养学生解决复杂工程问题能力的作用日益突出[10-11]。

1.3 虚拟仿真实验项目操作

新乡学院“煤制甲醇及烯烃半实物仿真实训”项目将化工专业实验和信息技术深度融合，利用半实物装置及虚拟技术再现工厂环境，提供甲醇及烯烃生产场景。该项目2018年获批河南省示范性虚拟仿真实验教学项目立项建设，项目操作如下。

1.3.1 登 录

首先登录新乡学院煤制甲醇及烯烃半实物仿真实训项目网站(网址：http://hgxnfzzx.xxu.edu.cn/)，点击下方的“我要做实验”，即可开始进行实验操作。

图1 虚拟仿真实验教学项目网站界面Fig.1 Website interface of virtual simulation experimental system

1.3.2 实验操作

输入网站提供的服务账号和对应密码，即可打开仿真软件，在操作界面依次选择所需的工厂分类、装置模型、培训科目，点击“启动”，等待软件启动，出现DCS总貌图。然后按照操作步骤进行操作。

图2 操作过程示例Fig.2 Example of operation process

1.3.3 实验评价

学生可以在操作界面实时查看操作步骤和每一步操作得分。

图3 操作评分Fig.3 Operation evaluation

此外，项目还提供了常见化工设备动画原理、带控制点管道及仪表流程图等内容供学生学习；在答疑等互动环节，项目提供了系统内置的交流界面，学生可以在线留言，教师不定时进行解答，也可以通过QQ、微信等社交软件实时进行沟通。

2 虚拟仿真实验助力线上教学

借助虚拟仿真实验项目，真正实现了以学生为中心、以任务为驱动的启发式教学模式，同时可以加强对教学和学习的“过程化”管理和监控，引导学生主动参与、深入思考[12-14]。

2.1 助力《化工仪表及自动化》课程教学

煤制甲醇及烯烃半实物仿真实训过程中，涵盖了大型化工厂工艺流程控制方法的大部分主要理论知识点，学生可以在操作过程中加深对反馈、连锁等概念的理解，同时锻炼分程控制、PID参数设置等操作，对化工仪表、自动化控制有更加直观的感受。

2.2 助力《化工设计》课程教学

《化工设计》课程主要是为了训练学生具备工程意识，能够进行较复杂的化工厂整体设计或是某一单元操作过程的较详细设计。煤制甲醇及烯烃半实物仿真实训项目中涉及分离、换热、流体输送、反应器等主体单元，学生在进行实训时，可以与课本所学理论知识进行对照。例如，项目中第6工段为甲醇精制工段，其中包含多个精馏塔，学生可以在操作过程中改变进料流量、回流比等操作参数，从而得到不同的产品。《化工设计》课程中精馏塔单元设计，一般给出原料和产品指标，学生通过自行查阅资料，进行工艺设计，以往进行工艺参数验证较为繁琐，而利用虚拟仿真实验教学项目中的精馏塔可以快速验证，最终确定符合要求的工艺条件。

2.3 助力《化工原理》、《化工原理实验》课程教学

《化工原理》课程主要包括流体静力学、流体输送(离心泵)、过滤、传热、吸收、精馏、萃取、干燥等知识点。我院在教学过程中将化工原理理论课与化工原理实验有机结合起来，要求学生在课前预习时充分利用实验设备，做到“心中有画面”，课上加深认识，课后通过练习题和实验巩固验证，从而增强学生学习的主观能动性。

疫情期间，学生无法现场观察实验设备，虚拟仿真实验项目解决了这一问题。学生可以根据自己的时间，自主安排预习进度，登录虚拟仿真实验教学项目网站，学习离心泵、换热器、吸收塔等设备的动画原理。这样就使得理论课老师的授课更加有针对性，同时将来返校后可以缩短化工原理实验课上教师的讲授时间，只需要着重强调实物操作的安全注意事项即可。

2.4 助力《化工工艺学》课程教学

《化工工艺学》课程主要要求学生掌握合成氨、尿素、甲醇等化工产品生产过程的工艺原理、操作条件，熟悉有关工艺流程以及主要设备结构。煤制甲醇及烯烃半实物仿真实训项目可以强化学生对工艺路线的理解，建立全流程概念，同时使学生对常用的化工设备的结构、操作方法等有更深入的了解。

3 结 语

虚拟仿真实验教学项目为线上教学提供了丰富的资源，在保证教学质量标准不降低、过程评价不脱节、在线指导不间断等方面发挥了重要作用。通过虚拟仿真实验，可以强化学生的实践能力，锻炼创新思维，但是正如虚拟仿真实验教学项目申报原则所要求的“能实不虚、虚实结合、相互补充”，再好的线上教学也无法替代传统的线下教学，为了更加合理有效的发挥虚拟仿真实验教学项目的作用，必须将线上和线下的教学资源有机结合起来，互相配合，共同在人才培养中发挥应有的作用。