化工原理实验中虚拟仿真实验的应用

谢 伟

（镇江高等职业技术学校，江苏镇江 212013）

近年来，随着经济发展的转型升级和我国由高速发展转向高质量发展，使得企业对各种专业性技能型综合性人才的需求不断上升。在这种环境下，各大高校在培养人才的过程中，不仅要关注学生对理论知识的学习掌握情况，还要注重培养学生的实践能力，因为实践能力是学生核心素养的重要组成部分。基于此，很多学校在组织学生学习专业知识的过程中，还会根据需要组织学生进行实验学习。实验学习不仅能够帮助学生提高动手能力，还可以强化学生对理论知识的理解和掌握，促进学生个人综合素养的全面提高。

化工原理专业课程教学过程中也需要进行大量实验，这是化工原理课程教学的一个重要组成部分。通过相关的实验教学，可以帮助学生对课堂上学习的理论知识进行深入理解和掌握，促进学生加深对理论知识的理解。不仅如此，实验教学还可以提高学生的动手能力，强化学生进行科学研究的素养和能力，帮助学生形成良好的思维能力实践能力和动手能力，提高学生解决实际问题的能力。近年来，随着计算机技术的进一步发展，将虚拟仿真技术与化工原理实验结合，可以将相关的实验在对应的虚拟仿真平台上进行再现，实现虚拟仿真实验。

调研发现，当前很多高校在组织学生开展化工原理实验时，基本上都是沿用传统的分组实验的模式，在这个过程中，由于学校的实验场地和设备相对有限，加上师资力量的限制，很多学生需要进行小组合作，单个学生往往难以独立完成实验。部分情况下，由于设备或者场地不足，学生往往难以亲自动手实验，只能观看老师演示或者其他学生实验，再根据老师讲解或根据自己观察所得撰写实验报告。这种情况下，学生个人的实践能力未能得到提高，学生对实验内容的掌握非常有限，影响到学生对专业知识的掌握，不利于学生综合素养的提高。

将虚拟仿真实验引入化工原理实验，可以有效解决这些问题。学生可以在计算机上进行虚拟实验，其成本更低，而且能够准确模拟真实实验，因此可以有效训练学生的实验能力，提高学生对专业知识的理解，提高学生个人的综合能力。

1 化工原理仿真实验的内容

化工原理实验教学的虚拟仿真，需要借助相应的虚拟仿真软件和计算机平台，按照真实实验的具体参数和步骤，将实验数字化技术在对应的微机上进行模拟再现，实验能得到相应结果，还可以针对结果进行分析。为了达到最佳虚拟仿真效果，实验过程中使用的数学模型必须经过多次论证，能够全面准确模拟再现实验的所有流程。在具体的实验过程中，各个操作单元会设计对应的实验界面，并准确全面再现了现实的实验环境和设备，能够让人沉浸其中，带给人强烈的真实感。实验过程中，用户主要通过鼠标进行操作，软件会提供相应的辅助系统，为各种实验准备了相关的内容和参数，还可以将实验过程和结果进行全面记录。不仅如此，实验系统还采用了容错技术，因此系统能够达到良好的稳定性和安全性。

虚拟仿真实验能够实现对真实实验的准确全面模拟再现，而且实验过程中采用的参数都是按照真实实验环境设计的，极具真实性和操作性。实验过程中，系统会对学生采集得到的数据进行处理，并在相应的数学模型上进行数据处理，按照相关的拟合公式对数据进行绘图或者其他操作，从而将其中的规律呈现出来，帮助学生进行学习理解，降低学生对实验中理论知识的理解难度，促使学生对实验内容形成深刻认识，达到良好的教学效果。

2 化工原理仿真实验的特点

2.1 投资少维护方便，避免实验事故发生

化工原理实验的进行需要使用相应的设备和装置，这些设备一般占地面积较大，而且比较昂贵。由于学生人数较多，很多情况下难以满足每个学生单独实验的教学要求，因此只能将学生进行分组，然后以组为单位进行实验。这种教学环境下，学生往往难以全面完全掌握相关的实验内容，因此不利于学生对实验内容和专业知识的学习理解，不利于学生个人实践技能的提高。在仿真虚拟实验的帮助下，学生在微机上就可以完整完成相关的实验，而且其成本很低，只需要一台计算机设备，因此能够满足学生单独实验的要求。不仅如此，在虚拟仿真环境下进行实验，还可以有效避免真实实验过程中的各种失误或者操作不当引起的设备损坏，因此能够达到更好的实验效果，满足学生的学习发展需要。如果学生操作不当，也不会造成实质性损坏，有利于减少设备损坏，减少实验成本。

2.2 数据处理、结果分析方便快捷

传统实验环境下，学生在进行小组实验的过程中，需要将相关的实验数据进行记录，然后将其代入相应的公式进行计算，这个过程比较繁琐，学生还要根据计算结果绘制相关的图像和曲线，因此需要花费很长时间才能完成实验报告的撰写。在虚拟仿真技术的帮助下，系统会自动记录相关的实验数据，并将数据代入具体的公式进行计算，进而得到相应的实验结果，不仅如此，系统还会绘制相应的实验曲线图和图表，能够将实验结果快速直观体现出来，帮助学生真正理解相关的实验内容，促进学生综合素养的提高。

2.3 实验操作简便，工艺流程逼真，提高学生兴趣

传统实验环境下，学生需要花费较长时间完成相关实验内容，而且如果学生操作不当还会造成设备损坏，并影响到后续实验的顺利进行。在虚拟仿真实验技术的帮助下，学生的操作更加简便，而实验结果可以在较短时间内得到，不仅如此，软件具有容错性，如果学生操作不当，系统会做出提示，可以帮助学生准确掌握实验技巧。另一方面，虚拟仿真实验可以多次重复进行，这可以帮助学生进行重复性实验，帮助学生对自己理解不到位的地方进行复习和学习，提高学生的实验实践效果。

以传热单元操作为例，图1 是传热实验正常工作时的SCD 图，主要设备参数随操作过程发生与真实实验一样的变化。学生如同亲临实验现场一般，提高了学生的实验兴趣，使课堂内容生动有趣。虚拟仿真实验能够真实全面再现相应的实验过程和内容，帮助学生在平台上观察相关的实验变化，激发学生的学习兴趣，强化学生对相关理论知识的理解，有助于达到更好的实践教学效果，提高学生个人的综合素质。

图1 传热实验常态开车 DCS 界面

3 实施的现状

实践结果证实，在化工原理实验教学过程中引入虚拟仿真实验，可以满足学生单独实验的要求，可以帮助学生独立完成相关的实验，帮助学生加深对实验内容和相关专业知识的理解，还可以减少对设备和装置的依赖，减少组织实验教学的成本，提高教学效率。学生在虚拟仿真实验环境下能够完成多种实验，可以帮助学生进行科学有效的实验教学，促进学生对化工原理实验的学习兴趣，强化学生个人的学习效果。

不仅如此，虚拟仿真实验还可以应用到部分特殊实验中来，尤其是部分涉及高温、高压、高危的实验内容，可以在虚拟平台上进行实验，减少成本投入，降低实验风险，并取得较为理想的实验结果。

将虚拟仿真技术应用到这些实验的操作过程中，可以避免真实实验过程中的成本投入，避免真实实验过程中的危险，为研究人员带来安全生动的实验效果。不仅如此，在微机平台上进行实验，也可以达到良好的实验效果，而且能够减少对实验设备的损坏，具有良好的实验效果。

4 结束语

化工原理实验课程采用虚拟仿真教学的新方法，将虚拟仿真实验作为辅助手段，与传统的分组实验形式合理的结合，弥补了传统分组实验的不足，丰富了实验教学的内容，提升了实验教学的效果，使虚拟仿真实验更好地服务于实验教学任务。以培养应用型人才为核心的虚拟仿真实验，与真实实验相结合共同构筑了完整的化工原理实验课程体系，为社会培养出更多具有高素质的应用型人才。