虚拟仿真技术在化工专业实践教学中的应用研究

傅华　陈晓霞

摘 要：由于科学技术的迅速发展和人们对教育的重视程度提高，虚拟仿真技术在实践教学过程中的运用越来越广泛。在化工专业实践教学中应用虚拟仿真技术可以使教学过程更加生动有趣，在培养学生的创新思维以及实践能力方面具有十分重要的作用。因此，首先介绍了虚拟仿真技术的应用背景，其次分析了在化工专业实践教学中应用虚拟仿真技术的意义，再次阐述了虚拟仿真技术在化工专业实践教学中应用的问题，最后全面分析了虚拟仿真技术在不同化工专业实践课程中的应用情况。

关键词：虚拟仿真技术；化工专业；实践教学

职业院校化工专业许多专业课程的实践性与应用性非常强，因此，在实践教学过程中着重培养学生的实践应用能力以及创新能力至关重要。但是，目前化工专业的实践教学还存在许多问题，比如部分实验因存在安全风险或能源消耗过多等问题而难以进行；由于一些化工企业禁止化工专业的实习生动手操作，学生的实习效果不佳；企业因实践资源不足而不接收化工专业的实习生，导致化工专业学生的实践锻炼机会大大减少，实践教学起不到实际效用。在教学中应用虚拟仿真技术模拟真实的实践过程，可以在避免部分安全风险的同时强化学生的实践操作能力。

1 虚拟仿真技术的应用背景

我国高度重视职业技术教育，尤其是对一些应用型学科，鼓励职业院校培养更多社会以及化工企业需要的应用型人才，顺应职业教育信息化时代的潮流，鼓励使用虚拟仿真技术等现代教育技术，培养学生的独立操作能力和实践创新能力。在化工专业课程中，实践操作类课程必不可少，应用虚拟仿真技术对化工专业的实践教学具有明显的效果，借助虚拟仿真技术模拟实际操作过程能让学生身临其境，帮助学生更快适应化工企业的生产环境。

2 在化工专业实践教学中应用虚拟仿真技术的重要意义

虚拟仿真技术就是通过一些技术手段对另一个真实的系统进行模仿，即在现实生活中通过计算机系统体验虚拟世界。虚拟仿真可以模仿人们已知或未知的世界，使用者可以凭借各种感官感知虚拟世界。在化工实践教学中应用虚拟仿真技术、创建虚拟仿真训练实验室，可以让学生更加直观地看到清晰的化学操作过程，教师也可以利用这种灵活、先进的教学方法将学生的学习兴趣和注意力转移到课堂中，并且提高学生的工程设计能力，培养学生的工程意识与工程思维。给予学生动手实践操作的机会，可以让学生更加了解和熟悉化工行业的生产过程，将知识变得更加具体形象，方便学生记忆，这对实践教学具有重要意义[1]。

2.1  提供个性化实践教学，提高学生的实践创新能力

在实践教学中应用虚拟仿真技术的优势之一就是教师可以采用个性化的教学方案、学生可以定制更有兴趣的实验方案，充分发挥虚拟仿真技术的学习功能，让学生真正掌握实验技能。另外，互联网相关技术的快速发展也进一步加快了虚拟仿真技术在化工实践教学中的应用步伐，使虚拟仿真技术的应用不再受空间和时间的限制，这不仅在一定程度上提升了学生的学习和实验研究效率，还提高了教师实践教学的质量，让每个学生都能做自己感兴趣并且对自己有帮助的实验，给学生带来良好的实践体验，让学生在亲自动手操作的过程中提高自己的实践创新能力。

2.2  突破传统实验教学资源的限制，实现绿色教学

虚拟仿真技术在化工专业实践教学过程中的应用可以帮助教师和学生突破传统实验教学资源的限制，同时可以实现绿色教学。在实践教学过程中，教师往往会用到很多大型化学实验仪器设备。例如在进行药物分析实验的实践教学中，经常会用到高效液相色谱仪、核磁共振分析仪、质谱仪、液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪等。由于这些大型仪器非常昂贵且实验运行成本也非常高，不能使每个学生都有操作机会。另外，在药物化学实验过程中常常会用到一些有毒或有害化学试剂，稍有不慎就会对学生造成危害；实验产生的垃圾处理成本也非常高，并且会对环境造成一定的污染。若在化工实践教学中适当应用虚拟仿真技术，不仅能突破时间与空间的限制，大大降低实验成本，还可以消除化学实验对学生的安全隐患，减少对环境的污染，充分实现绿色教学。

2.3  使实践课堂充满趣味，激发学生的学习热情

在传统的实践教学过程中，教师通常采用现场讲解化学操作实验过程的教学方法，学生很少有动手操作的机会。在实践教学中应用虚拟仿真技术可通过模拟真实的实验操作，让学生对化学实验的操作过程产生切身的感受，丰富动画和音频效果，使学生更快乐地学习化学相关知识和化学实验操作技能，增加化工专业实践教学的趣味性，充分激发学生对化学知识的求知欲以及对实验操作的好奇心，使学生掌握化学实验操作技能[2]。

3 化工专业实践教学过程中存在的问题

化工专业除了要让学生掌握扎实的理论知识，还需要学生掌握一些基本的实验技能与操作技巧。由于化工专业课程具有非常强的实践性与应用性，其培养重点是提高学生的實践创新能力，而化学实验架起了知识理论与实践操作的重要桥梁。由于近年来化工产业的迅速发展，化工产品的种类和数量不断增加，其中不免有反应性和毒性较强的化学物质，这给化工生产带来了很大的安全风险。为了更好地保障化工生产人员的人身安全，进一步降低化工安全事故的发生概率，很多化工操作已经高度自动化，减少了很多人工操作的环节。考虑到生产的安全性和生产过程的自动化，很多企业会拒绝实习生到化工现场观摩学习，即使去了也鲜有机会动手操作，难以提高他们的动手操作能力和实践应用能力。

3.1  教师的实践教学专业素养和实践经验不足，难以满足人才培养要求

在实践教学过程中，利用一定的现代化多媒体教学手段对推动化工专业的实践教学有积极影响。由于教师缺乏实践教学专业素养和实践经验，对化工行业中的技术更新与发展了解得不全面，工程技术和化工实践能力不足，未能构建完整的化学知识结构体系、发挥实践教学的最大作用，所以培养的化工专业人才不符合化工类企业对人才的真正要求。由于缺乏对人才培养要求的把握，在实践教学中制定的课程教学目标会很难实现，不能满足学生化工实践能力培养的要求。

3.2  实验条件不足，存在安全风险

目前，很多工科院校的专业实践课程仍然受到实验场地、办学经费以及实验成本的限制。例如在实验室合成药物时，学校只配备了一些简单的玻璃仪器装置，学生只能完成条件简单的实验，与实际的药物生产有较大差距，不能满足化工企业对应用技术型人才的真正需求。近年来，随着学校实验规模的不断扩大，实验成本逐渐增加，加上实验条件不足，在开展部分药物实验时容易造成环境污染。在实验过程中，还有可能会用到许多易爆炸、易燃烧、腐蚀性较强的化学药剂，若是使用不当，很有可能发生爆炸等严重事故，威胁师生安全，也对学校造成一定的财产损失[3]。

3.3  实践教学内容不够丰富，阻碍学生的全面发展

虽然化工专业课程中有相当丰富的实践内容，但是学生在实验课程中只能学到一些简单的操作方法和技能，很难全面掌握化工生产过程中的知识与操作技能，全面发展受到阻碍。

4 虚拟仿真技术在不同化工专业实践课程中的应用

随着科技的进步，很多学校和专业开始在实践教学中应用虚拟仿真技术，特别是在实践性和应用性比较强的化工专业，对虚拟仿真技术的应用越来越多。由于化工专业涉及的知识比较抽象且范围较广，传统的教学过程比较枯燥，将虚拟仿真技术应用到化工专业实践教学中非常有必要。

4.1  在原理教学中的应用

在化工实践课程中，由于涉及的装置设备较大、运行时间长、维修费用高，不利于提升实践教学的效果。因此，教师可以在实践教学中利用虚拟仿真技术，参考实际化工生产中的设备和流程，模拟生产过程中的温度、压力等参数，为学生创建一个真实的化工环境，这样不仅可以减少环境污染和原料消耗，还可以强化学生的动手操作能力、理论联系实际的能力。另外，学校可以建立化工实践教学资源库，利用2D和3D动画以及仿真实训操作软件等教学资源，在教学过程中生动形象地演示反应器的工作原理，辅助化工实践教学，丰富教学内容，提高实践教学效果。教学资源库的内容如表1所示。

4.2  在实验教学中的应用

在实验教学中，充分应用虚拟仿真技术可以丰富实验教学内容。在教学过程中，教师要认真筛选虚拟仿真实验教学内容，将其作为真实实验课程的重要补充，最大限度地完善化工专业教学体系。比如在开展二氧化碳的吸收与解析、精馏综合拓展实验以及化工流动过程综合实验时，利用3D虚拟仿真技术，将真实的数据库作为实验依据，最大限度地模拟真实的设备操作过程，使最后的仿真实验结果无限接近真实的实验结果。此外，仿真操作更容易改變实验条件，获取实验结果和验证课本结论的速度也更快。合理设置3D仿真实验可以丰富实践教学内容，提升学生的实践操作能力和化工理论掌握程度。

4.3  在化工实习中的应用

由于化工专业的实践性、操作性比较强，多数院校的化工专业都会安排学生进行定期实习，一般是由本专业的教师亲自带领学生进入化工企业观摩实习。由于化工类企业环境和设备比较复杂，实习的学生只能观看，而不能动手操作，只能看到化工设备以及操作的表象，不能真正理解其运行的实质。在学生的实习过程中应用虚拟仿真技术，可以最大限度地避免学生实践操作机会少的问题，也能发挥实习对学生的真正作用。例如在学习煤制烯烃工艺时，教师可以借助虚拟仿真软件进行实践教学，利用虚拟现实、多媒体、人机互动等技术为学生构建一个仿真教学系统，搭建一个虚拟仿真操作的独立空间，让学生在模拟仿真实习中获得一定的现场化工实习经验[4]。另外，在合成氨的现场实习中，为了达到更好的实习效果，学生可以利用虚拟仿真技术先在校内实习，借助3D仿真软件了解合成氨气的基本生产工艺，进一步巩固氨工艺基础知识，然后将问题带到实习现场，加深对知识的印象。仿真模拟和真实实习相结合的模式可使实践教学效果达到最佳。在实习过程中，让学生对一些生产设备进行操作，能激发学生对化工工艺的学习热情与兴趣，使学生更深入地理解化工生产工艺及设备操作原理。同时，学生可以借助虚拟仿真技术模拟生产过程中可能出现的问题，提高学生处理生产工艺过程中突发事故的能力，从而达到最佳实习效果。

5 结语

化工专业特别注重教学的实践性与应用性，传统的实践教学模式实验条件不足，存在一定的安全风险，且实践教学内容不够丰富，阻碍了学生的全面发展，也无法满足人才发展的真正需要。在化工专业实践教学中应用先进的虚拟仿真技术，可以在一定程度上弥补传统实践教学模式的不足，实现实践教学资源的整合，为开展更加个性化的实践教学创造条件，进一步提高学生的实践创新能力与化工工艺应用能力，突破传统实践教学的资源限制，充分实现绿色教学，同时可以增加实践教学的趣味性，激发学生对专业学习的兴趣与热情，使化工专业实践教学效果达到最佳。

[参考文献]

[1]聂丽蓉，卢明夏，李宗齐.虚拟仿真技术在化工与制药类专业实践教学中的应用[J].现代盐化工，2021（6）：120-121.

[2]刘海，姜国平，靳菲，等.虚拟仿真技术在化工专业本科实训教学中的应用研究[J].化学工程与装备，2019（9）：285-288.

[3]王秀梅，刘丹丹，谢琼妮，等.虚拟仿真技术在本科护理专业临床接诊病人实践教学中的应用分析[J].广西教育，2018（39）：181-182，188.

[4]吴鹏，何重玺，张立东，等.浅析虚拟仿真在化工专业实践教学中的应用[J].现代职业教育，2016（31）：78.

Research on the application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major

Fu Hua， Chen Xiaoxia

（Yixing Higher Vocational and Technical School， Yixing 214200， China）

Abstract：Due to the rapid development of science and technology and the increasing emphasis on education， the application of virtual simulation technology in practical teaching is becoming increasingly widespread. The application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering majors can make the teaching process more vivid and interesting， and plays a very important role in cultivating students innovative thinking and practical abilities. Therefore， the background of applying virtual simulation technology was first introduced， followed by an analysis of the significance of applying virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major. The problems in the application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major were elaborated again， and finally， a comprehensive analysis of the application of virtual simulation technology in different practical courses of chemical engineering major was conducted.

Key words： virtual simulation technology; chemical engineering major; practical teaching