现代仿真技术在高校化工类专业教学中的应用研究

2023-12-26白锦川

科技风 2023年34期

白锦川

酒泉职业技术学院甘肃酒泉 735000

近年来,随着我国高等教育改革的不断深入发展,高校化工类专业人才培养必须予以高度重视。传统的高校化工类专业教学模式,已经无法满足于当下的教学需求,需要基于化工类专业的特色和实际情况,来创新教学手段,改善教学现状。高校化工专业知识点较为复杂,学生在学习过程中有一定的难度,其涉及许多实验教学内容,仅凭借课堂上的化工教学,很难帮助学生理解和操作,难以保障最终的教学效果。基于此,应当充分发挥现代仿真技术作用,将其引入高校化工类专业教学中,以直观地向学生展示复杂而抽象的知识,将企业的真实生产场景通过现代信息技术搬到学校,搬到课堂,加深学生对真实生产画面内容的理解,提高高校化工实训课程教学的内在质量,实现教学效益最大化。

一、仿真技术的相关内容

仿真技术是一项综合性技术,它涵盖了多个学科的内容。在实际教学中仿真技术主要是通过系统模式发挥自己的作用,这种教学模式能够对实际生活中的系统或者想象中的系统进行动态仿真模拟实验与开发,将抽象的物质变得更加真实化和具体化。而且仿真技术还具有交互性、形象性等多种特征,在计算机信息技术的支持下,仿真技术还能够实施有效的动态实验,可利用三维立体模型来构建虚拟的仿真化学实验室。在高校化工类专业中应用仿真技术,十分有必要,其不仅能够避免化学实验带来的环境污染和资源浪费,还能够为学生提供更多的实训机会,有利于提升学生的动手操作能力。

仿真技术在化工类专业教学中的作用主要体现在以下几个方面:一是能够获取概念。在化工概念教学过程中,利用仿真技术可用动画的形式来为学生进行仿真模型实体运动状况,有利于学生将抽象的课本知识转化为动态的画面进行记忆,方便学生进行深入理解;二是有利于激励学生进行主动学习。利用就是计算机仿真技术来辅助学生进行化工实训,能够有效把控学生的学习状况和进度,可予以学生良好的引导,帮助学生吸收教师传授的知识,根据学生的实际情况来制订适宜的实训计划;三是有利于实现化工训练的智能化。利用仿真技术来进行实训,有着较高的技术含量,能够通过实训数据来了解学生的实际学习情况,帮助学生提升自身综合分析能力;四是有利于培养学生的创造性。在学生不断实践过程中,其能够改进自身不足,寻找最佳的实训方案[1]。

二、现阶段高校化工类专业教学中存在的问题

现阶段,在高校化工类专业教学过程中,还存在着一定的问题,有待于进一步解决,其问题主要表现在以下几个方面:一是在化工类专业教学过程中,受办学条件、实验实训条件等影响,教师未能将理论教学和实践教学相结合,学生的学习态度过于被动,未能突出学生在学习中的主体地位,不利于全面培养企业行业所需的优秀化工技能型人才;二是受各种条件的限制,化工类专业实践教学较为薄弱,化工类专业属于专业性很强的工科学科,需要大量的动手实践操作,需要在大量真实的环境中体会,一方面化工生产装置体量都比较大,而且类别多样,十分复杂,如若要采购所有的试验设备,要求学校投入较大的资金,还要做好硬件、系统等维修服务,提供相应的场地,这对于学校来说难以实现;另一方面,化工操作条件较为严苛,学校难以为学生提供适宜的化学化工操作场所,而且化学化工操作也有一定的危险性,涉及易燃易爆、有毒有害的化学试剂,存在一定的安全风险,对操作环境也有着较大的影响;三是受客观条件的限制,教师在展开实践教学的时候,多采用小组合作实验的方式来进行教学,这不利于培养学生的独立实验能力,难以达成良好的教学效果[2]。四是职业教育所倡导的产教融合、校企合作难以实现引企入校,受环境和安全因素,不可能将化工企业中试和小试装置放置于校园内或实验实训中心。

三、现代仿真技术在高校化工类专业教学中的应用

(一)化学工艺教学中的应用

现代仿真技术在化学工艺教学中有着较好的应用效果。化学工艺是一种化学生产过程,其研究的是如何将化学原料加工成化工产品。化学生产过程涵盖了多个知识点,包括但不限于化工生产的方法、原理,化工生产流程,化工生产设备等。在高校化工类专业教学过程中,化学工艺是其中重要组成部分,开课的目的是充实学生有关化学工艺的知识,为其他化工专业的学习奠定扎实基础,增强学生的化工工程意识,提高学生的理论知识掌握水平,以便学生在日后能够顺利完成化工实践工作。将现代仿真技术应用于化工工艺教学中,可将课本中静态的知识变得动态化,借用DSC画面来教授学生学习各类化学工艺的生产流程,使之独立掌握操作方法,提升学生的自主学习能力,激发学生的学习兴趣,强化学生的动手操作能力,以保障化学工艺教学质量[3]。

(二)仪器分析教学中的应用

仪器分析是高校化工教学过程中的重要组成部分,其属于基础必修课。在学习仪器分析知识的时候,学生不仅要掌握各类化工仪器的分析方法,了解其分析原理,将其应用于适宜的化学分析研究中,还要熟悉各类化工仪器的操作方式,对化工仪器本身结构有一定的了解。传统的化工仪器分析课程教学,主要是由教师在课堂中进行讲解,然后学生听讲做笔记。在多媒体教学技术发展下,大部分教师开始使用PPT来制作课件进行内容讲解。一堂课的时间有限,并不长,但仪器分析课程的内容对实践性要求比较高,仅仅是讲解理论方面的内容,并不能让学生充分掌握各类仪器的操作方式,也不利于学生对相关原理的理解,这不利于提高仪器分析教学水平。基于此,教师可以将现代仿真技术有效应用于仪器分析教学中,使用仿真技术来教授学生各类仪器的组成,强化学生对各类仪器的使用条件的记忆,让书本中抽象的知识具象化,消除学生的畏难情绪,激发学生的学习积极性,提升学生的仪器分析能力。例如在“大学化学仪器分析”课程教学中的应用,尤其是在高成本的大型精密仪器教学中的应用,以扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)为例,两台仪器在教学中使用虚拟技术可以让学生熟练仪器的操作流程和操作技巧,还能模拟对仪器进行拆卸,熟悉仪器的构造,进而能全面激发学生的兴趣和爱好,为后期的科学研究也奠定良好的基础。仿真技术的应用还能让学生更加稳固的学习,知识掌握更加扎实。

(三)化工单元操作实验课中的应用

在高校化工类专业教学中,化工单元操作实验课是必不可少的一门课程。但许多学校因为场地限制、实验设备限制而未开展,一般都是通过分组实验模式来进行实验教学,这虽然能够达到一定的教学效果,但是无法锻炼学生的独立实验能力,而且也不利于学生全面了解实验过程中的每一个环节,部分化学装置的使用也不到位。还有些学生在合作实验的过程中,过于依赖其他同学,实验状态较为懈怠,并没有亲自动手尝试,难以实现教学目标。将仿真技术应用于化工单元操作实验课中,可帮助学生进行独立的实验操作,使之掌握各类化学装置的使用方法,全面了解每一个操作过程,有利于提高学生的化学实验能力[4]。

(四)化工综合实训项目中的应用

伴随着自动化技术和计算机编程技术的开发,越来越多的化工自动化技术变成现实,很多化工企业技术改造和升级换代过程中大量引进化工自动化装置,许多操作在化工中控室通过中、远程操控完成,设备周围的操作人员已经大量减少,与此同时提高了对从业者中控操作能力的提升。虚拟仿真技术恰好逆袭填补了高校化工专业人才培养中大型实训装置需要中控装置的空白,让一台大型的综合实训装置,既可以实现工艺流程学习和化工设备装置学习,又掌握了现代化工中控室操作的需求。

(五)高温高压等特殊危险反应工艺实训中的应用

化工生产过程普遍带有易燃、易爆、高温、高压和易腐蚀等特点,在实验实训室完成这样具有危险性质的实验实训显然不太现实,虚拟仿真技术的应用,将复杂工艺和实验技术变成实践成为可能,学生可以通过虚拟仿真技术在线完成实验项目,也可以通过改变温度、压力、配比、进料量等工艺参数,直观感受不同工艺参数下反应过程的变化。

(六)职业健康和安全防护中的应用

运用模拟仿真技术进行化工企业职业健康和安全防护、现场取样等各种场景的培训,可以综合提高企业工作人员职业防护能力和操作技巧和方法。在化工企业消防救援、应急处置、特种作业中,采用模拟仿真技术开展从业人员的教学培训,通过模拟事故发生过程中容易发生的不同场景,让所有受训者在教学中进行直观画面感受,感性地认识到强化职业安全防护的重要性。比如在消防救援前,如何选择穿戴救援衣物,选择何种消防器材,消防救援的位置等;在现场取样过程中,对不同的取样位置和取样品种,如何做好个人防护等;在应急处置现场,如何辨识危险源,如何选择最佳的应急处置方法,应急处置的流程等;在动火、动土、受限空间、高空作业等特殊作业过程中,如何启动作业证办理到施工验收完成等;模拟仿真技术可以在有限的资源和空间中,用最少的付出和成本,尽快提高学生的职业安全防护能力,最大化增强防护技巧,可以从学习者的一开始,纠正不良的职业习惯,为将来合格的从业者奠定良好的职业习惯和安全责任意识。

四、高校化工类专业实训教学中的虚拟仿真技术应用

在高校化工类专业实训教学过程中,可以有效应用虚拟仿真技术,其能够通过真实模拟工厂各生产环节,来对学生进行实训练习。既可以模拟工厂开工、停工和正常运行,也可以模拟工厂实际生产中遇到的各类紧急情况和应急处理,让学生在保证安全的前提下果断进行应急处理,这有利于提升学生的动手实践能力。高校化工类专业教学重视理论教学和实践教学的有效结合,学生在掌握扎实的理论基础之后,才能将其有效运用于实践操作中,正确操作实验过程中的每一个步骤;而学生只有在动手实践操作之后,才能更深入地了解理论知识中阐述的概念,并掌握化工生产的实际方法。

在高校化工类专业实训教学过程中,应用虚拟仿真技术,需从以下几个方面着手:一是在实施虚拟仿真实训之前,要先为学生补充相关知识点。给学生留出一定的时间去熟悉化工生产的整个过程,了解其生产特点、生产流程、生产方式。对于生产中需要使用的设备进行详细了解,需掌握其一般信息。学生还要对相关行业的发展实情有一定的认知,然后再利用虚拟仿真平台来进行实训。实训前的知识储备工作十分重要,学生要知道如何进入平台,如何操作平台中的各个模块,要先学习实验的相关工艺理论,配备适宜的生产设备,了解设备的操作方法,优化化工工艺流程。在具备这些知识之后,教师可让学生按照要求来撰写实训报告,提出问题,用实训的方式来解答问题[5]。

二是在进行虚拟仿真实训的过程中,应当完成具体的化工实训教学。虚拟仿真实训有多种功能,既可以进行信息发布,与其他同学、教师进行交流,还可以将自己的实训成果进行展示。学生可以利用电脑或是iPad等设备来远程连接虚拟仿真实训平台,直接在线选择功能,可使学生在三维虚拟仿真工厂中工作。学生应当根据自己的实际情况,选择适宜的虚拟实验。可在实训平台中进行学习,掌握相关安全生产知识,了解该实验中所使用的化工设备结构、原理。实训中会为学生设置多项任务,由学生来执行任务,这种方式能够激发学生的斗志和兴趣,好比游戏的闯关模式,具有趣味性,可促使学生自主地参与到实训教学中。而且仿真软件可以利用虚拟现实技术,来对物理设备、化工过程进行有效模拟,并配合真实仿真软件,可模拟真实的化工过程。虚拟仿真的另外一个特点是,在任务完成过程中,科学合理地设置一些问题,可以在线完成问题解答,真正做到理论与实践的相对应和相结合。利用DSC控制系统,最大的优点是可还原现场,让学生仿佛身处于真实的化工工厂中工作,特别3D仿真技术应用,不同的设备位置和指示牌,整个实验实训过程就像进入真实车间,可使学生及早熟悉化工企业大环境。

三是在学生完成虚拟仿真实训之后,虚拟仿真软件可以将学生的操作实时数据进行有效采集,并对这些数据进行科学分析,然后在线发布学生的实训报告。实训系统会对学生的实验情况进行考核,判断学生是否达到标准要求,这实现了对学生实训学习的量化要求,也有利于学生了解自己实验过程中的不足,不断地改进,可以促进学生化工实训操作能力的提升[6]。