虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設(shè)

陳國輝, 劉有才, 劉士軍, 韓響玲, 滿瑞林, 鐘 宏

(中南大學 化學化工學院， 湖南 長沙 410083)

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虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設(shè)

陳國輝, 劉有才, 劉士軍, 韓響玲, 滿瑞林, 鐘 宏

(中南大學 化學化工學院， 湖南 長沙 410083)

虛擬仿真實驗教學可以實現(xiàn)礦冶工程化學類專業(yè)真實實驗不具備和難以完成的教學功能。礦冶工程化學國家級虛擬仿真實驗教學中心將虛擬仿真實驗教學內(nèi)容納入工科化學化工基礎(chǔ)課程和礦業(yè)化學專業(yè)課程，分工科基礎(chǔ)化學仿真實驗、礦物分離與濕法冶金虛擬仿真實驗和高溫冶金與節(jié)能虛擬仿真實驗三個平臺設(shè)計和建設(shè)了虛擬仿真實驗教學內(nèi)容。虛擬仿真實驗教學包括分子層次微觀過程的模擬，大型儀器實驗結(jié)構(gòu)和虛擬操作模擬，礦冶工程化學的復雜溶液體系和高溫體系等高成本、高污染過程的模擬等實驗教學項目。虛擬仿真實驗教學以人才培養(yǎng)為核心，與真實實驗相結(jié)合共同構(gòu)筑了完整的本科人才培養(yǎng)實驗課程體系。

虛擬仿真； 實驗教學； 礦冶工程化學； 仿真實驗

0 引 言

虛擬仿真實驗教學體系與教學內(nèi)容建設(shè)是虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的核心。礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心作為學校第一個國家級虛擬仿真實驗教學中心主要在礦冶材料學科群的資源加工與生物工程學院、資源與安全工程學院、冶金與環(huán)境學院、能源科學與工程學院、粉末冶金研究院、材料科學與工程學院以及化學化工學院總共7個學院開展化學與化工過程虛擬仿真實驗與實踐教學。目前，已經(jīng)面向化學工程與工藝、應用化學、冶金工程、礦物加工、環(huán)境工程等11個本科專業(yè)，1 100多學生，總計開出了3個平臺，17個類別的虛擬仿真實驗教學項目。已經(jīng)初步構(gòu)筑了具有中南大學礦冶材料學科特色的化學化工虛擬仿真實驗教學體系。

1 虛擬仿真實驗教學體系建設(shè)的意義

當前，化學已經(jīng)成為了現(xiàn)代科技發(fā)展的中心學科。隨著計算機技術(shù)與信息科學的發(fā)展，化學基本原理與信息技術(shù)相結(jié)合也越來越成為復雜化學化工體系研究的有力武器。2013年諾貝爾化學獎授予的3位科學家的原因就是“從事多尺度復雜化學系統(tǒng)模型研究”，充分說明了計算機與信息技術(shù)在化學化工中的應用重要性，特別是對于通過虛擬和仿真揭示化學化工過程的本質(zhì)規(guī)律有重要意義。同時對高校化學化工教學和人才培養(yǎng)提出了新的要求[1-6]。

礦冶材料類專業(yè)作為學校的傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，要求學生具有寬厚的化學理論基礎(chǔ)與較強的實驗技能。事實上，采礦、選礦、冶金、環(huán)境、能源、材料、醫(yī)學和化學化工等專業(yè)都需要培養(yǎng)學生處理復雜條件下化學及工程問題能力，尤其需要在化學反應過程的機理研究、大型化工設(shè)備工藝流程、大型儀器的操作使用，資源加工過程中，貧礦、尾渣中化學成分的提取與分析、有色金屬的高溫冶煉、濕法過程化工設(shè)計、環(huán)境污染治理、功能材料設(shè)計等方面加強實驗能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[7-12]。但是，在本科實驗教學過程中，面對這些需要加強培養(yǎng)的難題，卻限于實驗條件或安全方面的考慮，難以通過實際的操作解決；一些特殊的反應過程，難以通過實驗現(xiàn)象觀察，制約了高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

虛擬仿真實驗教學內(nèi)容的建設(shè)可以實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能[13-16]。涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗以及大型設(shè)備和綜合過程的仿真訓練，可靠、安全和經(jīng)濟的虛擬實驗，仿真實驗與實際操作實驗的虛實結(jié)合、相互補充可以達到高層次人才培養(yǎng)的目標。因此，虛擬仿真實驗教學內(nèi)容的建設(shè)具有深遠的現(xiàn)實意義和推廣應用價值。

2 虛擬仿真實驗教學體系建設(shè)的思路

早在十幾年前，原中南工業(yè)大學化學及相關(guān)專業(yè)不少教師就進行虛擬仿真實驗教學探索。1996年國家工科化學基礎(chǔ)課教學基地建設(shè)開始，當時的化學實驗教學中心就開發(fā)了虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，為全校相關(guān)專業(yè)學生開設(shè)了“計算機在化學化工中的應用”等課程，建設(shè)了CAI實驗室，率先在全國面向礦冶材料類本科專業(yè)開出了量子化學計算、分子模擬實驗、大型儀器虛擬仿真實驗和化工原理仿真等系列實驗。2006年化學實驗教學中心獲得國家級實驗教學示范中心稱號，中心將原CAI實驗室擴大建設(shè)，響應學校整合教學資源的計劃，以化學化工學院教學為基礎(chǔ)，聯(lián)合礦物資源加工與生物工程等6個礦冶材料類二級學院建設(shè)了校級的礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心。中心建設(shè)的目標就是更有效地集中利用學校虛擬仿真教學的資源服務于人才培養(yǎng)。為此，中心確立了虛擬仿真實驗教學體系域項目建設(shè)思路和指導原則就是按本科專業(yè)培養(yǎng)大綱要求，規(guī)劃虛擬仿真實驗教學體系與內(nèi)容，與真實實驗和實踐教學環(huán)節(jié)共同構(gòu)筑高層次人才培養(yǎng)的實踐教學體系。

3 虛擬仿真實驗教學體系建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學內(nèi)容的建設(shè)需要在本科培養(yǎng)方案的指導下，結(jié)合相應的課程共同建設(shè)。礦冶材料類學科群每年有7個二級學院,11個本科專業(yè)，1100多學生，全員開出的基礎(chǔ)化學化工實驗課程：“工科大學化學實驗”和“化工原理實驗”兩門；按專業(yè)要求不同，開設(shè)有：“電化學”、“礦業(yè)環(huán)境工程”、“資源加工學”、“化學選礦”、“材料化學”、“配位化學的冶金應用”、“溶液萃取與離子交換”、“冶金物理化學研究方法”、“金屬材料熱處理”、“冶金原理”等工程化學專業(yè)課程共計10門。綜合以上課程多年來開出的礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，中心認為：“工科大學化學實驗”和“化工原理實驗”兩門是基礎(chǔ)，其虛擬仿真實驗教學內(nèi)容可以共同構(gòu)筑為工科基礎(chǔ)化學仿真實驗平臺；而其他系列專業(yè)課程的虛擬仿真實驗教學內(nèi)容則可以按實驗對象分為復雜溶液(濕法)和高溫節(jié)能(火法)兩大平臺體系。學生可以根據(jù)專業(yè)和開設(shè)的專業(yè)課程的不同，進行3個平臺的虛擬仿真實驗學習，保證實驗教學與理論課程的合理銜接。

(1) 工科基礎(chǔ)化學仿真實驗平臺。工科基礎(chǔ)化學仿真實驗平臺面向工科基礎(chǔ)化學與化工教學教學。虛擬仿真實驗教學主要在三個方面提升實驗教學效果。① 針對化學分子，化學反應的微觀過程，進行虛擬仿真實驗，幫助學生直觀理解看不見，摸不著的原子、分子層次的結(jié)構(gòu)，并借助于量子力學、分子動力學等現(xiàn)代計算化學知識幫助學生理解化學反應的微觀過程，并學習進行分子設(shè)計合成.現(xiàn)階段開設(shè)有分子模型與構(gòu)象分析，化學反應機理過程的簡單模擬兩個實驗教學項目；② 針對教學實驗量大、大型分析儀器臺套數(shù)不足，或?qū)W生只能上機操作，而無法直觀感受大型儀器工作原理的問題，開設(shè)大型儀器系列仿真實驗，通過儀器內(nèi)部3D結(jié)構(gòu)和原理展示、虛擬現(xiàn)實場景互動操作等手段，讓學生進行計算機實驗，形象、直觀地掌握化學的基本原理和方法。現(xiàn)階段完成了4個系列16種精密分析儀器的仿真及實驗仿真開發(fā)：發(fā)射光譜儀、ICP等離子體光譜儀、原子吸收光度計、可見-紫外分光光度計、紫外分光光度計、分子熒光光度計、紅外光譜分析儀、氣相色譜分析儀、液相色譜分析儀、氣-質(zhì)聯(lián)用分析儀、毛細管電泳儀、示波極譜儀、自動電位滴定儀、元素分析儀、庫侖分析儀、電化學分析儀等；③ 針對化工單元操作設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、微觀過程或作用機理難以直接測定等問題，虛實結(jié)合開展化工原理仿真實驗教學，既節(jié)約實驗教學成本，降低實驗過程帶來的污染，還可幫助學生理解化工單元操作。現(xiàn)階段與東方仿真公司合作開發(fā)與共享有整套化工基礎(chǔ)單元操作的全部虛擬仿真實驗。以上3個不同方向6個系列的虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，配合真實化學化工實驗的學習，幫助學生更深層次理解和掌握了化學化工的原理和方法。

(2) 礦物分離與濕法冶金虛擬仿真實驗平臺。 礦冶材料學科中無論是實驗工廠，礦山還是科學研究，所涉及的物質(zhì)體系之一就是復雜液體體系。復雜溶液體系研究與工藝處理是上述所列的10門專業(yè)課程的重點教學內(nèi)容。礦物分離與濕法冶金過程涉及多相反應體系及復雜的反應熱力學和擴散動力學過程，實驗室實驗過程中僅能從可測的宏觀實驗數(shù)據(jù)對實驗結(jié)果進行分析，無法深入了解微觀過程機理；另一方面，實際的工業(yè)過程處理周期長，且可能限于工業(yè)現(xiàn)場的條件而無法進行實驗和觀察。現(xiàn)階段平臺共建有：鋁土礦磨礦-浮選過程仿真實驗，芒硝礦的地下溶浸過程仿真實驗，氰化浸金過程仿真實驗，氧化鋅礦的氨法浸出過程仿真實驗，銅礦生物濕法冶金虛擬仿真實驗，拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝仿真實驗和工業(yè)污染物污染地下水的數(shù)值仿真模型7個虛擬仿真實驗教學項目。其中，鋁土礦選礦、芒硝礦地下溶浸開采、氰化浸金過程等屬于選冶過程虛擬仿真實驗，幫助學生深入理解浮選和浸出過程機理；而工業(yè)污染物污染地下水的過程進行數(shù)值仿真，可以幫助學生了解工業(yè)污染物的污染特點及其控制方法。

(3) 高溫冶金與節(jié)能虛擬仿真實驗平臺。 高溫冶金是的礦冶材料學科的傳統(tǒng)方法，也是我校這些學科群學生學習專業(yè)課程的重點之一。現(xiàn)已設(shè)計有：大型節(jié)能鋁電解槽虛擬仿真實驗，火法煉銅工藝仿真實驗，高爐焙燒的過程仿真實驗和熱電系統(tǒng)虛擬仿真實驗4個虛擬仿真實驗教學項目。其中，熔融電解、火法冶煉、高爐、鍋爐等系統(tǒng)普遍具有高溫、高能耗的特征，其過程不僅具有很大的危險性，而且無法采用實驗室實驗的方法獲得設(shè)備內(nèi)部的直觀信息，采用虛擬仿真技術(shù)進行鋁電解槽、火法煉銅工藝、高爐焙燒過程及熱電系統(tǒng)進行仿真實驗，不僅可使設(shè)備內(nèi)部的流場、溫度場可視化，而且可對過程進行節(jié)能設(shè)計和計算。

以上3個虛擬仿真實驗教學平臺都是基礎(chǔ)化學化工實驗課程和礦業(yè)化學工程專業(yè)課程所涵蓋的實驗教學內(nèi)容。虛擬仿真實驗教學與真實實驗統(tǒng)一構(gòu)筑了我校工科化學化工實驗教學的整體，服務于現(xiàn)代礦冶材料學科人才培養(yǎng)的需要。

4 虛擬仿真實驗教學主要作用

中南大學礦冶材料類學科群專業(yè)培養(yǎng)的學生都是工科專業(yè)。實際動手能力和工程能力是工程專業(yè)學生的最重要的能力培養(yǎng)。虛擬仿真實驗教學的定位不是要取代學生這些能力的培養(yǎng)，而是根據(jù)實驗教學特點和內(nèi)容的不同實現(xiàn)了實際教學環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)的實驗教學內(nèi)容，主要解決實際實驗過程難以實現(xiàn)的教學內(nèi)容，更好地培養(yǎng)學生的工程能力和科研素質(zhì)。

(1) 虛實結(jié)合完善基礎(chǔ)化學實驗教學內(nèi)容。我校礦冶材料類專業(yè)的學生都要學習儀器分析課程并且要做相應的實驗。教學中，對于結(jié)構(gòu)復雜的儀器講解，無法讓同學們了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；大型精密儀器分析實驗一般分組實驗，不能讓每個人都能獨立操作，在我國的高校中是普遍存在的現(xiàn)象。中心經(jīng)多年的努力，已完成16種精密分析儀器的仿真及實驗仿真設(shè)計、開發(fā)，并應用于教學。

(2) 虛擬仿真深化學生對化工操作的認識。化工原理虛擬仿真實驗主要包括化工原理單元操作仿真、化工生產(chǎn)流程仿真和化工分散控制系統(tǒng)(DCS)仿真等功能，是學生進行化工原理實驗、認識實習、生產(chǎn)實習培訓的重要工具。系統(tǒng)模擬實驗室單元操作設(shè)備和工業(yè)中央主控室中的操作界面，提供標準仿真控制系統(tǒng)界面，可以進行化工原理實驗仿真模擬、工業(yè)生產(chǎn)冷態(tài)開車、正常運行、正常停車、常見事故處理等培訓教學任務。通過對單元操作及化工生產(chǎn)的仿真學習，使學生對仿真有較為深刻的認識，同時對化工操作的概念從工程觀念上有一個突破式的了解和認識。

(3) 實現(xiàn)消耗大，污染重實驗教學內(nèi)容的訓練。礦物分離與濕法冶金過程大量需要水資源，有機溶劑，消耗大，污染重。但是，作為人才培養(yǎng)的基本環(huán)節(jié)，僅僅靠工廠見習是難以達到人才培養(yǎng)效果的。中心采取了虛實結(jié)合，互為補充的方法開設(shè)這部分實驗。小批量實驗在化學實驗室進行，培養(yǎng)學生對基本反應現(xiàn)象和反應過程的直觀認識，放大實驗和工廠實驗則進行虛擬仿真，部分項目還設(shè)計了虛擬現(xiàn)實設(shè)備的，可操作仿真實驗。在能實不需的原則下，解決了實驗教學問題，實現(xiàn)了人才培養(yǎng)目標。

(4) 解決能耗高、成本大、危險性高的實驗教學。高溫冶金、真空冶金、特殊合金材料、粉末冶金材料的制備都屬于高能耗，高危險性的實驗教學內(nèi)容。其中，不少教學內(nèi)容可以促進國防技術(shù)，節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。中心通過3D設(shè)計虛擬實驗過程，學生通過虛擬操作，可以實現(xiàn)對高溫過程的學習了解，進而掌握高溫過程有色金屬冶煉和材料制備的相關(guān)原理和技術(shù)，配合實際教學過程達到人才培養(yǎng)目標。

5 虛擬仿真實驗的實驗教學功能

中南大學礦冶工程化學國家虛擬仿真實驗教學中心的實驗教學項目都是立足于中南大學人才培養(yǎng)的客觀需要進行設(shè)計和建設(shè)。實驗項目的設(shè)計和建設(shè)都按照于本科實驗教學需要進行開發(fā)設(shè)計，并以現(xiàn)代計算機技術(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)其實驗教學功能。在已建成的部分大型儀器虛擬仿真實驗中，按照網(wǎng)絡教學的特點，建立的各種教學互動界面。具有信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等功能。根據(jù)實驗教學特點和內(nèi)容的不同實現(xiàn)了以下平臺功能：

(1) 人機交互，數(shù)據(jù)庫，3D技術(shù)，多媒體和網(wǎng)絡化多種技術(shù)手段結(jié)合。礦冶材料類學科研究對象復雜。為解決這些復雜體系的虛擬實驗教學問題，教師和信息技術(shù)人員運用了多種信息技術(shù)開發(fā)實驗教學項目。例如，儀器仿真實驗比較注重3D動畫設(shè)計，人機界面交互操作，以及實驗過程的考核監(jiān)控等功能；化工冶金過程和礦業(yè)過程仿真實驗注重，真實場景模擬，虛擬現(xiàn)實。有的實驗項目，例如“電解鋁生產(chǎn)過程仿真實驗”還可以通過數(shù)據(jù)庫的支撐，使學生能在虛擬現(xiàn)實條件下，考察各種條件對電解效率的影響。為支撐這些實驗項目的開出，學校網(wǎng)絡信息平臺給予了大力支持，目前所有項目可以實現(xiàn)網(wǎng)絡化教學與管理。

(2) 3D設(shè)計，實現(xiàn)虛擬儀器和場景進行實驗。系列分析儀器虛擬仿真實驗內(nèi)容如：發(fā)射光譜儀、ICP等離子體光譜儀、原子吸收光度計、氣相色譜分析儀、液相色譜分析儀、氣-質(zhì)聯(lián)用分析儀、毛細管電泳儀、元素分析儀、電化學分析儀等實現(xiàn)了學生對“儀器”進行交互式的3D仿真操作。學生可以虛擬連接，調(diào)試儀器進行實驗，并得到相應實驗結(jié)果。

化工原理系列虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)單元操作仿真、化工生產(chǎn)流程仿真和化工分散控制系統(tǒng)(DCS)仿真等功能，系統(tǒng)模擬實驗室單元操作設(shè)備和工業(yè)中央主控室中的操作界面，提供標準仿真控制系統(tǒng)界面，可以進行化工原理實驗仿真模擬、工業(yè)生產(chǎn)冷態(tài)開車、正常運行、正常停車、常見事故處理等培訓教學任務。

(3) 模擬實際設(shè)備與操作過程。針對礦物分離與濕法冶金過程，中心聯(lián)合礦物資源加工與生物工程學院開發(fā)了現(xiàn)場虛擬仿真實驗。購置模型容器，設(shè)計傳感線路，開發(fā)了浸出流程模擬設(shè)備。現(xiàn)階段開出了氧化鋅礦的氨法浸出過程仿真實驗。

(4) 虛擬仿真實驗項目實行網(wǎng)絡化管理。經(jīng)過多年建設(shè)，多數(shù)虛擬仿真實現(xiàn)了網(wǎng)絡化管理。① 考核功能，通過服務器后臺實現(xiàn)題庫調(diào)用，配合仿真操作，方便對學生進行考核；② 實驗指導功能， 配備有實驗指導、實驗操作、數(shù)據(jù)處理，圖表生成，實驗報告，思考題以及可擴展試題庫等內(nèi)容；③ 交流平臺功能，學生通過留言板在網(wǎng)上與教師交流，也可在學生間進行討論；④ 注冊保密功能，保護學校的教學資源和知識產(chǎn)權(quán)以及用戶信息；⑤ 后臺管理功能，可以讓非系統(tǒng)開發(fā)人員也能對系統(tǒng)進行維護；⑥ 擴展功能，網(wǎng)絡平臺可以嵌入新儀器的仿真軟件，對試題庫等進行擴充。

通過上述虛擬仿真實驗的建設(shè)與實踐，特別是在全流程仿真學習過程中，使學生通過觀察、聯(lián)想、識別，從感性到理性，從直觀到思維，把握化學和化工過程控制的屬性及其聯(lián)系，了解和掌握有色金屬資源和材料加工過程，進行系統(tǒng)化學習。切實提高學生的動手實踐與過程分析能力。同時，可將仿真教學與真實的工廠實習、模擬裝置的實際操作結(jié)合在一起，提高實踐教學效率，培養(yǎng)學生較強的崗位操作能力，取代認識實習的教學環(huán)節(jié)。

6 結(jié) 語

綜上所述，礦業(yè)工程化學虛擬仿真實驗教學中心立足于礦業(yè)材料類工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)的要求，將虛擬仿真實驗納入化學基礎(chǔ)實驗和礦業(yè)工程化學專業(yè)實驗課程體系，構(gòu)筑了3個平臺的虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，形成了我校礦業(yè)工程化學虛擬仿真實驗教學新體系。利用計算機虛擬仿真技術(shù)與真實實驗課程互為補充共同促進了我校礦業(yè)材料類學科人才培養(yǎng)。

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The Construction of Experimental Teaching System of Virtual Simulation Experimental Teaching Center

CHENGuo-hui,LIUYou-cai,LIUShi-jun，HANXiang-ling,MANRen-lin,ZHONGHong

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Virtual simulation experimental teaching can imitate the experiment process of mining and metallurgical engineering chemistry which cannot be exhibited in the laboratory. Based on subject characteristics, Mining and Metallurgical Engineering Chemistry Virtual Simulation Experimental Teaching Center in CSU works to bring virtual simulation experiments subjects into industrial chemistry and chemical engineering courses and mining and metallurgical engineering chemistry courses. Three virtual simulation teaching platforms which are basic industrial chemistry virtual simulation experiments, separation of minerals and hydrometallurgical virtual simulation experiment, high temperature metallurgical and energy saving virtual simulation experiments are designed and constructed, respectively. Together with real experiments, a integrated experimental teaching system is formed.

virtual simulation; experimental teaching； mining and metallurgical engineering chemistry； virtual simulation experiments

2014-10-15

陳國輝(1969-)，男，湖南耒陽人，博士，國家級化學實驗教學示范中心及國家級礦業(yè)工程化學虛擬仿真實驗教學中心副主任，主要從事有機化學教學與實驗室管理工作。

Tel.: 0731-88879616; E-mail: gh-ch@163.com

劉有才(1970-)，男，湖南益陽人，博士，研究員，化學化工學院副院長，主要研究方向為二次資源的開發(fā)和利用、實驗室建設(shè)與管理研究等。Tel.: 0731-88836053; E-mail: liuyoucai@126.com

TP 391.9

A

1006-7167(2015)08-0169-04