化工類虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

代方方，費貴強，李 磊，姜 靜

化工類虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

代方方，費貴強，李 磊，姜 靜

（陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021）

以陜西科技大學化工虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐為例，介紹了化工類虛擬仿真實驗教學體系的構建、教學資源的具體內容以及中心的教學特色。以輔助教學平臺、專業基礎平臺和工程實踐平臺為主體，構建了多層次、遞進式的虛擬仿真教學體系和三梯度、“軟硬結合”的實踐教學模式。虛擬仿真實驗教學體系和模式的建設與實踐，提升了學生專業實踐能力和解決復雜問題的能力。

化工；教學體系；教學平臺；虛擬仿真

信息技術的不斷發展，正在促進著教育領域的深刻變革。根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》要求[1]，人才培養必須以強化實踐教學為著力點，必須以信息技術的應用作為提高教學質量的重要手段[2]。實踐教學尤其是實驗教學，對于化工與制藥類相關專業至關重要，是培養學生動手能力和提高學生綜合素質的關鍵教育環節[3]。虛擬仿真實驗教學項目作為實驗教學的組成部分，更加強調信息化技術在實驗教學中的應用[4-5]。自2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，已遴選出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，并計劃到2020年遴選出1000項示范性虛擬仿真實驗教學項目[2]，這些工作取得了積極的反響和良好的效果[6-8]。

隨著虛擬仿真實驗教學中心的建設成果不斷顯現，“虛實結合”的新型教學模式已經充分展示出其特有的優勢[9-10]。在國家“雙一流”建設和陜西省四個“一流”建設政策背景下，陜西科技大學加強實驗室硬件、軟件建設，優化教學資源勢在必行。進一步建設虛擬仿真實驗教學中心，對于提高人才質量，支撐學科建設發展，提升學科綜合實力和影響具有重要 意義。

1 實踐教學體系構建

幾年來，經過不斷的探索與發展，陜西科技大學化工虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱中心）按照“成本低、消耗少、零排放、易管理”的建設思路，根據“虛實結合、相互補充、能實不虛、科技融合”的建設原則，通過實驗教學與優勢學科相結合，實驗教學與實習實訓相結合，實驗教學與科研項目相結合，形成“線上線下一體化，軟件硬件相結合”的多層次、遞進式的虛擬仿真實驗教學體系，實現了“教學、培訓、研究、交流”的功能。虛擬仿真實驗資源的應用基本解決了實物裝置占地面積大、維護費用高、利用率偏低、數量不足以及“三廢”污染等問題[11-12]，有效解決了學生實際動手難的問題。

中心依托我校工科化學教學示范中心、化學工程實驗/實訓平臺和我校化學工程與技術的學科優勢建立，并與化工大類實驗教學、化學工程實訓形成一體，承擔著全校化工大類本科生、職教生及研究生的化學工程實驗教學和基本技能實訓任務，兼顧科研中試、產品轉化等工作。在中心建設的過程中，構建了與實體實驗/實習緊密結合的專業實驗與虛擬仿真實驗教學體系，主要包括3大部分，即輔助教學平臺、專業基礎虛擬仿真平臺和工程實踐虛擬仿真平臺，如圖1所示。該體系從軟件到硬件、從線上到線下、從教學到實訓實習，基本涵蓋化工專業的知識內容，通過虛擬仿真平臺即互聯網在線培訓系統與實際化工生產技術相結合的方式，實現了化工人才培養要求，尤其是對工程實踐能力的要求。

圖1 化工虛擬仿真實驗教學體系

2 教學平臺資源建設

2.1 輔助教學平臺

2.1.1 化工設備3D培訓系統

本系統將抽象的、無法直接觀察的化工設備技術形象化、具體化，基于豐富的表現力和良好的交互性，通過3D動畫、視頻、圖片等多媒體技術，使傳統教學過程中抽象知識轉變為形象記憶，有效激發了學生的學習興趣，提升了學習效果，使學生能夠深刻掌握相關專業知識。

2.1.2 典型事故案例分析課件

2016年11月，國家安監總局、教育部聯合要求，在全國相關高校和專科學校將化工安全生產課程設為必修課。為響應國家號召，我院對“化工環保與安全”專業課程的知識進行擴充，在虛擬仿真平臺開設了“典型事故案例分析”課程。該部分內容包含28個課件，每個課件的時長為2~5 min，每個課件包含培訓內容有裝置簡介、事故經過、直接原因、間接原因和測試題等5部分內容。以動畫、錄像、圖片等形式講述分析了化工生產中的一些常見的違規行為導致的事故。事故類型具有典型性，與工廠生產實際緊密契合。

2.1.3 知識點管理系統

知識點管理系統基于先進的設計和開發理念，以專業知識點和素材管理為核心，既可以實現對知識點、素材全面高效的管理，同時可使學生方便快捷地瀏覽訪問素材，實現了知識點的統一有效管理和安全便捷的傳播。服務器端能夠將我校現有的分散的培訓素材（含視頻、圖片、動畫、文檔等）以知識點的形式統一存放、安全管理，并利用各類網絡以Web方式對外發布。

2.2 專業基礎虛擬仿真平臺

2.2.1 化工單元操作虛擬仿真系統

化工原理是化工大類本科生重要的專業基礎課。該課程涉及面廣、知識點多，學生普遍反映知識散而難理解。基于我院化學工程實驗/實訓平臺，設計出了與該平臺配套的化工原理虛擬仿真實驗，并與實體實驗形成互補關系，真正遵循了“虛實結合，以虛輔實”的原則。

化工單元操作虛擬仿真系統主要開設了10個專業基礎實驗，如表1所示，覆蓋了所有的典型化工單元操作。針對不同專業方向的學生，選做與本學科密切相關的實驗。系統中實驗室按照美國工程技術認證標準布置，以高校實驗室設備為原型進行建模，設備還原度非常高。學生可根據任務系統的提示獨立完成整個實驗操作，并可以進行反復練習。評分系統對學生的實驗操作步驟和思考題完成情況作出整體評價，并給出最終成績。該系統旨在提高分析問題和解決問題的能力，并培養學生團結協作的精神，從而提高學生綜合能力。

2.2.2 大型分析儀器仿真軟件

儀器分析是分析化學的重要分支，是現代分析測試的重要手段，很多理工科專業都開設了“儀器分析”課程。儀器分析教學任務是讓學生掌握分析儀器的原理、結構以及熟練地進行儀器操作、數據處理等。目前，傳統的儀器分析教學主要存在以下問題：（1）儀器設備數量有限，多數儀器造價昂貴；（2）儀器分析實驗課教學課時有限，無法保證學習效果；（3）實驗耗材消耗量大，帶來環境污染；（4）學生缺乏實踐經驗，畢業后到工作崗位無法立刻上崗[13]。

為了解決上述問題，建設了與傳統教學互補的分析儀器虛擬仿真培訓軟件。軟件界面采用3D建模，高度還原分析儀器實驗室場景，為學生提供一個立體化、沉浸式學習平臺。場景中嵌入豐富的交互操作，學生可以進行如樣品配制、儀器開機、樣品測定、數據采集、數據分析等一系列操作；還可以自由設置樣品濃度、分析方法，并可得到與之相符的實驗結果，滿足進階學習的需求。輔以大量的多媒體素材，如結構原理動畫、真人操作視頻等，豐富培訓內容，使學生全方位學習儀器分析知識。同時支持網絡模式運行，便于組織學生培訓及各種考核競技活動。旨在使學生通過反復練習與觀摩，熟練進行各種常規分析儀器的操作及項目檢測，為我校儀器分析課程提供一個經濟、高效的模擬實訓及考核平臺。

2.3 工程實踐虛擬仿真平臺

2.3.1 化工過程操作虛擬仿真系統

化工過程操作虛擬仿真系統共包含6個單元的化工過程操作（見表1），基本涵蓋了化工行業中重要的基礎操作，有助于學生了解基本操作原理和專業設備，掌握化工操作和提升工程實踐能力。

系統所用工況均來自具體工藝實例，內部運算模型準確穩定。在滿足軟件操作的前提下，軟件3D場景仿真度高，力求還原真實現場，特別對細節考慮周到。例如，車間管道布置布局和管道顏色等均按照相關工藝標準設計。

2.3.2 煤化工虛擬仿真實訓

煤化工虛擬仿真軟件包含甲醇生產工藝認識實習仿真實訓和甲醇生產工藝生產實習仿真實訓兩部分，均采用最經典的煤化工生產工藝。

（1）甲醇生產工藝認識實習仿真實訓。認識實習知識點范圍包含甲醇生產的工業背景以及廠區情況介紹、甲醇工藝原理相關內容、化工相關的硬件設備知識、安全急救知識、儀表自動化知識等。

（2）甲醇生產工藝生產實習仿真實訓。生產實習虛擬仿真實訓包含四塔甲醇精餾工段和魯奇甲醇合成工段操作。中控操作站擁有和真實DCS一致的邏輯控制程序，更可靠、更逼真。系統場景中，與實際生產裝置的比例為1∶1的設備裝置區，可以使學生更快更準確地熟悉設備裝置、工藝流程及操作。軟件充分參考真實車間設置與布局，比如中控臺、安全標識、消防設備等。

2.3.3 DCS控制乙酸乙酯生產工藝仿真實訓

乙酸乙酯是一種重要的工業溶劑，是應用最廣泛的脂肪酸酯之一，其生產方式可采用間歇式或連續式，合成路線具有典型性。因此我們引入乙酸乙酯生產工藝3D虛擬現實仿真軟件，不僅可以補充我院精細化工方向的教學內容，同時與我院購置的DCS控制乙酸乙酯合成實訓裝置（見圖2），形成綜合實訓平臺，真正做到“虛實結合”，有利于學生工程實踐能力的提升。

圖2 DCS控制乙酸乙酯合成實訓現場圖

3 教學特色

3.1 建立多層次、遞進式虛擬仿真教學體系

從素材資源到化工單元操作，遞進至化工過程操作及化工生產操作，逐步構成廣而深的虛擬仿真實驗教學內容。使學生從視頻、動畫、flash等教學素材資源入手，逐步過渡到單一的化工單元設備仿真操作；在掌握單一的化工單元設備仿真操作后，進行由多個不同的化工單元設備組合構成的化工過程操作仿真，最終獨立或合作進行包括設備開車、調節、DCS控制、各工段整合、故障排查等一整套化工生產操作的仿真，在形象、直觀的仿真操作過程中有效加強對化工生產過程中倉儲、輸送、反應、分離、控制等必要知識的掌握和理解。

3.2 打造三梯度、“軟硬結合”的實踐教學模式

即虛擬仿真教學平臺、中試生產裝置和生產實習基地形成緊密聯系的三梯度實踐教學模式，堅持“軟硬結合”，實現“所見即所有”“所練即所用”。采用軟件虛擬與實驗設備相結合的方式，使得虛擬仿真軟件與實驗室設備相一致，虛擬仿真軟件與教學用工廠模型相一致，虛擬仿真軟件與實習工廠的真實設備相一致，“三個一致”有效縮短了“準現場實踐”與實際實踐操作間的距離。幫助學生由虛擬仿真軟件中熟悉設備結構、操作流程后，在中心中試生產裝置中進行“準生產”操作，直至生產實習時在化工廠生產現場進行參觀、調研，形成從虛擬仿真-中試操作-化工廠生產的三梯度實踐教學模式，充分滿足各專業實踐教學的要求，切實提高學生工程實踐能力和創新能力。

4 結語

將虛擬仿真技術引入教學實驗和實踐中，構建了化工虛擬仿真實驗教學中心。建立了多層次、遞進式虛擬仿真教學體系，打造了三梯度、“軟硬結合”的實踐教學模式。豐富了實驗教學手段和資源，提高了學生自主學習的積極性，強化了學生專業實踐能力和解決復雜工程問題能力，更好地滿足了人才培養要求。未來，本中心將進一步發揮學科特色，開發輕化工助劑相關的虛擬仿真實踐教學內容，擴充教學資源與共享能力。

[1] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組辦公室. 國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[EB/ OL]．（2010-07）http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/ moe/info_list/201407/xxgk_171904.html?authkey=gwbux.

[2] 李平.推進虛擬現實技術應用，提高高校教育教學質量[J].實驗室研究與探索，2018, 37(1): 1–4.

[3] 劉驥翔，張婷，魏杰，等.化工產品全生命周期虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2018, 37(4): 158–161.

[4] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013, 32(12): 5–8.

[5] 張珂，鄭賓國，崔節虎，等.基于OBE模式的環境工程虛擬仿真實驗中心建設探索[J].實驗技術與管理，2019, 36(1): 270–273.

[6] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014, 31(2): 5–8.

[7] 宋建爭，李建軍，張永強.化工虛擬仿真實驗教學探索與實踐[J].教學研究，2014, 37(3): 107–109.

[8] 喬莉，魏海波.基于翻轉課堂和虛擬仿真的單片機教學改革[J].實驗技術與管理，2018, 35(3): 112–114, 139.

[9] 李夢如，奚鷹，于睿坤，等.探索虛擬仿真實驗在《機械基礎實驗》課程中的應用 [J].機械設計，2018, 35(S2): 42–44.

[10] 袁小平.電工電子虛擬仿真實驗教學中心建設的研究與探索[J]，實驗室研究與探索，2017, 36(12): 164–167.

[11] 贠冰，孫建林，熊小濤，等.材料虛擬仿真實驗中心建設及共享的思考與實踐[J].實驗技術與管理，2018, 35(10): 197– 199.

[12] 唐向陽，馬驍飛，郭翠梨，等.建設高水平“化學化工虛擬仿真實驗教學中心”的思路與探索[J].高等理科教育，2015, (6): 102–106, 101.

[13] 白雁，張娟，潘瑾，等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011, 28(12): 169–171, 174.

Construction and practice of virtual simulation experimental teaching center of chemical engineering majors

DAI Fangfang, FEI Guiqiang, LI Lei, JIANG Jing

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

By taking the construction practice of the Chemical Virtual Simulation Experimental Teaching Center in Shaanxi University of Science and Technology as an example, this paper introduces the construction of chemical virtual simulation experimental teaching system, the specific content of teaching resources and the teaching characteristics of the center. With the auxiliary teaching platform, professional basic platform and engineering practice platform as the main body, a multi-level and progressive virtual simulation teaching system and a three-gradient practical teaching mode with the “Combination of software and hardware” are constructed. The construction and practice of virtual simulation experiment teaching system and mode have improved students’ professional practical ability and their ability to solve complex problems.

chemical Engineering; teaching system; teaching platform; virtual simulation

G482

A

1002-4956(2019)10-0279-03

2019-03-04

2019-08-07

陜西科技大學博士科研啟動基金項目（2016QNBJ-18）

代方方（1987—），女，山東鄒城，博士，副教授，研究方向為環境催化與分離工程。E-mail: daifangfang@sust.edu.cn