工程教育專業認證下的互聯網+無機化學虛擬仿真實驗探索

李麗波　張桂玲　李佳　由君　牛古丹

【摘 要】專業教育工程認證旨在提高高校培養工程型和應用型人才的能力，在眾多專業中，化工、材料類專業的工程教學任務尤其重要。虛擬仿真實驗教學成為理論課程與實踐實驗教學橋梁紐帶，將課堂上的理論知識在運用到實踐中前給學生充分補給，做到將二者無縫銜接在一起。本文闡述了無機化學課程中電化學部分的虛擬仿真實驗的目的、特點、過程、考核和收效。本實驗以大數據和互聯網+為手段，通過教師啟發和引導，以學生為中心，使其自主完全實驗，保障了教學過程的安全與可逆，大大提升了課程品質與實踐教學質量。

【關鍵詞】認證;互聯網+;無機化學;虛擬仿真

中圖分類號： TB301-4;G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）34-0083-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.035

0 前言

隨著我國社會、經濟的快速發展，國內各工科院校的硬件條件得到了明顯的好轉，但是由于傳統教育觀念和教學模式的影響，學生的創新能力沒有得到應有的提高。為了達到專業教育工程認證的人才培養標準，人才培養模式必須及時調整。人才培養目標是以學生為中心，產出為導向，持續改進，培養具有扎實理論基礎，較強實踐能力、創新精神的應用型高級工程技術人才和管理人才[1]。一個好的工程師，基本素質不是死記硬背的記憶力，而是分析和解決問題的能力，是解決工程現場實際問題的能力[2]。因此，應用型人才的培養模式需要實踐的支撐，虛擬仿真實驗平臺的建立與仿真實驗的教學為產學研用的無縫銜接奠定了穩固的基礎。本文以電化學仿真實驗為例，研究了無機化學虛擬仿真實驗的探索與應用。

1 虛擬仿真實驗的目的

離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實驗是無機化學實驗中電化學應用實驗和實際生產實踐的重要組成部分。本實驗通過把物理化學、電化學技術、自動化技術、網絡通信技術、數據處理等最新成果結合在一起，實現離子膜電解裝置電解虛擬現場化、冷態開車、停車操作、設置事故模擬訓練等教學任務。本虛擬仿真實驗的訓練使學生：（1）熟悉和掌握離子膜電解槽的構造、外形、材質、功能、工作原理、輔助設施（含安全設施）及其主要參數的設定，以增強學生對書本理論的直觀認知和消化;（2）直觀認識設備功能的實現、電解過程狀態感知和驗證工藝過程的合理性;（3）通過電解的實時測量與自適應調整，掌握組分分析、測定分析液位與壓力趨勢、溫度趨勢和流量趨勢;（4）了解在使用過程中有可能出現的設備缺陷、故障或事故模式，以增強學生對設備設計思維、設計方式和關鍵部位的改進或改善;（5）通過法拉第定律計算分析，計算電流效率與電壓和電流的關系，燒堿，氯氣和氫氣的收率。

2 電化學虛擬仿真實驗特點

電化學虛擬仿真實驗的教學設計如圖1所示。電解裝置是應用工業中應用最為廣泛的電化學系統同時也是過程控制中最有代表性的多變量復雜工業系統。離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實驗是工業電化學電解的縮影，學生通過本實驗可以理解控制系統設計的意義與實現方法。仿真實驗教學是將網絡多媒體技術、計算機虛擬現實技術深度融合，營造出高度仿真的實驗環境。本實驗教學以虛擬仿真教學為感知方式，以大數據和互聯網+為手段，通過教師啟發和引導，以學生為中心，自主完全實驗。應用化學虛擬仿真實驗平臺虛擬了現實實驗環境，實時交互、遠程網絡運化、沉浸感和趣味性強，可以使學生通過自主思考，自己選擇實驗途徑、在理解理論知識的水平和前提下，自主設計實驗，綜合運用所學知識解決困難和問題，展現自己的智慧和能力，心情愉悅地實驗和研究，體驗自主實踐的成果，充分調動學生實驗、實踐的積極性和主動性。完成操作仿真模塊、統計實驗數據并計算實驗結果。離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實驗通過把電化學技術、化工技術、自動化技術、網絡通信技術、數據處理等最新成果結合在一起，實現電化學電解虛擬現場化、冷態開車、停車操作、設置事故模擬訓練等教學任務。

學生在這種虛實結合的培訓過程中，還可根據測定要求，變更測定條件或自行設計實驗方案，這不僅加深了對儀器設備及相關原理的理解，還也可提高學生學習的自主性，增強實訓互動性，達到提高實踐能力和綜合創新能力的目的，有利于培養學生的創新思維和實踐能力。

3 虛擬仿真實驗過程

電化學離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實驗形成了虛擬現實實驗環境、實時交互、遠程網絡運化、沉浸感和趣味性強的化工虛擬仿真實驗平臺。采用二維、三維動態過程高度模擬工廠實驗設備，所有操作站都實時模擬各種控制儀表的參數。實驗的實施克服了電解槽常規操作危險性、功能單一、人機聯系差的缺點，彌補了實驗教學學生動手操作受限的不足，滿足了學生對電解操作工藝原理、操作環境、控制系統、故障處理的理解。并突破了傳統實驗的限制，實現了化工實驗的綠色化、手段現代化和結論科學化，讓學生在安全、環保、節能的實驗環境中獲得與真實實驗相近的體驗，使教學效果事半功倍。

實驗具體操作過程如圖2所示。離子膜電解裝置綜合虛擬仿真實驗采用離子膜電解槽，原料液為氯化鈉和水，電解產品為高純氫氧化鈉、氫氣和氯氣。在電解的每一環節，裝置的進料、出料、電解槽等部位對溫度、流量、壓力、壓差、液位等參數進行在線測量，通過執行機構構建多個控制回路，完成裝置的基礎控制任務。采用常規DCS控制系統，實現裝置的平穩操作與電解產品的純度控制，包括：進料流量的自動控制;液位的均勻控制;電解槽的區間控制;槽液位的自動控制;氣體的流量控制;電解靈敏溫度的串級控制。在電解槽裝置的進料、出料、回流等部位最大限度地選用具有優良性能的現場檢測儀表，對溫度、流量、壓力、壓差、液位等參數進行在線測量，同時，選用性能優良的執行機構，構建多個控制回路，完成裝置的基礎控制任務。檢測點和控制點設置盡可能全面地覆蓋電解裝置的各個部位，儀表和執行機構的選擇根據裝置的操作條件（流量范圍、介質的溫度等）、儀表的精度、儀表的運行壽命、儀表的維護因素、儀表的外觀特性等因素確定。

作為真實生產現場實驗與實習的補充，虛擬仿真實驗依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，學生在完全沒有風險的環境中，深入細致地研究應用化學中典型電化學生產的工藝構成、典型工藝參數控制的科學性與合理性、研究工藝過程的最優化生產策略與之匹配的參數控制策略，避免了高物耗、高成本和實驗過程難以重復進行的問題。本實驗所有操作都實時模擬各種控制儀表的參數，彌補了實驗教學學生動手操作受限的不足，滿足了學生對工藝原理、操作環境、控制系統、故障處理的學習和理解。

4 虛擬仿真實驗評價體系建設

評價體系建設主要包括：學生對實訓所需基礎理論的構建;學生對工藝過程立體、動態工藝過程的知識體系構建;學生從熟悉工藝到熟練生產的訓練;學生應對事故的處置能力訓練;學生的對生產總體的協調與掌控能力的訓練。根據這些評價知識體系，仿真平臺構建了試題庫和論壇區以及考評系統，將考核與評價有機地結合起來，使學生真正真實體驗達到實戰演練的過程與收獲。

5 虛擬仿真實驗效果

虛擬仿真實驗讓學生通過校園網隨時隨地上網訪問虛擬仿真教學資源，使其完成實驗預習、設備使用規程、安全操作更加標準、快速，對設備、工藝、廠房布局和分析儀器設備更加熟悉。在虛實結合的仿真平臺上，學生通過計算機完成了虛擬仿真實踐和訓練，繼而在實驗裝置和設備上實現物理操作。學生直接操控實驗裝置的開車、停車、運行和故障排除，克服了在生產實習現場“只能看不能動”的難題，也解決了單純使用計算機而缺少現場體驗的問題，使學生接受真實工業生產和工程環境的訓練與熏陶。本實驗實施還為學生提供了的實踐體驗條件，彌補了在化工等高風險行業生產實習電解操作難以實施現場實驗和實習的缺陷。

6 結束語

無機化學虛擬仿真實驗的建設秉承以“構建真實工程環境，培養現代工業精神”理念，按照“虛實結合、相互補充、能實不虛”的建設原則，建設了以數字仿真和物理仿真相結合的實驗實訓模式，構建以生產現場流程參數為基礎的仿真控制數學模型。結合現有的離子膜電解等實體實驗裝置，本實驗教學以虛擬仿真教學為感知方式，以大數據和互聯網+為手段，通過教師啟發和引導，以學生為中心，使其自主完全實驗。學生在學習中，既可體驗真實環境的氛圍并動手實際操作，又可以體驗虛擬仿真出的生產現場極具危險性的反應過程和生產流程，保障了教學過程的安全與可逆，大大提升了課程品質與實踐教學質量。

【參考文獻】

[1]吳云芳，程勇剛，嚴鵬.基于工程教育專業認證的水利類專業課程教學大綱的構建.2019，37（9）：84-85.

[2]覃亮，胥家楨，魏利飛，李紅勝.工程教育認證背景下校企協同培養應用型人才探索.2019，10：170-172.