虛擬仿真技術對改進實驗教學的探索*

王嘉晨，劉 璐，王小鋒，劉光祥，李明海

(1 南京曉莊學院環境科學學院，江蘇 南京 211171；2 南京師范大學化學材料學院，江蘇 南京 210012)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物[1]。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果[2]。

南京曉莊學院環境科學學院基于以成果為導向的OBE理念，采用虛擬仿真技術建設以一系列化學化工虛擬仿真教學軟件為基礎的虛擬仿真實驗室[3]。本文以其中恒壓過濾試驗系統軟件平臺為例，探討虛擬仿真實驗給實際教學帶來的改變。

1 虛擬仿真技術在化學實驗教學中的優勢

在傳統的化學化工實驗教學中存在著一些問題，例如學校準備的實驗器材不夠齊全，不能很好地滿足實驗的需求；由于學校的管理制度和維護的方法還不夠健全，造成實驗儀器的大量損壞，使得很多器材無法重復使用；很多化工實驗室的設備為模擬運行設備，無法真實按照實際生產模式運行[4]。另外，學生不具備較為全面的化學素養，不能夠預測實驗過程的突發情況。虛擬仿真技術實現的教學軟件一次發布、隨時隨地運行，結合3D建模技術可完美展現設備內部結構和運行方式，可解決上述諸多問題[5]。

1.1 解決設備問題開展創新型實驗

以化工專業普遍開設的課程《化工原理實驗》為例，涉及大量化工設備工作原理的課程，包含大量的操作實驗，單靠課堂講解和PPT輔助教學，很難讓學生徹底掌握設備的內部結構和工作原理，而通過虛擬仿真技術可將閥門、調節器、泵等直觀展現在學生面前[6]。利用虛擬仿真實驗室可有效開展各種化工原理仿真實驗，不僅可以提高實驗效率，降低實驗成本。

1.2 節約資源實現綠色實驗教學

開展網絡教育可有效地節約實驗成本，使得實驗課程更小程度的受課時和實驗室空間的限制。在實際的化學實驗中，常常會產生一些實驗廢液、垃圾等，對于后期的處理成本高且不可避免的對環境產生較大的污染，而虛擬仿真實驗有效地解決了這些問題[7]。同時有利于個性化教學的實現且規避了在實驗室中的各種安全隱患。

1.3 以OBE理念改善實驗教學

OBE理念強調以成果為導向，我們通過以虛擬仿真技術實現的教學軟件中將平面紙質的知識點以可交互的方式呈現，學生對本次實驗需要取得的學習成果一目了然。通過知識點與技能拓展相結合，學生可以了解到每個知識點細節在實際應用中的作用。通過不斷練習、仿真操作和測試來幫助學生取得這些學習成果，通過虛擬仿真操作考核、實驗報告來知道學生是否已經取得這些學習成果[8]。

2 以恒壓過濾常數實驗為例在實驗教學改革應用

2.1 恒壓過濾常數測定虛擬仿真軟件

恒壓過濾教學系統可以分為四大模塊：實驗講解模塊、恒壓過濾操作模塊、預習和自測記錄模塊及實驗考試模塊。

實驗講解模塊：在虛擬仿真實驗系統中，可以預先展示實驗儀器的各個零部件如圖1所示，進入實驗講解界面后包含了壓力儲槽加料、壓力儲槽通壓縮空氣、板框壓濾機工作原理、濾板濾框濾布組裝、配料槽通壓縮空氣五個視頻講解如圖2所示。通過視頻講解學生可熟悉板框過濾機的構造和操作方式。

圖1 實驗儀器零部件模型圖

圖2 實驗流程講解圖

恒壓過濾模擬操作模塊：進入實驗操作界面，使用者可以在仿真設備上按照實驗順序進行動手操作，操作過程正確完成后，系統可以根據仿真函數出現對應的效果。實驗結束后所采集到的模擬數據如表1所示，進行兩組試驗后，學生們可以利用所學公式進行數據的處理。通過多組平行仿真實驗學會測定過濾常數K、qe、τe及濾餅壓縮性指數S的方法，了解操作壓力對過濾速度的影響[8]。

表1 模擬數據采集列表

預習和自測記錄模塊：學生可以通過此模塊進行恒壓過濾常數測定的實驗環節內容預習，對知識點進行測試。教師可以登錄管理系統，進入預習、自測記錄界面如圖3所示，可以查詢到學生的預習、自測的記錄和回放，打分后可作為學生實驗課程的平時成績，而學生登錄平臺可以看到自己的預習自測情況。

圖3 操作自測界面

實驗考試模塊：學生登錄虛擬仿真系統，可以進行在線操作仿真考試如圖4所示，系統可以對學生的操作進行過程記錄，自動判分。考試過程中，系統有時間提醒，到達交卷時間，系統自動交卷；考試結束后，學生可以調取自己的考試過程，回看整個操作過程，最終達到熟練正確完成恒壓過濾常數的測定。

圖4 仿真考試界面

2.2 虛擬仿真教學對實驗教學的促進意義

以OBE理念進行課程改革的過程中，教師須明確以成果導向的理念如何進行實驗教學設計和教學實施，通過教學解決四個核心問題：是什么、為什么、如何幫助及如何知道，使教學內容最終轉化為學生技能[9]。

2.2.1 優化教學方法

在化學化工實驗課程的教學，簡單的授課以及多媒體輔助教學顯得抽象，學生很難直觀的了解實驗的儀器構造、過程、實驗現象等，真實實驗出錯后會造成儀器損壞、試劑浪費等。而虛擬仿真技術利用了計算機仿真技術創建一個可視化的實驗操作環境，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備來反復進行實驗。教師教學中可通過實驗設備的三維模型講解，提高實驗中的知識點的直觀性和形象性，優化實驗教學方法。

2.2.2 創建新型教師隊伍

結合虛擬仿真技術的新型實驗課程，教師可以將知識點通過語音、視頻、文字等多維度展現給學生。教研室中教師可以一起對仿真模型進行探討，結合以人才培養為模式的實驗教學改進，可以隨時利用仿真教學軟件進行教學的研究，以恒壓過濾參數測定實驗為模板創建更多的虛擬仿真教學軟件應用于實驗教學中，不斷創新，與時俱進，促進學生的創新人才培養[10]。

2.2.3 構建多維度測評

新的實驗教學模式對學生而言提出了全新的要求，在對學習成果的評價方面更是需要從多個維度評判。以虛擬現實恒壓過濾實驗為例，考查方式可以有在線理論考試、仿真操作考試以及真實操作考試。理論考試在南京曉莊學院在線培訓與考試系統里面進行，虛擬現實考試在虛擬現實系統里面進行。

2.2.4 對OBE模式人才培養的促進

提高創新人才的培養，對其的評價方式就要進行創城，不能單單只借助于傳統的閉卷考試，要結合互聯網的線上學習和模擬操作能力進行評價。進而實現高校化工類專業課程教學效果的有效提升，培養出綜合素質較高的復合型人才。

2.3 虛擬仿真教學對學生實驗的改進效果

圖5 學生實驗考查結果對比圖

為了驗證虛擬仿真實驗在教學中的應用效果，我們選取了我校2018級化學一個班級的60位學生分成2組(1號組僅使用實驗教材，2號組結合使用本仿真軟件號組)，采用學校的考試平臺進行隨機組題進行恒壓過濾實驗的教學評估，分別從課前預習、實驗操作計時以及最終學習效果三個維度進行評價，結果如圖5所示。

從圖5中可以看到通過仿真操作訓練的2組良好和優秀率明顯較1號組要高，掌握知識技能完成度要好。在評價完成后，我們通過仿真軟件的反饋功能收集學生對于軟件操作、軟件知識內容、與實驗課程銜接等各方面的建議，進一步優化仿真軟件功能。

3 結 語

我們利用虛擬仿真技術實現的實驗教學平臺，彌補了實際實驗操作中危險性高、重金屬有機物污染環境、儀器藥品價格昂貴等不足，同時也為化學化工專業實驗提供了全新的教學模式。利用互聯網的便利，每位學生可以隨時隨地操作實驗，更加直觀地掌握實驗的具體流程，提高實踐操作能力，同時與時俱進掌握走在科技前端的虛擬仿真技術，在日后的工作求職占據了一定的優勢。

和多媒體教學一樣，虛擬仿真技術的引入是為了有效地彌補傳統的實驗教學存在的一些問題。但客觀來說，網絡仿真操作和實際操作儀器設備還是存在很大差距，VR技術只是提高了學生對實踐技能的掌握和應用，并不能完全代替實際操作所帶來的效果[7]。但隨著互聯網的快速發展，虛擬仿真實驗室的建設是大勢所趨，是順應科技發展的潮流。教師如將仿真軟件與現實實驗相結合應用于日常教學，必將會大大改善教學質量，全面提升教學效果和改革教育教學模式。