應(yīng)用型高校化工虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)的探析*

付興平，趙升云，胡家朋，范榮玉，林維晟

(武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室，福建 南平 354300)

虛擬仿真技術(shù)，又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是通過信息技術(shù)系統(tǒng)來模擬現(xiàn)實世界中的真實系統(tǒng)，并隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸成熟，在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視[2]”。開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，是開展實驗教學(xué)改革和高等教育信息化發(fā)展的要求，是國家級實驗教學(xué)示范中心的重要建設(shè)內(nèi)容和有力延伸，具有重要的現(xiàn)實意義[3-4]。由于仿真虛擬技術(shù)在教學(xué)實踐中的突出優(yōu)勢，國內(nèi)外許多學(xué)校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都開始關(guān)注仿真虛擬技術(shù)在課程教學(xué)中的發(fā)展和應(yīng)用，仿真虛擬技術(shù)逐漸成為科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的熱點。我國對虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究從21世紀(jì)開始，大連理工大學(xué)通過與麻省理工學(xué)院的交流，建立了國內(nèi)第一個虛擬現(xiàn)實實驗室，并將麻省理工學(xué)院微電子網(wǎng)絡(luò)實驗室與微電子電子課程實驗相結(jié)合，取得了良好的反響[5]。近些年，國內(nèi)部分高校針對自身的教學(xué)與科研需求相繼開發(fā)了專業(yè)相關(guān)的虛擬仿真實驗，有力地推進(jìn)了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)。通過虛擬實驗教學(xué)技術(shù)，學(xué)生可以選擇合適的虛擬實驗設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的虛擬實驗，有效的提高了理論聯(lián)系實際的能力，對實驗教學(xué)模式的改革具有重要意義。

武夷學(xué)院是以工科為主的具有鮮明行業(yè)特色的院校，化工類專業(yè)基礎(chǔ)雄厚，教育教學(xué)資源豐富。學(xué)校立足于行業(yè)專業(yè)特色，對化工類虛擬仿真實驗教學(xué)進(jìn)行了積極探索和深刻變革，2014年，成立了“化工過程模擬仿真實驗教學(xué)中心”，2016年獲批為“省級綠色化工技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。仿真實驗是教育信息化的重要手段，借助計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，解決化工行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域不具備或難以實現(xiàn)的真實實驗問題，尤其對于那些涉及高危或極端環(huán)境的實驗，虛擬仿真相對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢，并對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)思想、體系、模式和方法等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[6]。

本文論述了應(yīng)用型地方高校綠色化工技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)必要性、思路和建設(shè)內(nèi)容，提出“一體化、多層次、模塊化、重開放”的應(yīng)用型綠色化工技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)體系和資源平臺。將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)設(shè)備和裝置相結(jié)合，通過模擬實驗環(huán)境、實驗過程、實驗現(xiàn)象、實訓(xùn)場景，獲得直觀真實的實驗效果，更好地開展本科生的實驗實踐教學(xué)工作[7]。

1 仿真實驗中心構(gòu)建

1.1 仿真實驗中心建設(shè)的必要性

化工類專業(yè)是一門實踐性很強(qiáng)的專業(yè)，綠色、高效、經(jīng)濟(jì)、安全是化工類相關(guān)行業(yè)的重要指標(biāo)，需要工程素養(yǎng)高、專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐能力突出的專業(yè)技術(shù)人才。學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，還要靈活運用相關(guān)的理論知識進(jìn)行化工生產(chǎn)實踐，而在傳統(tǒng)的化工類課程實踐模式中，存在以下幾個問題：①實驗實訓(xùn)設(shè)備和場地限制。化工類等相關(guān)專業(yè)的課程實踐環(huán)節(jié)，通常都具有設(shè)備體積大、流程復(fù)雜、物料和設(shè)備的損耗較大等特點，而大部分高校實驗場地不足，經(jīng)費有限，許多與實踐結(jié)合十分緊密的實驗項目無法開展；②實驗實訓(xùn)安全問題。化工實驗過程中常涉及易燃、易爆、有毒及強(qiáng)腐蝕性物料，且反應(yīng)通常是在高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行，出于安全考慮，實驗無法開展，影響教學(xué)效果[8]；③教學(xué)內(nèi)容與實際生產(chǎn)不匹配。化工等相關(guān)專業(yè)實驗裝置的更新?lián)Q代非常迅速，傳統(tǒng)的實驗、實訓(xùn)設(shè)備和方法往往不能緊跟化工發(fā)展的腳步，造成實驗實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容與化工生產(chǎn)的實際發(fā)展需求嚴(yán)重脫節(jié)，不利于學(xué)生掌握化工前沿技術(shù)，影響學(xué)生的發(fā)展[9-10]。

實驗教學(xué)是新工科人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，綠色化工技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，按照虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充的原則，中心自行設(shè)計并與自控廠家、東方仿真和青松股份有限公司等公司合作，開發(fā)和引進(jìn)大量工藝與裝備的虛擬仿真軟件共享實驗等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，開展校企合作，在校內(nèi)建立仿真工廠，將真實的工廠搬進(jìn)校園，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗實訓(xùn)教學(xué)的不足，保證了學(xué)習(xí)效果，有效地解決了學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)的難題，滿足國家高等教育的內(nèi)涵式發(fā)展對學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求[11-12]。

1.2 仿真實驗中心的建設(shè)思路

根據(jù)高水平應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)的要求，綠色化工技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心緊密結(jié)合化工類行業(yè)發(fā)展趨勢，以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，依托福建省基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)示范中心、福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室、綠色化工技術(shù)福建省高等學(xué)校重點實驗室、化學(xué)工程與工藝福建省特色專業(yè)、環(huán)境工程福建省服務(wù)產(chǎn)業(yè)特色專業(yè)等優(yōu)質(zhì)資源與創(chuàng)新平臺，建成適應(yīng)化學(xué)工程與工藝、生物工程、環(huán)境工程、高分子材料與工程等生物資源利用專業(yè)群的仿真實踐教學(xué)體系。建立一套完善、先進(jìn)的開放運行管理體制與校內(nèi)外資源共享的網(wǎng)絡(luò)運行管理平臺，實現(xiàn)更廣泛的安全生產(chǎn)3D實習(xí)、過程控制、工藝優(yōu)化與設(shè)計等在線學(xué)習(xí)、仿真實驗和仿真工廠實訓(xùn)等功能，服務(wù)于省內(nèi)外化工、環(huán)境和生物類專業(yè)學(xué)生仿真實習(xí)教學(xué)及相關(guān)企業(yè)員工培訓(xùn)。同時注重師資隊伍建設(shè)，不斷優(yōu)化師資隊伍結(jié)構(gòu)和水平，加強(qiáng)與企業(yè)的合作交流，建設(shè)一支“雙師雙能型”虛擬仿真實驗管理與教學(xué)團(tuán)隊，力爭將虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)成為教學(xué)科研成果培育轉(zhuǎn)化基地、教學(xué)方法探索與改革基地和面向社會提供實踐訓(xùn)練服務(wù)與專業(yè)培訓(xùn)基地，致力于服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)升級和區(qū)域綠色發(fā)展的應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

1.3 仿真實驗中心的建設(shè)方案

綠色化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心經(jīng)過幾年的實驗教學(xué)和創(chuàng)新積累，圍繞化工仿真實驗室、化工過程模擬實驗室、化工開發(fā)與設(shè)計實驗室的建設(shè)與升級，更新和添置仿真儀器設(shè)備，并對實驗中心的環(huán)境加以改善，不斷豐富虛擬仿真實驗教學(xué)資源，逐步加大校企合作力度和廣度，以滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)和服務(wù)地方能力提升的需要。中心將虛擬實驗與真實實驗相互補(bǔ)充，將科研成果反哺實驗教學(xué)，將工程實踐轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，與地方企業(yè)在過程控制、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、安全生產(chǎn)、綠色技術(shù)開發(fā)和聯(lián)合培訓(xùn)等方面開展合作，不斷提升學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，同時為企業(yè)提供技術(shù)支持。通過規(guī)范、高效的運轉(zhuǎn)管理，充分發(fā)揮實驗室的功能，中心面向化學(xué)工程與工藝、環(huán)境工程、生物工程及其它相關(guān)專業(yè)，立足服務(wù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與資源綠色利用，結(jié)合自身科研與教學(xué)優(yōu)勢，建設(shè)了包括專業(yè)基礎(chǔ)實訓(xùn)實訓(xùn)、強(qiáng)化專業(yè)課程實驗實訓(xùn)、綜合創(chuàng)新訓(xùn)練等三大層次教學(xué)體系，建立了五個模擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)模塊，形成“一體化、多層次、模塊化、重開放”的實驗教學(xué)平臺，如圖1所示。

圖1 綠色化工技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)體系

其中，“三個層次”即按照應(yīng)用型人才成長和培養(yǎng)規(guī)律，將實驗教學(xué)內(nèi)容劃分為專業(yè)基礎(chǔ)型、專業(yè)課程型和綜合實踐型。“五個模塊”即按專業(yè)知識體系把各層次實驗細(xì)分為單元操作模擬仿真、工藝模擬與優(yōu)化、過程控制模擬與優(yōu)化、見習(xí)實習(xí)虛擬仿真、工程設(shè)計等虛擬仿真實驗?zāi)K。虛擬仿真實驗與專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程、專業(yè)綜合訓(xùn)練課程配套，有效的解決實物裝置占地面積大、維護(hù)費用高、利用率偏低、“三廢”污染、產(chǎn)品出路等問題，使學(xué)生在掌握理論知識后通過虛擬仿真實驗進(jìn)一步掌握其應(yīng)用的領(lǐng)域和方法，提高學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)知識運用能力，有力的促進(jìn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量提高，推進(jìn)學(xué)校向應(yīng)用技術(shù)大學(xué)轉(zhuǎn)型。

2 建設(shè)特色與創(chuàng)新

2.1 產(chǎn)教融合，構(gòu)建具有區(qū)域特色的的實踐教學(xué)課程體系

綠色化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心適應(yīng)學(xué)校向高水平應(yīng)用型大學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā)展，依托現(xiàn)有的福建省基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)示范中心、福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室和綠色化工技術(shù)福建省高等學(xué)校重點實驗室等優(yōu)質(zhì)資源與創(chuàng)新平臺為支撐，緊緊圍繞地方產(chǎn)業(yè)的需求，積極推進(jìn)生物資源利用專業(yè)群實踐創(chuàng)新平臺建設(shè)，形成了“化工過程與安全”、“生物資源綠色技術(shù)”和“環(huán)境治理與清潔生產(chǎn)”三大虛擬仿真平臺的實踐教學(xué)體系，建設(shè)了包括專業(yè)教學(xué)、綜合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練和工程實訓(xùn)等多類不同層次的實驗體系。在滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，以企業(yè)安全生產(chǎn)、過程開發(fā)、過程控制和工藝優(yōu)化等環(huán)節(jié)為紐帶，積極服務(wù)企業(yè)技術(shù)開發(fā)和崗位培訓(xùn)，與南平市生物資源利用產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級緊密對接，滿足了實踐教學(xué)既要有深度又要有廣度的要求，豐富的實驗教學(xué)資源與高水平的教學(xué)質(zhì)量。

2.2 虛實結(jié)合，形成實體和仿真實驗教學(xué)互為補(bǔ)充的教學(xué)模式

開展虛擬仿真實驗教學(xué)不是一味的追求虛擬，脫離實體實驗，而是要依托虛擬仿真技術(shù)，更好地發(fā)揮實體實驗的教學(xué)功能[13]。虛擬仿真可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗室投入多產(chǎn)出率低、開放性受限制、實驗教學(xué)條件要求高等缺點，為實驗室資源共享提供一種新解決方案。基于這種考慮，將實驗課程分為實體實驗和虛擬仿真兩條線，虛實并舉，互為補(bǔ)充。目前，綠色化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心訂制開發(fā)了合成樟腦半實物仿真工廠、實驗室綜合廢水處理虛擬仿真、合成氨生產(chǎn)虛擬仿真以及甲醇工藝3D虛擬仿真系統(tǒng)等，豐富和完善了“化工過程與安全、生物資源利用技術(shù)、環(huán)境治理與安全”三大模塊的單元操作實訓(xùn)、工藝模擬與優(yōu)化、仿真實習(xí)的校內(nèi)虛實結(jié)合的一體化教學(xué)體系，拓展20多家產(chǎn)教融合的校外實踐教學(xué)基地，適應(yīng)新工科發(fā)展的實驗實踐教學(xué)條件持續(xù)改善，有力地促進(jìn)了應(yīng)用人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

2.3 科教結(jié)合、校企合作的建設(shè)模式

綠色化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)依托學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科，將科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗項目，科研一線老師參與中心建設(shè)，一大批省部級重點實驗室為中心建設(shè)提供支撐，以科研帶動實驗教學(xué)，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容。中心與青松化工、和泉生物、綠康生化、福建邵化、世竹環(huán)保、南平市環(huán)境科學(xué)研究所、武夷山污水處理廠以及東方仿真等相關(guān)企業(yè)建立了廣泛的合作關(guān)系，采取共同開發(fā)、共同運營、共同建設(shè)、優(yōu)勢互補(bǔ)等多種方式開展與企業(yè)的長期、深度合作，共同開發(fā)實驗項目，研制實驗設(shè)備，完善實踐課程內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，提升實驗教學(xué)水平，使中心持續(xù)健康發(fā)展。如中心與青松股份有限公司共建“武夷學(xué)院-青松股份精細(xì)化工技術(shù)研發(fā)中心”，推進(jìn)合成樟腦﹑冰片、脂松香等綠色化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的仿真軟件開發(fā)，合作開發(fā)“樟腦合成柔性反應(yīng)系統(tǒng)”；中心與自控廠家、東方仿真公司合作，推進(jìn)“化學(xué)沉淀+芬頓氧化+混凝氣浮+臭氧/紫外光催化氧化+石英砂過濾+活性炭吸附”實驗廢水處理仿真系統(tǒng)，用于水處理仿真操作和實體運行；中心與福建和泉生物公司、東方仿真公司合作，將生物醫(yī)藥中間體發(fā)酵生產(chǎn)工藝的研究成果開發(fā)為虛擬仿真教學(xué)資源等。

3 中心的教學(xué)成效

從2016年獲批為“省級綠色化工技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”開始，通過近年的建設(shè)和改革，中心主要教學(xué)成效如下：

(1)依托中心平臺資源，將學(xué)生的創(chuàng)新訓(xùn)練和科技競賽活動植根于實驗室和項目開發(fā)過程中，提升了學(xué)生的專業(yè)實踐能力、創(chuàng)新能力和信息化應(yīng)用能力。近年來，化工類專業(yè)學(xué)生依托中心各個教學(xué)平臺完成“大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實驗計劃”國家級項目20多個，省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目30多個；基于綠色化工技術(shù)虛擬仿真常用軟件(如ASPEN、SP3D、PDMS、3D MAX、SCATCHUP軟件等)進(jìn)行輔助設(shè)計、模擬計算，學(xué)生的工程實踐能力得到明顯增強(qiáng)，多次在省級以上競賽中獲獎，如在全國化工設(shè)計競賽中獲得二等獎，中南地區(qū)高校化工原理大賽中獲得二等獎和三等獎；在近年的“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽和大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽中，中心指導(dǎo)的學(xué)生也獲得多項獎勵；化工類學(xué)生參加各類“雙創(chuàng)競賽”人數(shù)占學(xué)生總數(shù)的68.2%。學(xué)生還積極參與教師的橫向課題和工程實踐項目，參與發(fā)表論文40多篇、申請專利10余項。

(2)虛擬仿真中心和企業(yè)技術(shù)骨干教師共同組成的“教學(xué)指導(dǎo)委員會”，根據(jù)學(xué)校和企業(yè)的實際情況，定時召開研討會，進(jìn)一步整合學(xué)校實驗教學(xué)資源，聯(lián)合企業(yè)技術(shù)人員與設(shè)備資源，推進(jìn)案例化項目化教學(xué)改革，形成“仿真實驗教學(xué)案例庫”，構(gòu)建理實一體、虛實結(jié)合的教學(xué)體系，有效的提升了實驗教學(xué)質(zhì)量和專業(yè)群內(nèi)涵建設(shè)，促進(jìn)了實驗教學(xué)管理體系的改革，不斷豐富應(yīng)用型教學(xué)資源。

(3)按照學(xué)校建設(shè)“區(qū)域特色鮮明、服務(wù)地方能力強(qiáng)的應(yīng)用型本科院校”的目標(biāo)定位，借助虛擬仿真實驗教學(xué)中心資源，積極推進(jìn)產(chǎn)教融合、校企協(xié)同育人的“訂單式預(yù)就業(yè)”聯(lián)合培養(yǎng)模式改革，與福建青松股份有限公司、福建永晶科技有限公司聯(lián)合開辦了“青松定向班”、“永晶科技定向班”，形成“1+n”多企聯(lián)合育人的新模式。在實施定向培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步與拓展與企業(yè)的合作，與綠康生化有限公司完成了“合成樟腦半實物仿真工廠”，與福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計院和北京東方仿真公司合作開發(fā)“實驗室廢水處理虛擬仿真實驗”。為學(xué)生提供了良好的實踐、實習(xí)條件，這為提高學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才起重要作用。

4 結(jié) 語

化工類專業(yè)作為一門工程性強(qiáng)和綜合性強(qiáng)的學(xué)科，不僅要求學(xué)生掌握理論知識，而且要求他們具備相應(yīng)的理論聯(lián)系實際的能力。為提高化工類專業(yè)的教學(xué)效果，將虛擬仿真技術(shù)融入化工類專業(yè)教學(xué)中，相比于傳統(tǒng)實驗教學(xué)，虛擬仿真實驗教學(xué)較具有明顯的優(yōu)勢。首先教師可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和實際需要，在虛擬仿真系統(tǒng)中設(shè)計相應(yīng)的課程任務(wù)，將理論知識的學(xué)習(xí)和實踐能力的培養(yǎng)有機(jī)地結(jié)合起來。虛擬仿真實驗平臺可以使學(xué)生在不受時空限制的情況下完成實驗，大大節(jié)省了教師和學(xué)生的時間；其次，在這種教學(xué)模式下，教師可以實時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和薄弱環(huán)節(jié)，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法，打破傳統(tǒng)實驗的限制，學(xué)生可以通過虛擬仿真實驗中實驗參數(shù)的改變，實現(xiàn)不同實驗過程，以驗證理論知識，提高學(xué)生參與實驗的積極性和主動性，使學(xué)生的思維得到充分的發(fā)揮。最后，這種教學(xué)模式，加強(qiáng)了與企業(yè)的聯(lián)系，對學(xué)生整體分析、思考和解決實際化工生產(chǎn)問題有明顯的提升。總之，虛擬仿真實驗實訓(xùn)對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和問題解決能力的培養(yǎng)具有良好的效果，為新工科建設(shè)人才培養(yǎng)模式改革提供一個重要而可行的方向。