探索虛擬仿真實驗在《化工原理實驗》教學中的應用

孫智慧，楊連利，張衛紅

(咸陽師范學院化學與化工學院，陜西 咸陽 712000)

化工原理課程是化工、材料、制藥等專業學生必修的一門專業基礎課，其工程性和實踐性較強。該課程教學環節主要分為兩部分，即理論教學和實驗教學。其中化工原理實驗環節是在完成各單元操作理論學習的基礎上而開展的，可使學生進一步深刻理解和掌握典型化工單元操作中設備工作原理、操作過程及設計理念等。實驗課程的開展，可使學生更好地理解和掌握課堂上所學的枯燥無味的理論知識，同時有助于提高學生的動手操作能力和各項實驗技能，也有助于培養學生的工程思維等[1]。

但是，隨著大學課程教學改革的深入，化工原理理論和實驗課時都出現下調現象，任課教師為確保所學理論體系的完整性，平均課時所學知識量加大，導致學生對所講內容不能很好地理解并掌握，另外，由于實驗設備數量限制，學生只能分組輪流實驗，如果出現設備故障等突發狀況，有些實驗量并未達到課程任務要求，日積月累，學生很容易失去學習興趣。此外，化工原理實驗的開展也受到時間和空間教學資源的限制，部分實驗只在特定條件下開展。例如，篩板塔精餾實驗，由于受時間和空間限制，往往要求學生測定精餾塔在全回流特定條件下的理論板數、總板效率，而關于回流比、溫度等條件改變對精餾塔精餾效果影響卻無從獲知，從而影響教學效果。

隨著信息技術的不斷發展，虛擬仿真實驗教學平臺因其"成本低、消耗少、零排放、易管理"等優點而逐漸應用到高校實驗教學中[2-3]。學生通過借助虛擬仿真實驗平臺開展化工原理實驗，在各單元操作2D界面上熟悉實驗設備、工藝流程等，在3D界面上體驗實驗環境，操作虛擬設備，借助視覺、聽覺、觸覺上熟悉并掌握實驗操作過程[4]。

1 教學平臺簡介

咸陽師范學院化學與化工學院已建立虛擬仿真實驗中心，該中心具備多套工藝仿真軟件，均由北京東方仿真公司開發。其中也包括化工原理2D與3D仿真實驗軟件，具體實驗項目列于表1中。例如，精餾塔精餾實驗2D與3D仿真實驗操作界面如圖1所示。在仿真實訓環節，教師通過教師站啟動控制平臺，指定訓練項目和訓練室，學生按照教師指令在電腦上啟動進入學生端登陸窗口，進入指定的仿真實訓界面。教師通過教師機可以方便地監控學生整個操作過程，能夠及時發現學生理論掌握情況以及操作過程中存在的問題。同時，教師也可以查看學生訓練成績，實時掌握學生的整體訓練效果。

表1 化工原理虛擬仿真實驗項目

2 教學方法

按照傳統的實驗教學模式，學生課堂上學習完化工原理理論知識后，接下來即將進入實驗室進行實際設備操作。通常情況下，在開展實驗前，教師會依次給學生講解實驗原理、實驗內容、實驗主要設備、實驗操作步驟及實驗注意事項等，然后才讓學生動手操作。但由于學生缺乏實踐操作經驗，在實驗過程中遇到突發狀況時，難免會手忙腳亂，增大實驗安全隱患。為使學生更好地掌握操作過程以及避免部分誤操作引起安全事故等突發狀況，此時化工原理仿真實訓平臺可以發揮很重要的作用。學生通過虛擬仿真實驗教學平臺，可以預先體驗和熟悉實驗環境，熟悉和掌握操作步驟和實驗關鍵環節，以及實驗注意事項等，通過實訓可為實際實驗操作打好鋪墊[5-6]。

化工原理仿真實訓項目中2D畫面中完整呈現了單元操作的整個工藝流程，操作界面中標注了設備名稱與位號，以及操作提示。例如在做精餾仿真實訓時，學生首先可以通過仿真界面熟悉精餾塔的主要部件、閥門及其安裝位置、主要控制參數等；其次可以通過調整操作，實現全回流和部分回流，或者改變塔釜溫度或塔壓等工藝參數，可以直觀地觀察到操作條件改變時對塔頂和塔底產物濃度的影響規律。

化工原理仿真實訓項目中3D畫面模擬了真實的實驗環境，學生可以真實感受到精餾單元中各設備擺放位置、物料出入口、閥門樣式及安裝位置、操作面板參數控制、機動設備的啟停方式等。通過實訓裝置開車、正常運行、停車后，可以很好地掌握整套裝置的運行。此外，也可以直觀地感受到裝置在一些異常狀況下的現象。如此反復訓練，可以對學生有效地強化工程實際運行的感性認知。

通過化工原理仿真實訓，學生由被動實驗變主動實驗，從開車前準備工作到順利停車，任何一個環節都要親自操作。在裝置運行過程中，如果出現異常現象，此時并沒有現成的解決方案供他們借鑒，學生必須自己分析、思索問題產生的原因，進而找到解決異常事故的方法。通過本環節的訓練，可以培養學生發現問題與解決問題的能力，同時也可以培養他們的自信心。此外，系統中設置了有關本次實驗的知識點測試，實驗結束后，同學們要根據實驗情況對一些實驗理論、操作異常等方面進行綜合測試，從而進一步鞏固理論和實操知識。以上方面均可以激發同學們的創新意識，激發同學們的學習興趣[7]。

3 考核方式

由于實驗設備臺數的限制及實驗空間和時間的限制，造成學生無法參與到實驗過程中的每一環節，不僅影響整體教學質量，同時也影響教師對學生整體素質的考評。例如，在傳統的實驗教學模式下，學生往往以小組的形式共同操作某一單元裝置，所以無形中增大了對個人進行考核測評的難度。因此，教師考核學生時往往主要通過課堂紀律、實驗態度、實驗結果、實驗報告這幾個方面綜合考評。化工原理實驗仿真平臺應用后，有利于教師對實驗過程與效果進行監控與評價，例如學生仿真實訓時間、測評成績、操作過程等，仿真系統內都有詳細的記錄，教師對學生的考核途徑也多樣化，從課前準備、操作、實訓過程、實驗效果等多方面進行綜合考評。

4 結語

化工原理虛擬仿真實驗能夠較真實地還原實際實驗室的實驗環境，學生可以按照自己的想法或實驗預案完成各類化工單元操作，通過反復實訓，可以培養學生的動手操作能力、工程實踐能力和創新能力。虛擬仿真實驗是一種全新的新型高效教學模式，但不能完全代替實際設備操作過程，兩種教學模式應有效結合，使學生各方面能力培養上發揮極佳效果。