化學化工虛擬仿真實驗教學的新工科建設

李傳 崔敏 唐艷凌 張淑霞 杜峰 羅輝 鄧文安

【基金項目】教育部產學合作協同育人項目（202101033004）;中國石油大學（華東）教學研究與改革項目（SJ-202009）

【摘要】現階段的化學化工專業已經形成了“五層面”、“五結合”與“五平臺”有機統一的工程教學體系，確保了“立足于教學、產學研相結合、面向企業、圍繞共享”的虛擬現實教學理念。將現代化科學技術與大數據云技術建設、教學資源管理以及虛擬實驗室的高效開展與共享，進一步提升學生的動手能力與創新思維，其對推動雙一流高等院校建設具有強有力的推動性，為新工科注入了全新的血液。

【關鍵詞】虛擬技術;化學化工;新工科;資源管理

引言：化學化工屬于最為典型的實驗性學科，其在實驗教學中占據主導地位。因化學與化工的實驗過程中長接觸各種各樣的有毒、有害化學藥品以及高壓設備，導致實驗本身具有一定的風險性和危險性。

一、化學化工虛擬仿真教學應用背景

1.化學與化工教學中存在的問題

現階段的化學與化工實習已經成為高等院校人才戰略培養環節的難點問題。對于企業本身而言，大多數不愿意接受高等院校的學生進行實習。現代的化工產業逐漸趨于自動化、半自動化，導致學生的動手能力不斷下降，難以進一步接觸相關生產設備、工藝以及操作方法的。對于工科學科而言，實訓是培養高等人才非常重要的環節。目前的化學化工主要存在以下方面的問題[1]：①部分實驗藥品具有一定的毒性、污染性以及試劑費用高昂等;②部分化學藥品的條件較為苛刻，實驗室環境下難以實現;③化學化工的實驗器材大多數屬于高精密儀器，因此難以讓學生通過實驗進行掌握;④實訓設備具有一定的體積，因此在實驗室難以進行安裝等。

2.資源共享成為改革趨勢

現代信息化技術對教育改革與發展具有非常重大的意義，現代網絡信息技術處于快速發展階段，利用互聯網技術、仿真技術以及其他現代高科技產業進行相結合，在傳統教育的基礎上，搭建全新的教育教學體系結構與框架，建立具有可發展性可持續性的虛擬仿真教學，其可以滿足教學、實訓以及考核等項目的綜合性。虛擬仿真教學的實驗教學建設，將大幅度提升實驗教學資源管理，彌補部分實驗條件的缺失，有效解決實驗環節存在的問題，虛擬仿真技術不僅可以通過虛擬仿真教學平臺進行遠程共享，而且還可以提高學生的動手能力，降低學校資源的浪費，降低教育教學的成本，為新工科高效建設注入全新的發展內涵[2]。

二、化學化工教育教學體系

1.明確實驗教學體系

建立穩固的“著手與教學、產學研相結合，面向企業實現開放式”的虛擬仿真技術，將虛擬實驗與真實實驗相結合，將高等科研教學成果第一時間進行轉換實現反哺式模式，將重大的發現與發展積極轉化為實驗教學內容，實驗現有教學資源與仿真技術進行高效結合，不斷提升學生的動手能力。

建立具有“五種層次”的教學培養模式，即人才類型培養與市場需求呈現正相關，將實驗環節的內容劃分為教育教學演示、仿真操作、化學化工實訓操作、設計類型、科研學習創新型平臺五部分，其主要按照專業知識的體系以及工程實踐規律的搭建進行整體性考慮?！拔褰Y合”主要是指將理論課程相結合、與實驗實踐相結合、工廠實訓相結合。其中，五個結合主要包括18種專業知識課程、12門化學化工實踐課程，輻射類型包含16種專業類型的基礎課程，其基本覆蓋了化學、化工實踐教育教學課程。如圖1所示。

圖1 ?全新實驗教學體系

2.化學化工實驗教學設計

根據現階段的化學化工專業知識理論與實踐流程，結合多年的優質教學資源教育教學，設立現代儀器的虛擬仿真設備以及具有化學化工特色的專業仿真平臺，如化學技術原理、化學化工工藝、時間實訓裝置、實驗實訓場地，構建由課程教學演示型、仿真技術操作類型，實訓綜合類型、專業設計類型以及科研創新類型相結合的5種模式，開展分層教育，進行專業性，針對性教育培養模式，實現教學內容開放化、共享化[3]。

針對現代高精密分析儀器仿真平臺，可以開展氣體連用分析實驗、液體聯用分析實驗、X射線衍射分析儀器，場發射掃描電子顯微鏡等實驗設備;對于化學技術原理仿真平臺，如傳熱的綜合性實驗，常用攪拌器類型檢測，萃取實驗的開展，離心泵組綜合性能的開展。

3.網絡信息實現共享

化學化工仿真技術主要基于實驗教育教學平臺進行搭建的，其中包含實驗室資源管理和實驗室教育教學管理。網絡技術的應用可以有效管理教學教學資源并實現資源共享，不斷提升實驗教育教學的信息化。學生可以利用該平臺進行提前預習，通過仿真儀器進行特定的虛擬實驗。同時教師與學生可以實現課程內外的溝通交流，教師可以通過互聯網平臺對實踐內容進行整體性改革，對于給出的評語，學生可以實現實時查看[4]。教師也可以在平臺上實現作業的發布，對學生的預習、實驗過程以及實驗結果進行綜合性的評價。

三、教學方式實現共享

1.教學資源實現共享

教育教學資源實現共享的代表性學校，井岡山大學在仿真實驗室成功建立之后，實現了資源共享，其秉承著共建、共享的理念，為廣大師生提供虛擬仿真資源的共享業務。化學化工虛擬仿真平臺成為了教師與學生進行交流的第二個平臺，并在全校范圍內實現了免費訪問。

2.共享建設規劃

擴大輻射的范圍、強化深度合作。不斷加強兄弟院校的教學互動，認真開展共建共享合作機制，建設具有通用性、集成性的化學化工虛擬平臺，進一步實現所有平臺的虛擬仿真技術[5]。不斷拓寬學生的視野，實現綠色教學。同時，在現有校企合作模式條件下，進一步擴大與企業的深度合作，共同開發具有特色的虛擬仿真平臺，創建屬于自己的知識產權，實現自主產權化，對重點項目進行共同建設、實現利潤共同享有，確?；瘜W化工仿真平臺可以實現可持續化發展。

結論

本文主要闡述了現代虛擬仿真技術的研究背景以及教育教學模式，將虛擬實驗平臺與真實實驗相結合，將高等研究成果與教學相結合，立足于企業發展需求，不斷建立多學科共同發展的交叉優勢，加快學生到技術人員的角色轉變，推動化學化工實現快速發展于應用。

參考文獻：

[1]王嘉晨，劉璐，王小鋒，劉光祥，李明海.虛擬仿真技術對改進實驗教學的探索[J].廣州化工，2020，48（08）：148-150.

[2]岳瑋，王菊，李靖.化學化工虛擬仿真實驗室構建和實現方法研究[J].考試周刊，2016（A2）：133-134.

[3]陳海輝，劉小兵，張定娃，劉利民，陳民.化學化工虛擬仿真實驗教學的新工科建設[J].廣州化工，2019，47（17）：185-187.

[4]杜靜，趙溫濤，馮霞，馬驍飛.化學化工虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用[J].大學化學，2021，36（01）：146-152.

[5]桂林理工大學化學工程與工藝虛擬仿真實驗教學中心簡介[J].高教論壇，2016（05）：129.