化學化工虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用

杜靜，趙溫濤，馮霞，馬驍飛

天津大學理學院化學系，化學化工國家級實驗教學示范中心，化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心，天津 300072

信息技術的發展以及5G技術的成熟，推動了虛擬仿真實驗課程的發展，特別是由于2020年初爆發的新型冠狀病毒肺炎疫情，大多數高校無法正常按時開課，促使理論課程有多種成熟線上課程平臺，而實驗課則沒有一個較為成熟可用的平臺，虛擬仿真實驗教學資源便成為教師授課、學生學習的有效途徑之一[1,2]。目前，各高校根據自身學科建設需求建立了很多有特色的虛擬仿真實驗資源[3–5]，在實際教學中虛擬仿真資源或作為輔助教學的一種手段，或成為原有實驗教學內容的一部分，而隨著虛擬仿真資源建設的不斷增加，以及對資源共享化、系統化的要求不斷提高，建立系統化、模塊化、綜合化、共享化的虛擬仿真教學平臺成為未來虛擬仿真教學發展方向之一[6,7]。

依據教育部有關推進國家虛擬仿真實驗教學項目建設的相關文件精神和國家“金課”的標準[8,9]，完善虛擬仿真實驗教學資源，建設虛擬仿真實驗教學平臺已成為當務之急[10–12]。

化學化工實驗中大都存在“高危、高壓、易燃易爆易致毒”等危險，安全方面學生大都只能通過文字介紹和觀看視頻等方式學習，直接導致學生的化學化工實驗安全意識薄弱，應急處理能力不足[13–15]。目前大多數高校以化工單元虛擬仿真實驗為主，以彌補學生無法到化工廠進行實習的缺憾，而化學類虛擬仿真實驗涉及的較少，且現有的虛擬仿真實驗大都比較零碎，實驗內容無法與理論知識相對應，難以形成一個完整的實驗教學體系。

為解決上述問題，天津大學化學化工國家級虛擬仿真示范中心，經過五年的發展不斷完善虛擬仿真實驗教學體系及內容，其中化學化工虛擬仿真實驗平臺的建設對化學化工實驗資源共享、師生交流、學習過程控制都起到重要作用。根據教學大綱對本科教學的要求，化學化工虛擬仿真平臺建設分別從安全培訓、理論學習、化學化工仿真單元、評價與互動等方面進行開展，系統培養學生的仿真操作能力、實驗設計能力、自主研究能力。虛擬仿真平臺的仿真資源內容上緊跟先進科研前沿，形式上符合學生興趣愛好，以 3D卡通形象為主并輔以形象生動的文字，以多種形式的互動完成教育任務，全面分析教學過程，細化評價體系，通過該平臺形成較為完整的實驗教學過程。

1 虛擬仿真實驗教學體系

化學化工學科發展對學生的知識和素質提出了新要求，高?！靶鹿た啤苯ㄔO對人才培養也構建了新藍圖，未來將更加注重對學生實踐能力、創新能力的培養。實驗教學也將從多個維度拓展對學生知識、素質、能力的培養，使學生獲得更全面的訓練和提升。天津大學化學化工國家級虛擬仿真示范中心，以科研輔助教學、教學孵化科研、實踐冶煉教學為特色不斷完善教學體系，具體表現為：從科研成果中選取適用于教學的實驗內容，從多年教學經驗中總結適當的教學方法，從與中石化、中石油等企業的交流學習中得到企業對人才培養的需求，根據需求不斷調整教學。

教學方法根據教學內容的難易程度進行分類?；净瘜W單元如萃取、重結晶、固液分離、pH的測定等，這些基本實驗操作可以由學生在線上自學完成，較為復雜的實驗根據對學生掌握要求的不同可以采取線上、線下混合式教學，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學體系

線上教學采用引導式教學方法，教學流程為：學習安全知識→問題式引導思考→學習相關理論知識→學習軟件使用手冊→練習基本實驗→設計實驗→廢液廢渣處理→科研拓展→完成實驗報告→進行答疑→實驗測試，這里增加廢液、廢渣的處理，以彌補學生長期以來對自己做完實驗后廢液及廢渣如何經行處理的空白，符合目前對綠色化學的要求，經過這一學習過程學生將形成良好的習慣，提高解決復雜問題的能力。

線下教學主要是針對化學化工專業的學生，雖然實驗課涉及的知識大多數情況是驗證理論課已經講過的知識，但是針對實驗內容仍然需要再次進行引導學習，以加深學生對知識點以及實驗內容的理解，主要是在仿真實驗前進行講解，同時針對化學化工類學生開設的虛仿實驗大都較為復雜，需要介紹一些設備的使用方法如高壓釜、氣瓶、閥體等，如何進行計算機操作，以及實驗流程的簡單介紹。對于化工類實驗如精餾塔單元、吸收解析單元、固定床單元等虛擬仿真實驗，以獨立或合作形式進行，包括設備開車、調節、分散控制系統(DCS)、各工段整合、故障排查等一整套化工生產操作的仿真[16]，在形象、直觀的仿真操作過程中有效加強對化工生產過程中倉儲、輸送、反應、分離、控制等必要知識的掌握和理解，并要求學生提交工藝流程圖。

2 平臺搭建

2.1 化學化工虛擬仿真實驗教學平臺架構

實驗平臺是根據目前教師與學生的需求形成的集合虛擬仿真資源、多種學習資源、師生互動的集約化平臺，平臺主要通過服務器向全社會開放，如圖2所示為平臺架構圖。登陸實驗平臺的角色分別有管理員、教師、學生。管理員的主要任務是上傳虛擬仿真實驗資源以及相關教學資源，進行后臺管理，時刻檢測平臺是否受到網絡攻擊，保證平臺安全平穩的運行，修改網站等。教師能夠在平臺上組建班級，上傳課件、發放試卷、發放通知公告、答疑、查看學生學習進度、學習時長以及實驗報告等，將學生進行分組發放不同實驗內容，對不同專業學生能夠做到實驗的“私人定制”。學生能夠隨時隨地進行學習，根據興趣選做實驗、設計實驗，在平臺上查看自動生成的實驗報告，查看每一步得分情況，也可以向老師提問并查看班級通知公告等。

圖2 化學化工虛擬仿真實驗教學平臺架構圖

2.2 化學化工虛擬仿真實驗教學平臺

化學化工虛擬仿真實驗平臺的內容與教學體系是相一致的，根據教學體系需要建立了不同模塊，如圖3所示，為化學化工虛擬仿真實驗平臺首頁，主要有知識點模塊、理論學習以及仿真學習三個部分，通過掃描圖中二維碼能夠在手機等移動端進行知識點學習、完成課堂測驗以及答疑的功能。導航部分為資源管理、通知公告、機構管理、學習記錄、學習統計、綜合統計。如圖4所示為實驗安全知識點模塊，包括基本安全知識、個人安全防護、化學實驗室常用設備的使用、實驗室廢棄物品的處理等，目前仍在更新安全知識的內容，使之更加完善。

圖3 化學化工虛擬仿真實驗教學平臺首頁

圖4 安全知識

3 虛擬仿真資源

3.1 虛擬仿真資源建設

為積極響應教育部《關于2017–2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》(教高廳[2017] 4號)[17]和教育部《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》(教高函[2018] 5號)[18]，天津大學化學化工國家級虛擬仿真中心于2018年新增加“綠色合成香豆素衍生物的虛擬仿真實驗”，2019年新增“加壓氫化反應的虛擬仿真實驗”，目前該實驗為市級虛擬仿真教學項目，正在參評國家級虛擬仿真項目，2019年“化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心開放性平臺建設”校級教改立項，同時于2018年6月邀請其他高校專家加入教學指導委員會，指導中心工作，并多次召開會議組織選題，建設虛擬仿真實驗項目，豐富虛擬仿真實驗內容。

3.2 虛擬仿真實驗資源

結合中心教師多年的實驗教學經驗以及本校化學化工實驗特色，與軟件公司合作開發多項虛擬仿真實驗。在實驗內容上，首先該實驗技術方法要有實用性，如：3D精餾塔單元、加壓氫化反應的虛擬仿真實驗、固定床單元等，這些在石油化工、精細化工、有機及藥物合成、高分子化學、材料科學等領域都有廣泛應用。其次在多種實驗方法中選取反應收率高、原子經濟性高、污染少、滿足綠色化學要求的實驗方法。第三，需要滿足教育部對虛擬仿真實驗的要求“能實不虛”，如：綠色合成香豆素衍生物實驗因其實驗周期長難以在真實實驗中開展，大型和貴重儀器做成虛擬仿真實驗，學生能夠完全透視儀器結構、拆卸儀器，不必擔心昂貴的設備維護費用。第四，將國家先進技術有特色的代表性實驗，以及一些大型、綜合、全方位鍛煉學生綜合能力的實驗作為虛擬仿真資源建設的重點，如加壓氫化虛擬仿真實驗是基于三位諾貝爾獎獲得者 Paul Sabatier、Geoffrey Wilkinson、Ryōji Noyori (野依良治)的工作，具有典型性。

如表1所示，虛擬仿真實驗內容按照學科分類進行劃分，目前共59項項目，其中化學單元實驗內容較為簡單，主要是針對學生預習以及初步學習化學實驗的社會人員，同時為應對如本次疫情在內的無法開課的突發情況，其他實驗資源均用于虛擬仿真實驗教育，同時實驗資源將隨各個學科建設不斷更新與完善。

表1 虛擬仿真實驗內容

3.3 虛擬仿真資源特點

虛擬仿真中心虛擬資源在形式上具有單人、多人不同角色的操作模式，并多使用形象生動的卡通形象，讓實驗過程變得生動起來。在真實實驗中往往只能設定好實驗條件，讓學生們重復實驗過程，這樣限制了學生們的自主性，為此設計實驗內容時選用多種實驗條件供學生們選擇，如催化氫化光學活性N-乙酰苯丙氨酸乙酯實驗，可以從催化劑濃度、反應原料濃度、氫氣壓力、乙酸配體濃度、反應時間這五個影響因素中任選其一進行實驗。在評價系統上，傳統教學對學生實驗過程很難給出分數，大多通過實驗結果的好壞判定整個實驗做的是否成功，這樣評定的結果有一定的不準確性，故在實驗設計時要求將實驗成績隨時顯示在頁面頂部，方便學生時刻判斷自己的操作是否正確，自動生成實驗報告，實驗步驟中錯誤的部分在最終實驗報告中體現，實現實驗過程系統化、清晰化。

4 化學化工虛擬仿真實驗教學平臺的應用

化學化工虛擬仿真平臺網址為：http：//ccelab.tju.edu.cn/sas。根據后臺數據顯示，已有 48250人次使用過該平臺學習。本校師生已連續三年使用該平臺進行實驗學習，前兩年由于硬件條件如服務器、機房等不夠完善，主要由應用化學專業學生學習使用化工類虛擬仿真實驗，解決化工廠禁止學習參觀實習的問題，通過高度還原的仿真場景(仿真度 90%)，熟悉了化工生產流程，并能準確繪制出生產工藝流程，2019年開始硬件設備逐步完善，涉化專業共21個班級1583人在線使用仿真軟件進行學習，學生的實驗數據均能在后臺記錄統計，為教師修改教學環節提供了科學的數據支撐，如通過數據分析學生的實驗操作類實驗成績平均84分，低于實驗設計類實驗91分，故在今后的教學中將加重操作型實驗的訓練。

根據隨堂詢問學生對該平臺的評價，及在虛擬仿真實驗平臺中評價模塊的留言(圖5)，可以得出以下結論：學生對于虛擬仿真的實驗形式積極性較高，對軟件整體的仿真度以及流暢性評價較高，但在實驗操作及實驗內容上存在問題，實驗操作上主要是對于一些需要準確定位、部件過小、儀器過多的實驗，學生存在找不到或難以轉換到合適視角的問題，因此在這些實驗步驟上將采取自動切換視角的方式進行解決，實驗內容上主要是目前的虛擬仿真資源無法滿足學生對于實驗探索的需求，在后續建設中將征求廣大師生的需求不斷擴充仿真資源。

圖5 學生評價

5 結語

化學化工虛擬仿真平臺的建設為本科教學提供了更多的可能性，填補了“高危、高壓、易制爆易制毒、高造價”實驗在本科教學中的空白，系統地引導學生進行實驗學習，為實驗教學的高效開展提供了新的思路與方法。但目前仍有以下問題亟需解決：

(1) 師資力量不足。實驗內容隨著學科發展不斷豐富，而培訓教授及在線服務人員有限，使得一些虛擬仿真實驗無法在本科教學中廣泛開展，為此中心將定期開展培訓工作，使更多教師及教輔人員學習虛擬仿真實驗技術，為虛擬仿真實驗在實驗教學中廣泛開展打好基礎；

(2) 建設模塊化的虛擬仿真實驗。將實驗項目進行模塊化、可移植化設計，構建綜合型實驗項目，從實驗試劑配制到選擇合適方法進行實驗，得到產物，再到化工原料生產加工，最后對過程中產生的廢液、廢渣進行綠色處理，這一綜合型實驗項目將是今后努力的方向；

(3) 擴大平臺受益人群。積極參加全國性虛擬仿真交流討論活動，邀請校企同行專家前來參觀指導。讓更多校內外師生及社會人士能夠從中收益，并進行積極推廣，輻射全國高校。