“新工科”背景下虛擬仿真技術在化學實驗教學中的應用

陸素芬 黃秀香

摘要：本文論述了“新工科”背景下虛擬仿真技術在化學實驗教學中運用的意義。化學實驗教學是地方應用型高校人才培養的重要組成，直接影響著人才培養質量。仿真實訓中心是實驗教學的基礎保障之一，學校加強實訓中心硬件條件建設的同時，注重軟件建設，特別是把虛擬仿真實驗運用到化學實驗教學中作為提升實驗教學水平和質量的重要任務。虛擬仿真技術融入到化學實驗課主要體現為：彌補客觀條件不足，提高實驗教學質量;鍛煉學生現代信息化技術與化學實驗結合的應用能力; 擴展學生的發散思維，培養創新能力。由此，為推動化學實驗教學環節的改革，院校應當充分運用虛擬仿真實驗構建更加適合自身教學需要的教學體系。

關鍵詞：虛擬仿真技術 化學實驗 運用 新工科

Application of Virtual Simulation Technology in Chemical Experiment Teaching under the Background of "New Engineering"

LU Sufen ?HUANG Xiuxiang*

（College of Chemistry and Biology Engineering， Hechi University， Yizhou， Guangxi， 546300 China）

Abstract： This paper discusses the significance of virtual simulation technology in chemical experiment teaching under the background of "new engineering". Chemical experiment teaching is an important component of talent training in local applied universities， which has directly affected the quality of talent training. Simulation training center is one of the basic guarantees of experimental teaching. While strengthening the construction of hardware conditions of the training center， the school pays attention to software construction， especially the application of virtual simulation experiment to chemical experiment teaching as an important task to improve the level and quality of experimental teaching. The integration of virtual simulation technology into chemical experiment course is mainly reflected in： Making up for the lack of objective conditions and improving the quality of experiment teaching; Train students' application ability of the combination of modern information technology and chemical experiment; Expand students' divergent thinking and cultivate their innovative ability. Therefore， in order to promote the reform of chemical experiment teaching， colleges and universities should make full use of virtual simulation experiment to build a teaching system more suitable for their own teaching needs.

Key Words： Virtual simulation technology; Chemistry experiment; Application; New engineering

虛擬仿真技術作為一種最新的研究發展系統，最初用于武器作戰訓練，到20世紀80年代用于導彈研制，可以減少試飛數量^[1]。發展到今天，由于虛擬仿真技術在各領域中展現出獨特的優勢，越來越受到各行業的青睞，特別是高校都紛紛建起具有不同學科特色的虛擬仿真實驗室^[2-4]。“新工科”背景下，實踐能力、創新能力應用型人才的培養尤為重要，在化學實驗教學中如何將虛擬仿真技術融入教學中，充分發揮虛擬仿真技術在實驗教學的輔助作用，讓虛擬仿真技術與實踐教學有機融合^[5]，進一步提升整體教學質量。

1虛擬仿真技術在化學實驗教學中應用的意義

實驗教學是化學學科教學中最重要的環節之一，是學生實踐能力和創新能力培養的主要手段，傳統實驗具有真實、直觀等優點，但存在運行成本高，難以實現開放共享，同時由于受到空間和經費的不足，傳統的實驗教學形式和內容受到很大的限制。通過虛擬仿真實驗技術，對實驗室內不便開設的化學實驗，采用多媒體技術，構建虛擬結合的虛擬仿真系統，給學生提供理論認知與動手實踐的實驗環境，全面提高實驗效果。虛擬仿真實驗教學在培養學生觀察分析能力^[6]、創新能力起到積極的作用，在化學實驗室里無法完成的實驗借助虛擬仿真技術能在一定程度上解決一些實際的問題。

2虛擬仿真技術在化學實驗教學中應用的具體體現

2.1彌補客觀條件不足，提高實驗教學質量

化學實驗教學過程中，常常因為一些客觀因素，比如在防控措施有限的實驗室進行含有易燃易爆劇毒試劑的操作實驗^[7]，基于學生安全考慮，這些實驗沒有辦法開展。比如對氨基苯磺酰胺的制備，用到乙酰苯胺、氯磺酸、濃氨水、濃鹽酸、碳酸鈉等試劑，其中，氯磺酸屬于國家管控的危險品，有強腐蝕性、強刺激性，其蒸汽對粘膜和呼吸道有明顯刺激作用，液體可灼傷皮膚。因此，在學生了解實驗目的，掌握實驗原理、實驗流程、使用的儀器設備基礎上用虛擬仿真實驗代替，給學生展示整個動態的實驗過程，同時，學生可以在電腦端進行實驗操作，既能夠讓學生充分了解實驗基礎理論知識和操作方法流程，又能夠避免對學生健康的傷害和后續含氯磺酸廢液的處理。

2.2鍛煉學生現代信息化技術與化學實驗結合的應用能力

通過虛擬仿真實驗將抽象概念轉化為直觀立體圖形并展開實驗^[8]，學生能夠掌握專業相關設備的運行原理及操作過程，學會不同設備反應類型的操作原理，并能結合半實體設備親自操作各生產流程中的參數，提高學生的專業興趣和實際操作能力^{[9- 10]}。比如在聚丙烯生產加工生產虛擬仿真實驗教學中，借助于先進的虛擬現實及現代信息技術手段，以逼真的半實物造型構建虛擬的聚丙烯生產中心、反應釜、閥門儀等先進加工設備與測試儀器。通過對半實體和軟件操作的相互結合，使學生身臨其境理解與掌握實際聚丙烯生產的有關理論知識。在此基礎上，通過生產過程反應釜中反應條件的實際測量與反饋，深入理解聚丙烯生產的原理與過程，實現現代信息傳感技術、大數據、人工智能等知識點的覆蓋，以及對于虛擬生產的過程狀態的感知。從實驗準備到生產工藝路線制定，從生產過程中關鍵參數的設定到反應釜中運行情況，在最短時間內完成了工廠反應實驗所不能完成的實驗內容，讓每一位學生模擬操作與經歷了一次完整的聚丙烯生產過程與檢測，深入感知智能制造過程及現代信息技術及大數據等知識在生產過程中的應用與體現。在虛擬實驗操作過程中，以實際應用為目的，強調關鍵步驟和注意事項，使學生在按照實驗要求完成實驗設計的同時將聚丙烯生產知識融會貫通，理論與技能并重，增強學生對生產過程中溫度、反應時間、停留時間等狀態和信息的感知，體驗生產系統的智能控制過程，為將來學生從事相關工作奠定良好的操作基礎。

2.3擴展學生的發散思維，培養創新能力

當代大學生求知欲非常強，興趣廣泛，尤其對電子產品頗感興趣，通過虛擬仿真實驗，學生可以在虛擬空間漫游，不斷地推敲、探索，并且可以接觸到新時代的教育手段^[11]。結合虛擬仿真教學后，實驗室課由相對單一課程、單一專業，轉變為跨專業、跨學科，符合當代學生們的學習方式。如在丙烯酸甲酯生產加工虛擬仿真實驗教學中，學生對影響反應過程的溫度、壓強、濃度、停留時間可以設定不同的參數，每一組參數狀態下會產生不同品質的產品，學生通過分析結果探求最佳的生產條件。通過一個實驗可以學習到化學、計算機、統計學等知識，提高學生多方位學習的能力。

此外，學生可以通過反復模擬全面深刻的認知和理解丙烯酸甲酯生產過程及多種關鍵技術^[12-13]。學生進行重復實驗可以鞏固所學理論知識，同時能夠逐步地理解與熟悉丙烯酸甲酯生產的操作流程，掌握儀器設備的操作以及專業軟件的使用方法，并對生產過程參數及狀態深入地理解和靈活運用。該教學模式使學生的綜合能力得到良好的訓練，調動學生學習的積極性和主動性，培養學生的創新思維能力。

3 結語

“新工科”建設對實踐能力提出了更高的要求，教育工作者應積極探索先進的教學手段順應新時代的需求，而虛擬仿真技術作為一種新的教學手段，能夠為本科教學提供了更多的可能性，填補了“高危、高壓、高造價”實驗在本科教學中的空白，通過“基礎知識講解+虛擬演示+虛擬實驗+創新實驗”的教學形式，不僅系統地引導學生進行實驗學習，同時也能夠為培養學生的應用能力、創新能力，為實驗教學的高效開展以及培養應用型人才提供教學保障。

參考文獻

[1] 顧銀芳， 苑士華， 李瑋， 等. 仿真技術的發展與展望[J]. 河北工業科技， 2000， 17 （5）： 36-39.

[2] 余國衛， 付文. 高校實驗室虛擬仿真教學平臺建設[J]. 科技資訊， 2019， 17 （34）： 231-232.

[3] 劉明武. 高職電力專業電力仿真綜合實訓示范中心內涵建設研究[J]. 文化創新比較研究， 2017， 1 （31）： 84-85.

[4] 賀占魁， 黃濤. 虛擬仿真實驗教學項目建設探索[J]. 實驗技術與管理， 2018， 35 （2）： 108-111，116.

[5] 劉利. 虛擬仿真技術視角下無機化學實驗教學的創新[J]. 化工管理， 2021，34（4）： 21-22.

[6] 應少明， 謝丹華， 黃劍華. 化學化工虛擬仿真實踐教學體系建設探索[J]. 實驗室科學， 2020， 23 （6）： 102-104.

[7] 蔡敏， 吳春燕. 有機化學實驗綠色化教學的改革與實踐[J]. 化工管理， 2020， 12 （34）： 9-10.

[8] 王衛國. 虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J]. 實驗室研究與探索， 2013， 32 （12）： 5-8.

[9] 王立萍. 線上線下深度融合的教學模式探究[J]. 科技創新導報， 2020， 17 （12）： 231-232.

[10] 黃學仁， 何坤歡， 汪雙雙， 等. 新興應用型高校化學實驗有效教學及評價體系的研究[J]. 決策探索（中）， 2019， 35 （7）： 22-23.

[11] 王萍， 張巖， 潘志娟. “新工科”背景下特色工科專業的差別化人才培養體系[J]. 紡織服裝教育， 2021， 36 （3）： 218-221.

[12] 郭婷， 楊樹國， 江永亨， 等. 虛擬仿真實驗教學項目建設與應用研究[J]. 實驗技術與管理， 2019， 36 （10）： 215-217，220.

[13] 張寧， 趙毅強， 蘭馗博， 等. “新工科”背景下關于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議[J]. 實驗技術與管理， 2020， 37 （3）： 185-188.