虛擬仿真技術在化工與制藥類專業實踐教學中的應用

聶麗蓉　盧明夏　李宗齊

關鍵詞：虛擬仿真;化工與制藥;實踐教學

化工與制藥工業屬于高新技術聚集領域，在國民經濟和社會發展中占有舉足輕重的地位[1]。據統計，我國擁有眾多化工與制藥類企業，雖然產業基礎好，但企業大多存在專業技術人才缺乏、工程知識薄弱等問題，成為制約企業發展的關鍵性因素。如何培養滿足企業需求、緊跟時代潮流、具有工程實踐技能的專業技術人才一直是理工類院校關注的焦點[2]。

近年來，為了滿足企業對人才的需求，在加強基礎理論教學的前提下，逐步改革實踐教學方法，比如加強實踐教學中心的建設，建立校內多媒體互動教學模式、校內實訓中心以及校企共建的實踐教學基地。傳統教學的局限性與實驗室建設規模不足，使教學質量面臨嚴峻挑戰。虛擬仿真技術的出現為教育工作者開辟了新的途徑。本研究以虛擬仿真技術在化工與制藥類專業實踐教學中的應用為例，探討虛擬仿真技術給課程實踐教學帶來的改變。

1 化工與制藥類專業實踐教學的現狀與不足

化工與制藥類專業要求學生掌握現代化學、化工、制藥基礎理論知識和基本實驗技能，能在化工、煉油、冶金、能源、輕工、醫藥和環保等領域和部門從事工程設計、技術開發、生產技術管理和科學研究等工作，具有極強的實踐性、應用性和工程性。實踐創新能力是化工與制藥類專業學生的培養重點，其中，實驗課程是溝通課程理論與實踐的主要手段。隨著化工產業的發展，生產過程中涉及的化學物質種類和數量繁多，很多物質都具有易燃性、反應性和毒性，造成了化工生產的安全風險。在化工生產過程中，大部分化學反應需要在比較苛刻（高溫、高壓）的條件下進行，因此，對生產過程安全隱患的控制更為嚴格。隨著生產規模的擴大，為了更好地保障人員的生命安全、避免發生生產安全事故，生產操作已逐步實現高度自動化，由人工手動操作的環節逐漸減少?？傊?，化工生產的安全性、規?；妥詣踊蛊髽I不愿意接納學生到現場觀摩實習，即使進入企業實習，也無法保證學生的工程能力和意識得到強化[3-4]。目前，在化工與制藥類專業中，很多專業課程實踐教學存在以下現狀。

1.1 傳統實驗耗時久，教學內容有限

化工與制藥類專業實踐內容豐富，但是在有限的實驗課時內，學生往往只能掌握一些基本操作方法和技能，很難全面、系統地學習化工生產過程中的工程知識，阻礙了學生拓寬視野、豐富專業知識。

1.2 教師工程素養參差不齊，教學效果難以保障

利用多媒體互動教學可以實現師生互動、打破傳統教學模式的局限，對推動化工與制藥類專業實踐教學有一定的積極作用。對于這種教學模式，優質的教學課件與教師的工程經驗或背景是影響教學效果的關鍵性因素。然而，大部分高校教師沒有工廠實踐經驗，在工程技術和產業實踐方面的能力和精力遠遠不夠，知識結構體系并不全面，可能并不完全了解化工行業的技術進展和企業對人才的真實需求，在實踐教學中很難實現課程教學目標，無法對學生予以有效指引、培養學生的工程實踐能力，不能滿足企業對工程技術人才的需求。

1.3 行業技術發展較快，實驗條件的升級嚴重滯后

目前，受到實驗場地、辦學經費、時間成本等因素的制約，大部分工科院校的專業實踐課程仍然限于實驗室小試規模。比如在藥物合成實驗中，僅依靠搭建玻璃儀器裝置，通過手動控制實驗條件合成簡單藥物，雖然能鍛煉學生的動手操作能力，但與工業化生產現狀相差甚遠，培養的學生不能良好地滿足企業發展對技術型人才的真正需求。將實驗規模擴大到中試水平，又會面臨實驗成本高、易造成污染、實驗場地不夠、實驗存在一定的安全風險等問題。

1.4 實驗環節多使用有機溶劑，安全隱患大

在實踐教學環節，可能要用到許多化學試劑，而這些化學試劑往往具有易爆炸、易燃燒、毒性大、腐蝕性和輻射等危險特性。如果使用不當，有可能引起灼傷和爆炸，造成人身傷害、財產損失和其他事故。

2 虛擬仿真技術在實踐教學中的應用優勢

虛擬仿真又稱模擬技術，是以計算機軟件及硬件為基礎，利用多種技術手段，以一個系統模仿另一個真實系統的技術，實際上是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。簡言之，虛擬仿真是對已知或未知世界的仿真，用戶可借助感覺器官等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互[5]。

針對傳統化學化工實踐教學中存在的一些問題，將虛擬仿真技術引入專業課程實踐教學中，建立虛擬仿真訓練實驗平臺，不僅可以使教學形式更加靈活、手段更新穎，有效激發學生的學習興趣，還可以使化學操作過程更加直觀和易于接受，同時有利于訓練學生的工程設計能力、培養學生的工程意識，使其具有工程思維。通過實際動手操作，學生可以更加熟悉工業生產的過程，知識更加具體化、形象化，教學內容更易掌握，具有一定的現實意義。

2.1 突破傳統實驗教學資源的限制，實現綠色實驗教學。

目前，在化學化工類專業實踐教學環節，大多需要用到一系列大型實驗儀器設備，比如在“藥物分析實驗”教學中，通常會用到紅外光譜儀、紫外分光光譜儀、高效液相色譜儀等。這些大型儀器更新換代快、費用昂貴、實驗運行成本高，難以保證每位學生都有操作儀器的機會。在“藥物化學實驗”課程中，常常使用有害試劑，產生一些實驗廢液、垃圾等，后期的處理成本高且不可避免地對環境造成嚴重污染。將虛擬仿真技術融入實踐教學中，不僅能打破時間與空間的限制、降低實驗成本，還有利于實現個性化教學、有效規避化學實驗中的各種安全隱患[6]。

2.2 提高實驗效率，培養學生的創新實踐能力

虛擬仿真實驗可通過在線學習功能，幫助學生快速掌握實驗研究的具體目標和實驗技術。此外，互聯網和相關技術的飛速發展，促進了虛擬仿真技術在實踐教學中的應用。遠程虛擬仿真實驗突破了物理空間的限制，大大提高了學習和研究效率，為實驗教學環節提供了強有力的支持。另外，虛擬仿真技術還可以實現個性化實踐教學，學生可以根據自己的興趣設計實驗方案，強化創新意識與能力。

2.3 提高實踐教學的趣味性，激發學生的學習熱情

傳統實踐教學主要采用線下實體教學的模式，以老師現場講演實驗過程為主，學生處于被動聽課的狀態。虛擬仿真技術結合了動畫和音頻的效果，模擬出真實的實驗操作過程，使學生在一種愉快的氛圍中學到知識，充分調動學生的學習積極性。

3 虛擬仿真技術在化工與制藥類專業實踐教學中的應用前景

近年來，虛擬仿真技術在實踐教學中的應用越來越廣泛，特別是化工與制藥類專業實踐課程?；づc制藥類專業課程涉及工程學、化學、藥學三大學科體系，具有較強的交叉性，知識點抽象且知識面比較廣，傳統實踐教學不僅容易使學生感到枯燥乏味，而且教師的授課難度大。因此，有必要探索虛擬仿真技術在化工與制藥類專業實踐教學中的應用。

3.1 在“化工原理”教學中的應用

作為化工與制藥類專業基礎課程，“化工原理”是多個化工操作單元的集合，實踐課程涉及的裝置設備較大、運行時間長、維修費用高，直接影響了教學效果。在實踐教學過程中，可以利用虛擬仿真，根據實際生產設備和流程，按照1∶1的比例進行建模，模擬生產中的流量、溫度、壓力等參數的變化情況，在無需實驗設備、不會造成污染、不消耗原料的前提下，給學生營造真實的化工生產環境，有利于培養學生理論聯系實際的能力。

3.2 在“藥物分析實驗”教學中的應用

“藥物分析實驗”也是藥學學科中相對獨立且不可或缺的一門實踐課程，非常注重理論與實踐相結合。虛擬仿真技術有利于構建“虛實結合”的教學模式，利用虛擬實驗室軟件，完成虛擬仿真實驗的練習操作，掌握相關實驗技巧。這種實驗模式的精確度較高，在避免使用有機試劑的基礎上，可以讓學生身臨其境地學習實驗知識。此外，學生還可以通過軟件查看自己的實驗操作，充分了解自己的知識弱點并及時糾正。

3.3 在“藥理學實驗”教學中的應用

相關院校探索了虛擬仿真技術在“藥理學實驗”教學中的應用。主要的教學目的是通過虛擬仿真實驗讓學生驗證已有的理論，幫助他們更直觀地學習相關藥物的藥理作用，還可以反復進行實驗操作，在提高學生實驗能力的同時，進一步鞏固理論知識[7]。

3.4 小結

將虛擬仿真技術應用到實踐教學中，不僅大大豐富了實驗教學內容，還可以提高實驗效率，規避實驗安全隱患，在有限的時間內，盡可能覆蓋理論課程中的學習內容和學習重點，完善相關專業的教學體系。

4 結語

化工與制藥類專業大多屬于交叉性學科專業，注重實踐性和創新性。傳統的實踐教學模式具有實驗資源匱乏、場地空間不夠、缺乏時代性等弊端。將虛擬仿真技術融入實踐教學中，充分利用其特點，結合課程實際教學需求，革新實踐教學模式，能在一定程度上彌補傳統教學模式的缺陷，整合教學資源，實現教學資源的互補。虛擬仿真技術的生動性和趣味性也為學生由被動學習轉變為主動學習提供了一條可行的路徑。