虛擬仿真實驗項目助力線上教學*

原平方，張 偉，劉振鋒，陳改榮，苗 郁

(新鄉(xiāng)學院化學與材料工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

2020年初，一場突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情打亂了人們正常的工作、生活計劃，為了打贏這場疫情防控阻擊戰(zhàn)，切斷病毒傳播途徑，也為了保證廣大師生的健康，1月27日，教育部發(fā)布通知，決定推遲2020年春季學期開學時間[1]。同時，為了不耽誤學生的學習進度，教育部又于2月4日發(fā)布《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，要求各高校應(yīng)充分利用慕課、共享實驗平臺等在線教學資源，進行線上教學，保證疫情防控期間教學進度和教學質(zhì)量，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學”[2]。

開展線上教學是疫情防控背景下的一個不得已而為之的舉措，但對推動教育教學信息化建設(shè)有著積極作用，可以進一步提升教師運用先進信息技術(shù)的能力，改革課堂教學模式。虛擬仿真實驗不受時間空間的限制，可以讓學生隨時隨地學習訓練。因此，在疫情防控期間，利用好虛擬仿真實驗項目，可以助力線上教學的順利開展。

1 虛擬仿真實驗教學項目

1.1 虛擬仿真

當今社會虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它是運用信息技術(shù)來模擬真實世界，隨著科技的進步，虛擬仿真技術(shù)也在不斷地發(fā)展成熟[3]。大連理工大學是我國最早開始進行虛擬仿真教學系統(tǒng)建設(shè)的高校，通過與麻省理工學院合作，將網(wǎng)絡(luò)實驗室和真實實驗課程結(jié)合起來，取得了非常好的效果[4]。

1.2 虛擬仿真實驗教學項目

實驗教學在化工專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中具有舉足輕重的作用[5-6]。但是長久以來，由于一些化工操作工藝規(guī)模較大，化工專業(yè)的實驗教學效果一直受到安全、場地、資金等問題的制約[7-8]，學生的實踐能力得不到有效的鍛煉。虛擬仿真實驗教學項目的出現(xiàn)，解決了很多存在許久的問題，它可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，將真實環(huán)境中的易燃易爆、有毒有害的實驗通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)出來[9]，避免了學生暴露在危險的環(huán)境中，同時學生也得到了鍛煉。虛擬仿真實驗教學是新工科背景下化工實驗教學的一個發(fā)展趨勢，對培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的作用日益突出[10-11]。

1.3 虛擬仿真實驗項目操作

新鄉(xiāng)學院“煤制甲醇及烯烴半實物仿真實訓”項目將化工專業(yè)實驗和信息技術(shù)深度融合，利用半實物裝置及虛擬技術(shù)再現(xiàn)工廠環(huán)境，提供甲醇及烯烴生產(chǎn)場景。該項目2018年獲批河南省示范性虛擬仿真實驗教學項目立項建設(shè)，項目操作如下。

1.3.1 登 錄

首先登錄新鄉(xiāng)學院煤制甲醇及烯烴半實物仿真實訓項目網(wǎng)站(網(wǎng)址：http://hgxnfzzx.xxu.edu.cn/)，點擊下方的“我要做實驗”，即可開始進行實驗操作。

圖1 虛擬仿真實驗教學項目網(wǎng)站界面Fig.1 Website interface of virtual simulation experimental system

1.3.2 實驗操作

輸入網(wǎng)站提供的服務(wù)賬號和對應(yīng)密碼，即可打開仿真軟件，在操作界面依次選擇所需的工廠分類、裝置模型、培訓科目，點擊“啟動”，等待軟件啟動，出現(xiàn)DCS總貌圖。然后按照操作步驟進行操作。

圖2 操作過程示例Fig.2 Example of operation process

1.3.3 實驗評價

學生可以在操作界面實時查看操作步驟和每一步操作得分。

圖3 操作評分Fig.3 Operation evaluation

此外，項目還提供了常見化工設(shè)備動畫原理、帶控制點管道及儀表流程圖等內(nèi)容供學生學習；在答疑等互動環(huán)節(jié)，項目提供了系統(tǒng)內(nèi)置的交流界面，學生可以在線留言，教師不定時進行解答，也可以通過QQ、微信等社交軟件實時進行溝通。

2 虛擬仿真實驗助力線上教學

借助虛擬仿真實驗項目，真正實現(xiàn)了以學生為中心、以任務(wù)為驅(qū)動的啟發(fā)式教學模式，同時可以加強對教學和學習的“過程化”管理和監(jiān)控，引導學生主動參與、深入思考[12-14]。

2.1 助力《化工儀表及自動化》課程教學

煤制甲醇及烯烴半實物仿真實訓過程中，涵蓋了大型化工廠工藝流程控制方法的大部分主要理論知識點，學生可以在操作過程中加深對反饋、連鎖等概念的理解，同時鍛煉分程控制、PID參數(shù)設(shè)置等操作，對化工儀表、自動化控制有更加直觀的感受。

2.2 助力《化工設(shè)計》課程教學

《化工設(shè)計》課程主要是為了訓練學生具備工程意識，能夠進行較復雜的化工廠整體設(shè)計或是某一單元操作過程的較詳細設(shè)計。煤制甲醇及烯烴半實物仿真實訓項目中涉及分離、換熱、流體輸送、反應(yīng)器等主體單元，學生在進行實訓時，可以與課本所學理論知識進行對照。例如，項目中第6工段為甲醇精制工段，其中包含多個精餾塔，學生可以在操作過程中改變進料流量、回流比等操作參數(shù)，從而得到不同的產(chǎn)品?！痘ぴO(shè)計》課程中精餾塔單元設(shè)計，一般給出原料和產(chǎn)品指標，學生通過自行查閱資料，進行工藝設(shè)計，以往進行工藝參數(shù)驗證較為繁瑣，而利用虛擬仿真實驗教學項目中的精餾塔可以快速驗證，最終確定符合要求的工藝條件。

2.3 助力《化工原理》、《化工原理實驗》課程教學

《化工原理》課程主要包括流體靜力學、流體輸送(離心泵)、過濾、傳熱、吸收、精餾、萃取、干燥等知識點。我院在教學過程中將化工原理理論課與化工原理實驗有機結(jié)合起來，要求學生在課前預(yù)習時充分利用實驗設(shè)備，做到“心中有畫面”，課上加深認識，課后通過練習題和實驗鞏固驗證，從而增強學生學習的主觀能動性。

疫情期間，學生無法現(xiàn)場觀察實驗設(shè)備，虛擬仿真實驗項目解決了這一問題。學生可以根據(jù)自己的時間，自主安排預(yù)習進度，登錄虛擬仿真實驗教學項目網(wǎng)站，學習離心泵、換熱器、吸收塔等設(shè)備的動畫原理。這樣就使得理論課老師的授課更加有針對性，同時將來返校后可以縮短化工原理實驗課上教師的講授時間，只需要著重強調(diào)實物操作的安全注意事項即可。

2.4 助力《化工工藝學》課程教學

《化工工藝學》課程主要要求學生掌握合成氨、尿素、甲醇等化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝原理、操作條件，熟悉有關(guān)工藝流程以及主要設(shè)備結(jié)構(gòu)。煤制甲醇及烯烴半實物仿真實訓項目可以強化學生對工藝路線的理解，建立全流程概念，同時使學生對常用的化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作方法等有更深入的了解。

3 結(jié) 語

虛擬仿真實驗教學項目為線上教學提供了豐富的資源，在保證教學質(zhì)量標準不降低、過程評價不脫節(jié)、在線指導不間斷等方面發(fā)揮了重要作用。通過虛擬仿真實驗，可以強化學生的實踐能力，鍛煉創(chuàng)新思維，但是正如虛擬仿真實驗教學項目申報原則所要求的“能實不虛、虛實結(jié)合、相互補充”，再好的線上教學也無法替代傳統(tǒng)的線下教學，為了更加合理有效的發(fā)揮虛擬仿真實驗教學項目的作用，必須將線上和線下的教學資源有機結(jié)合起來，互相配合，共同在人才培養(yǎng)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。