化工原理實驗中虛擬仿真實驗的應用

謝 偉

（鎮江高等職業技術學校，江蘇鎮江 212013）

近年來，隨著經濟發展的轉型升級和我國由高速發展轉向高質量發展，使得企業對各種專業性技能型綜合性人才的需求不斷上升。在這種環境下，各大高校在培養人才的過程中，不僅要關注學生對理論知識的學習掌握情況，還要注重培養學生的實踐能力，因為實踐能力是學生核心素養的重要組成部分。基于此，很多學校在組織學生學習專業知識的過程中，還會根據需要組織學生進行實驗學習。實驗學習不僅能夠幫助學生提高動手能力，還可以強化學生對理論知識的理解和掌握，促進學生個人綜合素養的全面提高。

化工原理專業課程教學過程中也需要進行大量實驗，這是化工原理課程教學的一個重要組成部分。通過相關的實驗教學，可以幫助學生對課堂上學習的理論知識進行深入理解和掌握，促進學生加深對理論知識的理解。不僅如此，實驗教學還可以提高學生的動手能力，強化學生進行科學研究的素養和能力，幫助學生形成良好的思維能力實踐能力和動手能力，提高學生解決實際問題的能力。近年來，隨著計算機技術的進一步發展，將虛擬仿真技術與化工原理實驗結合，可以將相關的實驗在對應的虛擬仿真平臺上進行再現，實現虛擬仿真實驗。

調研發現，當前很多高校在組織學生開展化工原理實驗時，基本上都是沿用傳統的分組實驗的模式，在這個過程中，由于學校的實驗場地和設備相對有限，加上師資力量的限制，很多學生需要進行小組合作，單個學生往往難以獨立完成實驗。部分情況下，由于設備或者場地不足，學生往往難以親自動手實驗，只能觀看老師演示或者其他學生實驗，再根據老師講解或根據自己觀察所得撰寫實驗報告。這種情況下，學生個人的實踐能力未能得到提高，學生對實驗內容的掌握非常有限，影響到學生對專業知識的掌握，不利于學生綜合素養的提高。

將虛擬仿真實驗引入化工原理實驗，可以有效解決這些問題。學生可以在計算機上進行虛擬實驗，其成本更低，而且能夠準確模擬真實實驗，因此可以有效訓練學生的實驗能力，提高學生對專業知識的理解，提高學生個人的綜合能力。

1 化工原理仿真實驗的內容

化工原理實驗教學的虛擬仿真，需要借助相應的虛擬仿真軟件和計算機平臺，按照真實實驗的具體參數和步驟，將實驗數字化技術在對應的微機上進行模擬再現，實驗能得到相應結果，還可以針對結果進行分析。為了達到最佳虛擬仿真效果，實驗過程中使用的數學模型必須經過多次論證，能夠全面準確模擬再現實驗的所有流程。在具體的實驗過程中，各個操作單元會設計對應的實驗界面，并準確全面再現了現實的實驗環境和設備，能夠讓人沉浸其中，帶給人強烈的真實感。實驗過程中，用戶主要通過鼠標進行操作，軟件會提供相應的輔助系統，為各種實驗準備了相關的內容和參數，還可以將實驗過程和結果進行全面記錄。不僅如此，實驗系統還采用了容錯技術，因此系統能夠達到良好的穩定性和安全性。

虛擬仿真實驗能夠實現對真實實驗的準確全面模擬再現，而且實驗過程中采用的參數都是按照真實實驗環境設計的，極具真實性和操作性。實驗過程中，系統會對學生采集得到的數據進行處理，并在相應的數學模型上進行數據處理，按照相關的擬合公式對數據進行繪圖或者其他操作，從而將其中的規律呈現出來，幫助學生進行學習理解，降低學生對實驗中理論知識的理解難度，促使學生對實驗內容形成深刻認識，達到良好的教學效果。

2 化工原理仿真實驗的特點

2.1 投資少維護方便，避免實驗事故發生

化工原理實驗的進行需要使用相應的設備和裝置，這些設備一般占地面積較大，而且比較昂貴。由于學生人數較多，很多情況下難以滿足每個學生單獨實驗的教學要求，因此只能將學生進行分組，然后以組為單位進行實驗。這種教學環境下，學生往往難以全面完全掌握相關的實驗內容，因此不利于學生對實驗內容和專業知識的學習理解，不利于學生個人實踐技能的提高。在仿真虛擬實驗的幫助下，學生在微機上就可以完整完成相關的實驗，而且其成本很低，只需要一臺計算機設備，因此能夠滿足學生單獨實驗的要求。不僅如此，在虛擬仿真環境下進行實驗，還可以有效避免真實實驗過程中的各種失誤或者操作不當引起的設備損壞，因此能夠達到更好的實驗效果，滿足學生的學習發展需要。如果學生操作不當，也不會造成實質性損壞，有利于減少設備損壞，減少實驗成本。

2.2 數據處理、結果分析方便快捷

傳統實驗環境下，學生在進行小組實驗的過程中，需要將相關的實驗數據進行記錄，然后將其代入相應的公式進行計算，這個過程比較繁瑣，學生還要根據計算結果繪制相關的圖像和曲線，因此需要花費很長時間才能完成實驗報告的撰寫。在虛擬仿真技術的幫助下，系統會自動記錄相關的實驗數據，并將數據代入具體的公式進行計算，進而得到相應的實驗結果，不僅如此，系統還會繪制相應的實驗曲線圖和圖表，能夠將實驗結果快速直觀體現出來，幫助學生真正理解相關的實驗內容，促進學生綜合素養的提高。

2.3 實驗操作簡便，工藝流程逼真，提高學生興趣

傳統實驗環境下，學生需要花費較長時間完成相關實驗內容，而且如果學生操作不當還會造成設備損壞，并影響到后續實驗的順利進行。在虛擬仿真實驗技術的幫助下，學生的操作更加簡便，而實驗結果可以在較短時間內得到，不僅如此，軟件具有容錯性，如果學生操作不當，系統會做出提示，可以幫助學生準確掌握實驗技巧。另一方面，虛擬仿真實驗可以多次重復進行，這可以幫助學生進行重復性實驗，幫助學生對自己理解不到位的地方進行復習和學習，提高學生的實驗實踐效果。

以傳熱單元操作為例，圖1 是傳熱實驗正常工作時的SCD 圖，主要設備參數隨操作過程發生與真實實驗一樣的變化。學生如同親臨實驗現場一般，提高了學生的實驗興趣，使課堂內容生動有趣。虛擬仿真實驗能夠真實全面再現相應的實驗過程和內容，幫助學生在平臺上觀察相關的實驗變化，激發學生的學習興趣，強化學生對相關理論知識的理解，有助于達到更好的實踐教學效果，提高學生個人的綜合素質。

圖1 傳熱實驗常態開車 DCS 界面

3 實施的現狀

實踐結果證實，在化工原理實驗教學過程中引入虛擬仿真實驗，可以滿足學生單獨實驗的要求，可以幫助學生獨立完成相關的實驗，幫助學生加深對實驗內容和相關專業知識的理解，還可以減少對設備和裝置的依賴，減少組織實驗教學的成本，提高教學效率。學生在虛擬仿真實驗環境下能夠完成多種實驗，可以幫助學生進行科學有效的實驗教學，促進學生對化工原理實驗的學習興趣，強化學生個人的學習效果。

不僅如此，虛擬仿真實驗還可以應用到部分特殊實驗中來，尤其是部分涉及高溫、高壓、高危的實驗內容，可以在虛擬平臺上進行實驗，減少成本投入，降低實驗風險，并取得較為理想的實驗結果。

將虛擬仿真技術應用到這些實驗的操作過程中，可以避免真實實驗過程中的成本投入，避免真實實驗過程中的危險，為研究人員帶來安全生動的實驗效果。不僅如此，在微機平臺上進行實驗，也可以達到良好的實驗效果，而且能夠減少對實驗設備的損壞，具有良好的實驗效果。

4 結束語

化工原理實驗課程采用虛擬仿真教學的新方法，將虛擬仿真實驗作為輔助手段，與傳統的分組實驗形式合理的結合，彌補了傳統分組實驗的不足，豐富了實驗教學的內容，提升了實驗教學的效果，使虛擬仿真實驗更好地服務于實驗教學任務。以培養應用型人才為核心的虛擬仿真實驗，與真實實驗相結合共同構筑了完整的化工原理實驗課程體系，為社會培養出更多具有高素質的應用型人才。