虛擬仿真技術(shù)在化工專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

傅華　陳曉霞

摘 要：由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們對教育的重視程度提高，虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)過程中的運用越來越廣泛。在化工專業(yè)實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以使教學(xué)過程更加生動有趣，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維以及實踐能力方面具有十分重要的作用。因此，首先介紹了虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用背景，其次分析了在化工專業(yè)實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的意義，再次闡述了虛擬仿真技術(shù)在化工專業(yè)實踐教學(xué)中應(yīng)用的問題，最后全面分析了虛擬仿真技術(shù)在不同化工專業(yè)實踐課程中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；化工專業(yè)；實踐教學(xué)

職業(yè)院校化工專業(yè)許多專業(yè)課程的實踐性與應(yīng)用性非常強，因此，在實踐教學(xué)過程中著重培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力至關(guān)重要。但是，目前化工專業(yè)的實踐教學(xué)還存在許多問題，比如部分實驗因存在安全風(fēng)險或能源消耗過多等問題而難以進行；由于一些化工企業(yè)禁止化工專業(yè)的實習(xí)生動手操作，學(xué)生的實習(xí)效果不佳；企業(yè)因?qū)嵺`資源不足而不接收化工專業(yè)的實習(xí)生，導(dǎo)致化工專業(yè)學(xué)生的實踐鍛煉機會大大減少，實踐教學(xué)起不到實際效用。在教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)模擬真實的實踐過程，可以在避免部分安全風(fēng)險的同時強化學(xué)生的實踐操作能力。

1?虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用背景

我國高度重視職業(yè)技術(shù)教育，尤其是對一些應(yīng)用型學(xué)科，鼓勵職業(yè)院校培養(yǎng)更多社會以及化工企業(yè)需要的應(yīng)用型人才，順應(yīng)職業(yè)教育信息化時代的潮流，鼓勵使用虛擬仿真技術(shù)等現(xiàn)代教育技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的獨立操作能力和實踐創(chuàng)新能力。在化工專業(yè)課程中，實踐操作類課程必不可少，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)對化工專業(yè)的實踐教學(xué)具有明顯的效果，借助虛擬仿真技術(shù)模擬實際操作過程能讓學(xué)生身臨其境，幫助學(xué)生更快適應(yīng)化工企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。

2?在化工專業(yè)實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的重要意義

虛擬仿真技術(shù)就是通過一些技術(shù)手段對另一個真實的系統(tǒng)進行模仿，即在現(xiàn)實生活中通過計算機系統(tǒng)體驗虛擬世界。虛擬仿真可以模仿人們已知或未知的世界，使用者可以憑借各種感官感知虛擬世界。在化工實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)、創(chuàng)建虛擬仿真訓(xùn)練實驗室，可以讓學(xué)生更加直觀地看到清晰的化學(xué)操作過程，教師也可以利用這種靈活、先進的教學(xué)方法將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和注意力轉(zhuǎn)移到課堂中，并且提高學(xué)生的工程設(shè)計能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識與工程思維。給予學(xué)生動手實踐操作的機會，可以讓學(xué)生更加了解和熟悉化工行業(yè)的生產(chǎn)過程，將知識變得更加具體形象，方便學(xué)生記憶，這對實踐教學(xué)具有重要意義[1]。

2.1? 提供個性化實踐教學(xué)，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

在實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢之一就是教師可以采用個性化的教學(xué)方案、學(xué)生可以定制更有興趣的實驗方案，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)功能，讓學(xué)生真正掌握實驗技能。另外，互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展也進一步加快了虛擬仿真技術(shù)在化工實踐教學(xué)中的應(yīng)用步伐，使虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用不再受空間和時間的限制，這不僅在一定程度上提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)和實驗研究效率，還提高了教師實踐教學(xué)的質(zhì)量，讓每個學(xué)生都能做自己感興趣并且對自己有幫助的實驗，給學(xué)生帶來良好的實踐體驗，讓學(xué)生在親自動手操作的過程中提高自己的實踐創(chuàng)新能力。

2.2? 突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)資源的限制，實現(xiàn)綠色教學(xué)

虛擬仿真技術(shù)在化工專業(yè)實踐教學(xué)過程中的應(yīng)用可以幫助教師和學(xué)生突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)資源的限制，同時可以實現(xiàn)綠色教學(xué)。在實踐教學(xué)過程中，教師往往會用到很多大型化學(xué)實驗儀器設(shè)備。例如在進行藥物分析實驗的實踐教學(xué)中，經(jīng)常會用到高效液相色譜儀、核磁共振分析儀、質(zhì)譜儀、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等。由于這些大型儀器非常昂貴且實驗運行成本也非常高，不能使每個學(xué)生都有操作機會。另外，在藥物化學(xué)實驗過程中常常會用到一些有毒或有害化學(xué)試劑，稍有不慎就會對學(xué)生造成危害；實驗產(chǎn)生的垃圾處理成本也非常高，并且會對環(huán)境造成一定的污染。若在化工實踐教學(xué)中適當(dāng)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，不僅能突破時間與空間的限制，大大降低實驗成本，還可以消除化學(xué)實驗對學(xué)生的安全隱患，減少對環(huán)境的污染，充分實現(xiàn)綠色教學(xué)。

2.3? 使實踐課堂充滿趣味，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

在傳統(tǒng)的實踐教學(xué)過程中，教師通常采用現(xiàn)場講解化學(xué)操作實驗過程的教學(xué)方法，學(xué)生很少有動手操作的機會。在實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可通過模擬真實的實驗操作，讓學(xué)生對化學(xué)實驗的操作過程產(chǎn)生切身的感受，豐富動畫和音頻效果，使學(xué)生更快樂地學(xué)習(xí)化學(xué)相關(guān)知識和化學(xué)實驗操作技能，增加化工專業(yè)實踐教學(xué)的趣味性，充分激發(fā)學(xué)生對化學(xué)知識的求知欲以及對實驗操作的好奇心，使學(xué)生掌握化學(xué)實驗操作技能[2]。

3?化工專業(yè)實踐教學(xué)過程中存在的問題

化工專業(yè)除了要讓學(xué)生掌握扎實的理論知識，還需要學(xué)生掌握一些基本的實驗技能與操作技巧。由于化工專業(yè)課程具有非常強的實踐性與應(yīng)用性，其培養(yǎng)重點是提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，而化學(xué)實驗架起了知識理論與實踐操作的重要橋梁。由于近年來化工產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，化工產(chǎn)品的種類和數(shù)量不斷增加，其中不免有反應(yīng)性和毒性較強的化學(xué)物質(zhì)，這給化工生產(chǎn)帶來了很大的安全風(fēng)險。為了更好地保障化工生產(chǎn)人員的人身安全，進一步降低化工安全事故的發(fā)生概率，很多化工操作已經(jīng)高度自動化，減少了很多人工操作的環(huán)節(jié)。考慮到生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)過程的自動化，很多企業(yè)會拒絕實習(xí)生到化工現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)，即使去了也鮮有機會動手操作，難以提高他們的動手操作能力和實踐應(yīng)用能力。

3.1? 教師的實踐教學(xué)專業(yè)素養(yǎng)和實踐經(jīng)驗不足，難以滿足人才培養(yǎng)要求

在實踐教學(xué)過程中，利用一定的現(xiàn)代化多媒體教學(xué)手段對推動化工專業(yè)的實踐教學(xué)有積極影響。由于教師缺乏實踐教學(xué)專業(yè)素養(yǎng)和實踐經(jīng)驗，對化工行業(yè)中的技術(shù)更新與發(fā)展了解得不全面，工程技術(shù)和化工實踐能力不足，未能構(gòu)建完整的化學(xué)知識結(jié)構(gòu)體系、發(fā)揮實踐教學(xué)的最大作用，所以培養(yǎng)的化工專業(yè)人才不符合化工類企業(yè)對人才的真正要求。由于缺乏對人才培養(yǎng)要求的把握，在實踐教學(xué)中制定的課程教學(xué)目標會很難實現(xiàn)，不能滿足學(xué)生化工實踐能力培養(yǎng)的要求。

3.2? 實驗條件不足，存在安全風(fēng)險

目前，很多工科院校的專業(yè)實踐課程仍然受到實驗場地、辦學(xué)經(jīng)費以及實驗成本的限制。例如在實驗室合成藥物時，學(xué)校只配備了一些簡單的玻璃儀器裝置，學(xué)生只能完成條件簡單的實驗，與實際的藥物生產(chǎn)有較大差距，不能滿足化工企業(yè)對應(yīng)用技術(shù)型人才的真正需求。近年來，隨著學(xué)校實驗規(guī)模的不斷擴大，實驗成本逐漸增加，加上實驗條件不足，在開展部分藥物實驗時容易造成環(huán)境污染。在實驗過程中，還有可能會用到許多易爆炸、易燃燒、腐蝕性較強的化學(xué)藥劑，若是使用不當(dāng)，很有可能發(fā)生爆炸等嚴重事故，威脅師生安全，也對學(xué)校造成一定的財產(chǎn)損失[3]。

3.3? 實踐教學(xué)內(nèi)容不夠豐富，阻礙學(xué)生的全面發(fā)展

雖然化工專業(yè)課程中有相當(dāng)豐富的實踐內(nèi)容，但是學(xué)生在實驗課程中只能學(xué)到一些簡單的操作方法和技能，很難全面掌握化工生產(chǎn)過程中的知識與操作技能，全面發(fā)展受到阻礙。

4?虛擬仿真技術(shù)在不同化工專業(yè)實踐課程中的應(yīng)用

隨著科技的進步，很多學(xué)校和專業(yè)開始在實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，特別是在實踐性和應(yīng)用性比較強的化工專業(yè)，對虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用越來越多。由于化工專業(yè)涉及的知識比較抽象且范圍較廣，傳統(tǒng)的教學(xué)過程比較枯燥，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到化工專業(yè)實踐教學(xué)中非常有必要。

4.1? 在原理教學(xué)中的應(yīng)用

在化工實踐課程中，由于涉及的裝置設(shè)備較大、運行時間長、維修費用高，不利于提升實踐教學(xué)的效果。因此，教師可以在實踐教學(xué)中利用虛擬仿真技術(shù)，參考實際化工生產(chǎn)中的設(shè)備和流程，模擬生產(chǎn)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，為學(xué)生創(chuàng)建一個真實的化工環(huán)境，這樣不僅可以減少環(huán)境污染和原料消耗，還可以強化學(xué)生的動手操作能力、理論聯(lián)系實際的能力。另外，學(xué)校可以建立化工實踐教學(xué)資源庫，利用2D和3D動畫以及仿真實訓(xùn)操作軟件等教學(xué)資源，在教學(xué)過程中生動形象地演示反應(yīng)器的工作原理，輔助化工實踐教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，提高實踐教學(xué)效果。教學(xué)資源庫的內(nèi)容如表1所示。

4.2? 在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

在實驗教學(xué)中，充分應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以豐富實驗教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過程中，教師要認真篩選虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，將其作為真實實驗課程的重要補充，最大限度地完善化工專業(yè)教學(xué)體系。比如在開展二氧化碳的吸收與解析、精餾綜合拓展實驗以及化工流動過程綜合實驗時，利用3D虛擬仿真技術(shù)，將真實的數(shù)據(jù)庫作為實驗依據(jù)，最大限度地模擬真實的設(shè)備操作過程，使最后的仿真實驗結(jié)果無限接近真實的實驗結(jié)果。此外，仿真操作更容易改變實驗條件，獲取實驗結(jié)果和驗證課本結(jié)論的速度也更快。合理設(shè)置3D仿真實驗可以豐富實踐教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生的實踐操作能力和化工理論掌握程度。

4.3? 在化工實習(xí)中的應(yīng)用

由于化工專業(yè)的實踐性、操作性比較強，多數(shù)院校的化工專業(yè)都會安排學(xué)生進行定期實習(xí)，一般是由本專業(yè)的教師親自帶領(lǐng)學(xué)生進入化工企業(yè)觀摩實習(xí)。由于化工類企業(yè)環(huán)境和設(shè)備比較復(fù)雜，實習(xí)的學(xué)生只能觀看，而不能動手操作，只能看到化工設(shè)備以及操作的表象，不能真正理解其運行的實質(zhì)。在學(xué)生的實習(xí)過程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，可以最大限度地避免學(xué)生實踐操作機會少的問題，也能發(fā)揮實習(xí)對學(xué)生的真正作用。例如在學(xué)習(xí)煤制烯烴工藝時，教師可以借助虛擬仿真軟件進行實踐教學(xué)，利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機互動等技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建一個仿真教學(xué)系統(tǒng)，搭建一個虛擬仿真操作的獨立空間，讓學(xué)生在模擬仿真實習(xí)中獲得一定的現(xiàn)場化工實習(xí)經(jīng)驗[4]。另外，在合成氨的現(xiàn)場實習(xí)中，為了達到更好的實習(xí)效果，學(xué)生可以利用虛擬仿真技術(shù)先在校內(nèi)實習(xí)，借助3D仿真軟件了解合成氨氣的基本生產(chǎn)工藝，進一步鞏固氨工藝基礎(chǔ)知識，然后將問題帶到實習(xí)現(xiàn)場，加深對知識的印象。仿真模擬和真實實習(xí)相結(jié)合的模式可使實踐教學(xué)效果達到最佳。在實習(xí)過程中，讓學(xué)生對一些生產(chǎn)設(shè)備進行操作，能激發(fā)學(xué)生對化工工藝的學(xué)習(xí)熱情與興趣，使學(xué)生更深入地理解化工生產(chǎn)工藝及設(shè)備操作原理。同時，學(xué)生可以借助虛擬仿真技術(shù)模擬生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，提高學(xué)生處理生產(chǎn)工藝過程中突發(fā)事故的能力，從而達到最佳實習(xí)效果。

5?結(jié)語

化工專業(yè)特別注重教學(xué)的實踐性與應(yīng)用性，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式實驗條件不足，存在一定的安全風(fēng)險，且實踐教學(xué)內(nèi)容不夠豐富，阻礙了學(xué)生的全面發(fā)展，也無法滿足人才發(fā)展的真正需要。在化工專業(yè)實踐教學(xué)中應(yīng)用先進的虛擬仿真技術(shù)，可以在一定程度上彌補傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式的不足，實現(xiàn)實踐教學(xué)資源的整合，為開展更加個性化的實踐教學(xué)創(chuàng)造條件，進一步提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力與化工工藝應(yīng)用能力，突破傳統(tǒng)實踐教學(xué)的資源限制，充分實現(xiàn)綠色教學(xué)，同時可以增加實踐教學(xué)的趣味性，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣與熱情，使化工專業(yè)實踐教學(xué)效果達到最佳。

[參考文獻]

[1]聶麗蓉，盧明夏，李宗齊.虛擬仿真技術(shù)在化工與制藥類專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代鹽化工，2021（6）：120-121.

[2]劉海，姜國平，靳菲，等.虛擬仿真技術(shù)在化工專業(yè)本科實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].化學(xué)工程與裝備，2019（9）：285-288.

[3]王秀梅，劉丹丹，謝瓊妮，等.虛擬仿真技術(shù)在本科護理專業(yè)臨床接診病人實踐教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].廣西教育，2018（39）：181-182，188.

[4]吳鵬，何重璽，張立東，等.淺析虛擬仿真在化工專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2016（31）：78.

Research on the application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major

Fu Hua， Chen Xiaoxia

（Yixing Higher Vocational and Technical School， Yixing 214200， China）

Abstract：Due to the rapid development of science and technology and the increasing emphasis on education， the application of virtual simulation technology in practical teaching is becoming increasingly widespread. The application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering majors can make the teaching process more vivid and interesting， and plays a very important role in cultivating students innovative thinking and practical abilities. Therefore， the background of applying virtual simulation technology was first introduced， followed by an analysis of the significance of applying virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major. The problems in the application of virtual simulation technology in practical teaching of chemical engineering major were elaborated again， and finally， a comprehensive analysis of the application of virtual simulation technology in different practical courses of chemical engineering major was conducted.

Key words： virtual simulation technology; chemical engineering major; practical teaching