現代仿真技術在高校化工類專業教學中的應用研究

白錦川

酒泉職業技術學院 甘肅酒泉 735000

近年來,隨著我國高等教育改革的不斷深入發展,高校化工類專業人才培養必須予以高度重視。傳統的高校化工類專業教學模式,已經無法滿足于當下的教學需求,需要基于化工類專業的特色和實際情況,來創新教學手段,改善教學現狀。高校化工專業知識點較為復雜,學生在學習過程中有一定的難度,其涉及許多實驗教學內容,僅憑借課堂上的化工教學,很難幫助學生理解和操作,難以保障最終的教學效果。基于此,應當充分發揮現代仿真技術作用,將其引入高校化工類專業教學中,以直觀地向學生展示復雜而抽象的知識,將企業的真實生產場景通過現代信息技術搬到學校,搬到課堂,加深學生對真實生產畫面內容的理解,提高高校化工實訓課程教學的內在質量,實現教學效益最大化。

一、仿真技術的相關內容

仿真技術是一項綜合性技術,它涵蓋了多個學科的內容。在實際教學中仿真技術主要是通過系統模式發揮自己的作用,這種教學模式能夠對實際生活中的系統或者想象中的系統進行動態仿真模擬實驗與開發,將抽象的物質變得更加真實化和具體化。而且仿真技術還具有交互性、形象性等多種特征,在計算機信息技術的支持下,仿真技術還能夠實施有效的動態實驗,可利用三維立體模型來構建虛擬的仿真化學實驗室。在高校化工類專業中應用仿真技術,十分有必要,其不僅能夠避免化學實驗帶來的環境污染和資源浪費,還能夠為學生提供更多的實訓機會,有利于提升學生的動手操作能力。

仿真技術在化工類專業教學中的作用主要體現在以下幾個方面:一是能夠獲取概念。在化工概念教學過程中,利用仿真技術可用動畫的形式來為學生進行仿真模型實體運動狀況,有利于學生將抽象的課本知識轉化為動態的畫面進行記憶,方便學生進行深入理解;二是有利于激勵學生進行主動學習。利用就是計算機仿真技術來輔助學生進行化工實訓,能夠有效把控學生的學習狀況和進度,可予以學生良好的引導,幫助學生吸收教師傳授的知識,根據學生的實際情況來制訂適宜的實訓計劃;三是有利于實現化工訓練的智能化。利用仿真技術來進行實訓,有著較高的技術含量,能夠通過實訓數據來了解學生的實際學習情況,幫助學生提升自身綜合分析能力;四是有利于培養學生的創造性。在學生不斷實踐過程中,其能夠改進自身不足,尋找最佳的實訓方案[1]。

二、現階段高校化工類專業教學中存在的問題

現階段,在高校化工類專業教學過程中,還存在著一定的問題,有待于進一步解決,其問題主要表現在以下幾個方面:一是在化工類專業教學過程中,受辦學條件、實驗實訓條件等影響,教師未能將理論教學和實踐教學相結合,學生的學習態度過于被動,未能突出學生在學習中的主體地位,不利于全面培養企業行業所需的優秀化工技能型人才;二是受各種條件的限制,化工類專業實踐教學較為薄弱,化工類專業屬于專業性很強的工科學科,需要大量的動手實踐操作,需要在大量真實的環境中體會,一方面化工生產裝置體量都比較大,而且類別多樣,十分復雜,如若要采購所有的試驗設備,要求學校投入較大的資金,還要做好硬件、系統等維修服務,提供相應的場地,這對于學校來說難以實現;另一方面,化工操作條件較為嚴苛,學校難以為學生提供適宜的化學化工操作場所,而且化學化工操作也有一定的危險性,涉及易燃易爆、有毒有害的化學試劑,存在一定的安全風險,對操作環境也有著較大的影響;三是受客觀條件的限制,教師在展開實踐教學的時候,多采用小組合作實驗的方式來進行教學,這不利于培養學生的獨立實驗能力,難以達成良好的教學效果[2]。四是職業教育所倡導的產教融合、校企合作難以實現引企入校,受環境和安全因素,不可能將化工企業中試和小試裝置放置于校園內或實驗實訓中心。

三、現代仿真技術在高校化工類專業教學中的應用

(一)化學工藝教學中的應用

現代仿真技術在化學工藝教學中有著較好的應用效果。化學工藝是一種化學生產過程,其研究的是如何將化學原料加工成化工產品。化學生產過程涵蓋了多個知識點,包括但不限于化工生產的方法、原理,化工生產流程,化工生產設備等。在高校化工類專業教學過程中,化學工藝是其中重要組成部分,開課的目的是充實學生有關化學工藝的知識,為其他化工專業的學習奠定扎實基礎,增強學生的化工工程意識,提高學生的理論知識掌握水平,以便學生在日后能夠順利完成化工實踐工作。將現代仿真技術應用于化工工藝教學中,可將課本中靜態的知識變得動態化,借用DSC畫面來教授學生學習各類化學工藝的生產流程,使之獨立掌握操作方法,提升學生的自主學習能力,激發學生的學習興趣,強化學生的動手操作能力,以保障化學工藝教學質量[3]。

(二)儀器分析教學中的應用

儀器分析是高校化工教學過程中的重要組成部分,其屬于基礎必修課。在學習儀器分析知識的時候,學生不僅要掌握各類化工儀器的分析方法,了解其分析原理,將其應用于適宜的化學分析研究中,還要熟悉各類化工儀器的操作方式,對化工儀器本身結構有一定的了解。傳統的化工儀器分析課程教學,主要是由教師在課堂中進行講解,然后學生聽講做筆記。在多媒體教學技術發展下,大部分教師開始使用PPT來制作課件進行內容講解。一堂課的時間有限,并不長,但儀器分析課程的內容對實踐性要求比較高,僅僅是講解理論方面的內容,并不能讓學生充分掌握各類儀器的操作方式,也不利于學生對相關原理的理解,這不利于提高儀器分析教學水平。基于此,教師可以將現代仿真技術有效應用于儀器分析教學中,使用仿真技術來教授學生各類儀器的組成,強化學生對各類儀器的使用條件的記憶,讓書本中抽象的知識具象化,消除學生的畏難情緒,激發學生的學習積極性,提升學生的儀器分析能力。例如在“大學化學儀器分析”課程教學中的應用,尤其是在高成本的大型精密儀器教學中的應用,以掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)為例,兩臺儀器在教學中使用虛擬技術可以讓學生熟練儀器的操作流程和操作技巧,還能模擬對儀器進行拆卸,熟悉儀器的構造,進而能全面激發學生的興趣和愛好,為后期的科學研究也奠定良好的基礎。仿真技術的應用還能讓學生更加穩固的學習,知識掌握更加扎實。

(三)化工單元操作實驗課中的應用

在高校化工類專業教學中,化工單元操作實驗課是必不可少的一門課程。但許多學校因為場地限制、實驗設備限制而未開展,一般都是通過分組實驗模式來進行實驗教學,這雖然能夠達到一定的教學效果,但是無法鍛煉學生的獨立實驗能力,而且也不利于學生全面了解實驗過程中的每一個環節,部分化學裝置的使用也不到位。還有些學生在合作實驗的過程中,過于依賴其他同學,實驗狀態較為懈怠,并沒有親自動手嘗試,難以實現教學目標。將仿真技術應用于化工單元操作實驗課中,可幫助學生進行獨立的實驗操作,使之掌握各類化學裝置的使用方法,全面了解每一個操作過程,有利于提高學生的化學實驗能力[4]。

(四)化工綜合實訓項目中的應用

伴隨著自動化技術和計算機編程技術的開發,越來越多的化工自動化技術變成現實,很多化工企業技術改造和升級換代過程中大量引進化工自動化裝置,許多操作在化工中控室通過中、遠程操控完成,設備周圍的操作人員已經大量減少,與此同時提高了對從業者中控操作能力的提升。虛擬仿真技術恰好逆襲填補了高校化工專業人才培養中大型實訓裝置需要中控裝置的空白,讓一臺大型的綜合實訓裝置,既可以實現工藝流程學習和化工設備裝置學習,又掌握了現代化工中控室操作的需求。

(五)高溫高壓等特殊危險反應工藝實訓中的應用

化工生產過程普遍帶有易燃、易爆、高溫、高壓和易腐蝕等特點,在實驗實訓室完成這樣具有危險性質的實驗實訓顯然不太現實,虛擬仿真技術的應用,將復雜工藝和實驗技術變成實踐成為可能,學生可以通過虛擬仿真技術在線完成實驗項目,也可以通過改變溫度、壓力、配比、進料量等工藝參數,直觀感受不同工藝參數下反應過程的變化。

(六)職業健康和安全防護中的應用

運用模擬仿真技術進行化工企業職業健康和安全防護、現場取樣等各種場景的培訓,可以綜合提高企業工作人員職業防護能力和操作技巧和方法。在化工企業消防救援、應急處置、特種作業中,采用模擬仿真技術開展從業人員的教學培訓,通過模擬事故發生過程中容易發生的不同場景,讓所有受訓者在教學中進行直觀畫面感受,感性地認識到強化職業安全防護的重要性。比如在消防救援前,如何選擇穿戴救援衣物,選擇何種消防器材,消防救援的位置等;在現場取樣過程中,對不同的取樣位置和取樣品種,如何做好個人防護等;在應急處置現場,如何辨識危險源,如何選擇最佳的應急處置方法,應急處置的流程等;在動火、動土、受限空間、高空作業等特殊作業過程中,如何啟動作業證辦理到施工驗收完成等;模擬仿真技術可以在有限的資源和空間中,用最少的付出和成本,盡快提高學生的職業安全防護能力,最大化增強防護技巧,可以從學習者的一開始,糾正不良的職業習慣,為將來合格的從業者奠定良好的職業習慣和安全責任意識。

四、高校化工類專業實訓教學中的虛擬仿真技術應用

在高校化工類專業實訓教學過程中,可以有效應用虛擬仿真技術,其能夠通過真實模擬工廠各生產環節,來對學生進行實訓練習。既可以模擬工廠開工、停工和正常運行,也可以模擬工廠實際生產中遇到的各類緊急情況和應急處理,讓學生在保證安全的前提下果斷進行應急處理,這有利于提升學生的動手實踐能力。高校化工類專業教學重視理論教學和實踐教學的有效結合,學生在掌握扎實的理論基礎之后,才能將其有效運用于實踐操作中,正確操作實驗過程中的每一個步驟;而學生只有在動手實踐操作之后,才能更深入地了解理論知識中闡述的概念,并掌握化工生產的實際方法。

在高校化工類專業實訓教學過程中,應用虛擬仿真技術,需從以下幾個方面著手:一是在實施虛擬仿真實訓之前,要先為學生補充相關知識點。給學生留出一定的時間去熟悉化工生產的整個過程,了解其生產特點、生產流程、生產方式。對于生產中需要使用的設備進行詳細了解,需掌握其一般信息。學生還要對相關行業的發展實情有一定的認知,然后再利用虛擬仿真平臺來進行實訓。實訓前的知識儲備工作十分重要,學生要知道如何進入平臺,如何操作平臺中的各個模塊,要先學習實驗的相關工藝理論,配備適宜的生產設備,了解設備的操作方法,優化化工工藝流程。在具備這些知識之后,教師可讓學生按照要求來撰寫實訓報告,提出問題,用實訓的方式來解答問題[5]。

二是在進行虛擬仿真實訓的過程中,應當完成具體的化工實訓教學。虛擬仿真實訓有多種功能,既可以進行信息發布,與其他同學、教師進行交流,還可以將自己的實訓成果進行展示。學生可以利用電腦或是iPad等設備來遠程連接虛擬仿真實訓平臺,直接在線選擇功能,可使學生在三維虛擬仿真工廠中工作。學生應當根據自己的實際情況,選擇適宜的虛擬實驗。可在實訓平臺中進行學習,掌握相關安全生產知識,了解該實驗中所使用的化工設備結構、原理。實訓中會為學生設置多項任務,由學生來執行任務,這種方式能夠激發學生的斗志和興趣,好比游戲的闖關模式,具有趣味性,可促使學生自主地參與到實訓教學中。而且仿真軟件可以利用虛擬現實技術,來對物理設備、化工過程進行有效模擬,并配合真實仿真軟件,可模擬真實的化工過程。虛擬仿真的另外一個特點是,在任務完成過程中,科學合理地設置一些問題,可以在線完成問題解答,真正做到理論與實踐的相對應和相結合。利用DSC控制系統,最大的優點是可還原現場,讓學生仿佛身處于真實的化工工廠中工作,特別3D仿真技術應用,不同的設備位置和指示牌,整個實驗實訓過程就像進入真實車間,可使學生及早熟悉化工企業大環境。

三是在學生完成虛擬仿真實訓之后,虛擬仿真軟件可以將學生的操作實時數據進行有效采集,并對這些數據進行科學分析,然后在線發布學生的實訓報告。實訓系統會對學生的實驗情況進行考核,判斷學生是否達到標準要求,這實現了對學生實訓學習的量化要求,也有利于學生了解自己實驗過程中的不足,不斷地改進,可以促進學生化工實訓操作能力的提升[6]。

結語

總而言之,高校化工專業實踐教學受設備、安全、環境、成本等較多因素的限制,在化工類專業教學過程中,應當充分發揮虛擬仿真技術,提高化工類專業教學的效益,強化學生的動手實踐能力和拓展思維,大力保障教育教學質量。