曹高 申東升 周臻

摘 要：隨著教育信息化的迅速發(fā)展，仿真模擬實驗以其新穎獨特的教學形式及相對于傳統(tǒng)實驗教學的優(yōu)勢，越來越受到各級教育行政部門和高校的重視。文章以廣東藥科大學為例，闡述了醫(yī)藥化工省級實驗教學示范中心在化學化工相關專業(yè)中開展仿真模擬實驗教學的經(jīng)驗。通過仿真模擬實驗教學項目的建設與應用，進一步豐富了示范中心的教學資源，對實驗教學質量的提高和實踐教學改革的深化都將產(chǎn)生積極的影響。

關鍵詞：仿真模擬實驗；實驗教學；化學化工

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）03-0038-04

隨著計算機信息技術的飛速發(fā)展，仿真模擬技術受到了前所未有的重視，已經(jīng)成為繼理論研究、實驗研究之后的第三大認知世界和科學研究的方式[1]。為落實國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的要求，仿真模擬技術在科學研究及教育教學領域中的應用正逐步深入。教育部近年來加強了對實驗教學信息化工作的宏觀指導，先后出臺了強有力的政策和措施：2012年3月，教育部印發(fā)了“教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）”；2013年3月，教育部出臺了“教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見”；同年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學示范中心的建設工作[2]；2016年2月，教育部辦公廳印發(fā)了“2016年教育信息化工作要點”，試點開展優(yōu)質虛擬仿真實驗項目資源庫的建設；2016年6月，教育部又下發(fā)了“教育信息化十三五規(guī)劃”，進一步確定了教育信息化的目標任務。各省市在2017年開始的“新工科”建設行動路線中，也越來越重視仿真模擬等創(chuàng)新工程實踐教學方式，不斷完善新工科人才“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”教育體系。

在我國高等教育規(guī)模不斷擴大的同時，高等學校需不斷推進各類實驗室的建設和升級改造，但傳統(tǒng)真實實驗室建設成本高，實驗設備和教學環(huán)境需要持續(xù)的經(jīng)費和人力投入進行維護，這給部分高校的財政及師資帶來不小的壓力，同時也難以保證實驗教學的效果；另一方面，傳統(tǒng)真實實驗教學模式存在一定的單一性、被動性等缺點，不利于新時期下學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。而仿真模擬實驗教學是傳統(tǒng)實驗教學的有益補充，它能夠優(yōu)化實驗教學資源，營造多樣化的教學環(huán)境，增強實驗教學的互動性，能有效克服真實環(huán)境中的諸多限制，營造更加安全的實驗教學氛圍，并能激發(fā)學生自主學習的積極性，對實驗教學質量的提高及應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)都具有積極的意義。

2015年10月，教育部、國家發(fā)展改革委、財政部聯(lián)合下發(fā)了“關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見”，明確提出要加強應用型、復合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。仿真模擬實驗教學的開展正是順應了教育信息化的發(fā)展趨勢和應用型人才培養(yǎng)的現(xiàn)實需要?；瘜W化工所涵蓋的專業(yè)如應用化學、化學工程與工藝、高分子材料與工程等都是典型的工科專業(yè)，也是典型的技術型、應用型專業(yè)，其對實驗及實踐教學的質量提出了更高的要求。廣東藥科大學醫(yī)藥化工學院抓住醫(yī)藥化工省級實驗教學示范中心建設的機遇，在上述專業(yè)的實驗、實踐教學中，引入仿真模擬實驗教學項目，積極培養(yǎng)學生的信息化能力和工程素養(yǎng)，為同類院校開展仿真模擬實驗教學提供一定的參考。

一、仿真模擬實驗教學的探索

（一）CSD數(shù)據(jù)庫及晶體結構軟件在立體化學分子搭建與模擬實驗教學中的應用

在化學化工專業(yè)必修科目“有機化學”課程中，分子的對映異構、構象異構和構型異構等立體異構的內(nèi)容，是教學過程中的重點和難點。在傳統(tǒng)的有機化學實驗教學中，安排了有機化合物分子模型搭建這一實驗，其目的就是通過搭建有機分子的球棍模型，加深對分子立體結構的理解。這一實驗通常是分發(fā)球棍模型在課后完成。但在實際的教學過程中，學生的積極性不高，教學效果欠佳，很多學生學完后對相關的概念仍是模糊不清。國外已有一些高校開展了一些分子水平上的仿真模擬實驗[4-5]，我們對這一實驗項目進行虛擬化改革，嘗試應用英國劍橋結構數(shù)據(jù)庫CSD（Cambridge Structural Database）及相關的免費三維可視化軟件Mercury、Encif于立體化學關于構型、構象、手性等概念的教學中[6]。CSD數(shù)據(jù)庫是劍橋晶體結構數(shù)據(jù)中心建立的基于X光和中子衍射實驗的小分子及金屬有機分子的結構數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫自1965年建立以來，到現(xiàn)在已經(jīng)收錄超過了80萬個分子結構數(shù)據(jù)。我們在龐大的CSD數(shù)據(jù)庫中檢索到有關雙鍵、環(huán)狀化合物的順反異構、手性中心R/S對映異構、船式、椅式構型等的典型實例，并結合使用相關的晶體結構軟件，可清楚地了解有機化合物分子中各原子的三維空間伸展情況，增加了立體化學教學的直觀性。

在實驗教學過程中，醫(yī)藥化工省級實驗教學示范中心一直強調(diào)要盡可能結合研究前沿的新內(nèi)容和新成果。在上述基礎上，我們從CSD數(shù)據(jù)庫中，又系統(tǒng)總結出含氮、磷的手性雜原子、軸手性、平面手性、螺旋手性、超分子手性等最新的一些不含手性碳原子的手性化合物及其絕對構型[7-8]，并同樣地應用到立體化學的虛擬實驗教學中，極大地加深了學生對手性概念的認識和理解。相對于機械化地搭建分子球棍模型，此類型的虛擬實驗教學更能吸引學生的學習興趣，對相關專業(yè)知識的理解更加深刻。

（二）ChemOffice在桌面化學實驗教學中的應用

化學化工專業(yè)的學生，在很多課程的學習及完成本科畢業(yè)論文的過程中，都會涉及分子式、反應式、反應裝置圖等的繪制。然而在實際教學過程中，卻沒有針對這一方面對學生進行專門的訓練，因而導致了相關的課程作業(yè)及畢業(yè)論文中，各類分子式、反應式書寫極不規(guī)范，學生沒能掌握必要的專業(yè)技能等問題。因此，我們利用省級實驗教學示范中心完備的多媒體及網(wǎng)絡教學的有利條件，在“有機化學”課程的實驗教學中專門開設了ChemOffice的應用這一實驗項目。

ChemOffice是美國劍橋公司出版的化學分析桌面套件，軟件包括ChemBioDraw、ChemBio 3D、ChemFinder、ChemBioDraw for Excel等模塊。其中的ChemBioDraw主要用于化學結構繪圖，ChemBio 3D可在分子水平上模擬和分析分子的立體構象，可用于設計化學模型，進行動力學模擬、化合物構象分析和過渡態(tài)能量最優(yōu)化等。

在該項目的實驗教學中，我們與學生詳細介紹繪制普通結構式、反應中間體、復雜環(huán)結構、Fischer投影式、Newman投影式、透視圖、立體化學結構式及反應式等的步驟和方法，講解ChemBioDraw的擴展功能，例如繪制薄層色譜圖、反應裝置圖、顯示分析信息及物理性質、預測NMR譜、結構式和命名互相轉換以及其與Word和ChemBio 3D的關聯(lián)等，然后在實驗課堂中布置繪制簡單分子式、官能團結構式、反應式和試驗裝置圖等練習，在課后繪制復雜分子結構式，化合物名稱與結構式轉化，3D圖形繪制，波譜解析，鍵長、鍵角、二面角、分子間距離、分子所在空間的計算等拓展練習。借助于ChemOffice仿真模擬實驗項目的教學實踐，使學生更好地掌握化學化工的專業(yè)知識與專業(yè)工具，實現(xiàn)了專業(yè)軟件與化學化工專業(yè)課程的相互融合。從實際的教學效果來看，ChemOffice桌面化學軟件的應用無論是對教師的課堂教學，還是對學生的課程學習、論文寫作以及科研參與，均能起到良好的效果。

（三）Origin軟件在化學化工實驗數(shù)據(jù)及圖表處理實驗教學中的應用

在化學化工相關的課程實驗，如“物理化學”“化工原理”，以及完成本科畢業(yè)論文過程中，經(jīng)常要處理批量的實驗數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進行整理和分析，然后用表格或圖形來表達，用以對實驗現(xiàn)象進行說明并做出科學的結論?，F(xiàn)今大量的實驗數(shù)據(jù)和圖形都可以通過計算機軟件如Excel＼Matlab＼Spss＼Origin等進行分析和處理，這已經(jīng)成為當代大學生必須掌握的知識和技能。但現(xiàn)行大多數(shù)培養(yǎng)方案的計算機課程中，對這一方面很少涉及。同時在實際的教學中我們也發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學生在進行化學實驗后，不會應用計算機軟件處理實驗數(shù)據(jù)、繪制結果圖等。因此，我們在學生專業(yè)實驗及生產(chǎn)實習開始前，利用實驗教學示范中心的平臺，在三個化學化工相關專業(yè)中統(tǒng)一開設了Origin軟件在實驗數(shù)據(jù)及圖表處理中的實驗教學項目。

Origin是美國OriginLab公司開發(fā)的數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件，其應用領域非常廣泛。該軟件的功能主要有數(shù)據(jù)分析和圖表繪制兩個方面。我們開設的Origin數(shù)據(jù)分析與處理實驗課程，第一課對軟件的基本界面、數(shù)據(jù)輸入和導入、二維圖形繪制做出詳細的說明，其中二維圖形的繪制是教學的重點，對簡單圖形繪制、添加誤差棒、文件及圖的保存、圖形觀察和數(shù)據(jù)讀取、多層圖形繪制都進行了詳細的解釋。第二課主要與學生講解函數(shù)擬合，包括Fitting 菜單工具擬合、非線性曲線和曲面擬合、自定義函數(shù)擬合以及擬合結果分析等教學內(nèi)容。

通過這一實驗項目的教學，不但能提高學生對實驗數(shù)據(jù)的分析處理能力，而且能深化學生對所學專業(yè)知識的理解，同時也提高了學生完成真實實驗的興趣。另一方面，提高學生的計算機應用水平，尤其是提高學生專業(yè)軟件的應用水平，也是實驗教學的一個重要內(nèi)容和目標，這樣能使學生較早地接觸到專業(yè)的科研工具，培養(yǎng)其初步的科研興趣及創(chuàng)新能力。

（四）AutoCAD/PIDCAD/AutoCAD Plant3D在化工工程設計實驗教學中的應用

化學工程與工藝、高分子材料與工程、應用化學專業(yè)都屬于工科專業(yè)，在這些專業(yè)的培養(yǎng)方案中，有一門基礎必修課程“工程制圖”常常因為師資等原因被一些地方非綜合性普通院校所忽視。實際上，在高等工科課程中，制圖是一門重要的基礎必修課。該課程主要培養(yǎng)學生繪制和閱讀工程圖樣的基本能力。近年來隨著計算機多媒體技術的發(fā)展，計算機繪圖已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的手工繪圖。我們在三個專業(yè)的工程制圖課程中，均開設了18個學時的上機實驗項目。AutoCAD是美國Autodesk公司設計的計算機輔助設計軟件，主要用于二維工程制圖和基本三維設計，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為使用的工程制圖軟件。在化學工程與工藝專業(yè)的專業(yè)課程“化工制圖”中，同樣開設了18個學時的上機實驗課程。在使用AutoCAD軟件的基礎上，我們引入了PIDCAD及AutoCAD Plant 3D的教學。PIDCAD是專為工程技術設計人員及高等院校師生設計的，用于化工工程設計、管道和儀表、工藝物料流程圖繪制的工具軟件。其多達600多項的功能，如在圖上添加設備、儀表、閥門、管件，以及添加管線、標示管線號、管內(nèi)介質流向等，都非常簡便快捷。而AutoCAD Plant 3D實驗教學的引入，使學生掌握了一定的三維繪圖的基礎。通過這些實驗項目的教學，學生除了掌握基本的制圖技能以外，還能較早地接觸工程思想，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，且對后續(xù)的“化工機械基礎”“化工設計”等課程都打下了堅實的基礎。

（五）Aspen Plus/PRO II的化工流程模擬與仿真實驗教學中的應用

化學化工學科是應用性、實踐性很強的學科，尤其是化工專業(yè)，與實際應用的結合比其他學科更加密切，因此化工專業(yè)的實踐教學至關重要[9]。一方面，為了提高實踐教學的質量，醫(yī)藥化工省級實驗教學示范中心已經(jīng)投資了近150萬元，建設了化工原理及化工專業(yè)實驗室，購置了機械能轉化、板式塔流體力學、雷諾演示實驗裝置，空氣—蒸汽給熱系數(shù)測定、篩板精餾塔、填料吸收塔、洞道干燥、流體力學綜合實驗裝置等多套化工專業(yè)實驗設備。這些實驗室的工藝設備龐大，資金投入大，利用率卻較低。

另一方面，化工實驗成本高，耗時較長等特點使得實驗室僅能開設一些小型的、簡單的驗證性實驗，這對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決工程實際問題的能力作用有限。利用信息化的仿真模擬教學手段把真實的化學工業(yè)過程展現(xiàn)給學生，能夠體現(xiàn)仿真模擬過程的先進性和優(yōu)越性，也能由淺入深，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)其綜合分析解決問題的能力。隨著實驗教學示范中心網(wǎng)絡機房的建設以及電腦在學生中普及率的提高，為使用模擬軟件進行輔助教學提供了條件。我們嘗試將Aspen Plus、PRO II等化工專業(yè)模擬軟件有目的、有步驟地引入到化工專業(yè)實踐課程的教學中。

Aspen Plus是化工行業(yè)公認的通用化工流程模擬軟件，它提供了全面的單元操作模塊，包括反應器、分離操作單元、換熱器等；同時它還提供了大量的物性數(shù)據(jù)，模型/流程分析功能、工程設計能力等。PROII軟件是由SIMSCI公司開發(fā)的大型流程模擬軟件，該軟件用數(shù)學模型對各個操作單元以及整個工藝流程進行描述和模擬，是一種可以將全流程視為一個整體的綜合性計算模擬軟件，它包含了巨大的化學組分庫和熱力學方法。因此，它在化學、石油、天然氣，合成燃料工業(yè)方面可提供復雜可靠的模擬功能。我們通過單元模型操作、過程系統(tǒng)模擬和化工廠設計3個階段的訓練，將這類仿真模擬軟件引入化工專業(yè)核心課程“化工原理”“化學反應工程”“化工熱力學”等的教學中，強化了化工專業(yè)核心課程體系的建設，可以使學生理論聯(lián)系實際，不僅能提高學生的學習興趣，促進學生動手解決工程實際問題的能力，還培養(yǎng)了學生使用計算機進行科學研究的技能，為日后從事實際的工程設計工作打下良好的基礎。作為此類仿真模擬實驗教學的成果，在近年舉行的一些設計大賽如“全國大學生化工設計競賽”中，我院化工專業(yè)的學生都取得了優(yōu)異的成績。