孫智慧，楊連利，張衛(wèi)紅

(咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

化工原理課程是化工、材料、制藥等專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其工程性和實踐性較強。該課程教學(xué)環(huán)節(jié)主要分為兩部分，即理論教學(xué)和實驗教學(xué)。其中化工原理實驗環(huán)節(jié)是在完成各單元操作理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上而開展的，可使學(xué)生進一步深刻理解和掌握典型化工單元操作中設(shè)備工作原理、操作過程及設(shè)計理念等。實驗課程的開展，可使學(xué)生更好地理解和掌握課堂上所學(xué)的枯燥無味的理論知識，同時有助于提高學(xué)生的動手操作能力和各項實驗技能，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維等[1]。

但是，隨著大學(xué)課程教學(xué)改革的深入，化工原理理論和實驗課時都出現(xiàn)下調(diào)現(xiàn)象，任課教師為確保所學(xué)理論體系的完整性，平均課時所學(xué)知識量加大，導(dǎo)致學(xué)生對所講內(nèi)容不能很好地理解并掌握，另外，由于實驗設(shè)備數(shù)量限制，學(xué)生只能分組輪流實驗，如果出現(xiàn)設(shè)備故障等突發(fā)狀況，有些實驗量并未達到課程任務(wù)要求，日積月累，學(xué)生很容易失去學(xué)習(xí)興趣。此外，化工原理實驗的開展也受到時間和空間教學(xué)資源的限制，部分實驗只在特定條件下開展。例如，篩板塔精餾實驗，由于受時間和空間限制，往往要求學(xué)生測定精餾塔在全回流特定條件下的理論板數(shù)、總板效率，而關(guān)于回流比、溫度等條件改變對精餾塔精餾效果影響卻無從獲知，從而影響教學(xué)效果。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺因其"成本低、消耗少、零排放、易管理"等優(yōu)點而逐漸應(yīng)用到高校實驗教學(xué)中[2-3]。學(xué)生通過借助虛擬仿真實驗平臺開展化工原理實驗，在各單元操作2D界面上熟悉實驗設(shè)備、工藝流程等，在3D界面上體驗實驗環(huán)境，操作虛擬設(shè)備，借助視覺、聽覺、觸覺上熟悉并掌握實驗操作過程[4]。

1 教學(xué)平臺簡介

咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院已建立虛擬仿真實驗中心，該中心具備多套工藝仿真軟件，均由北京東方仿真公司開發(fā)。其中也包括化工原理2D與3D仿真實驗軟件，具體實驗項目列于表1中。例如，精餾塔精餾實驗2D與3D仿真實驗操作界面如圖1所示。在仿真實訓(xùn)環(huán)節(jié)，教師通過教師站啟動控制平臺，指定訓(xùn)練項目和訓(xùn)練室，學(xué)生按照教師指令在電腦上啟動進入學(xué)生端登陸窗口，進入指定的仿真實訓(xùn)界面。教師通過教師機可以方便地監(jiān)控學(xué)生整個操作過程，能夠及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生理論掌握情況以及操作過程中存在的問題。同時，教師也可以查看學(xué)生訓(xùn)練成績，實時掌握學(xué)生的整體訓(xùn)練效果。

表1 化工原理虛擬仿真實驗項目

2 教學(xué)方法

按照傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，學(xué)生課堂上學(xué)習(xí)完化工原理理論知識后，接下來即將進入實驗室進行實際設(shè)備操作。通常情況下，在開展實驗前，教師會依次給學(xué)生講解實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗主要設(shè)備、實驗操作步驟及實驗注意事項等，然后才讓學(xué)生動手操作。但由于學(xué)生缺乏實踐操作經(jīng)驗，在實驗過程中遇到突發(fā)狀況時，難免會手忙腳亂，增大實驗安全隱患。為使學(xué)生更好地掌握操作過程以及避免部分誤操作引起安全事故等突發(fā)狀況，此時化工原理仿真實訓(xùn)平臺可以發(fā)揮很重要的作用。學(xué)生通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，可以預(yù)先體驗和熟悉實驗環(huán)境，熟悉和掌握操作步驟和實驗關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及實驗注意事項等，通過實訓(xùn)可為實際實驗操作打好鋪墊[5-6]。

化工原理仿真實訓(xùn)項目中2D畫面中完整呈現(xiàn)了單元操作的整個工藝流程，操作界面中標注了設(shè)備名稱與位號，以及操作提示。例如在做精餾仿真實訓(xùn)時，學(xué)生首先可以通過仿真界面熟悉精餾塔的主要部件、閥門及其安裝位置、主要控制參數(shù)等；其次可以通過調(diào)整操作，實現(xiàn)全回流和部分回流，或者改變塔釜溫度或塔壓等工藝參數(shù)，可以直觀地觀察到操作條件改變時對塔頂和塔底產(chǎn)物濃度的影響規(guī)律。

化工原理仿真實訓(xùn)項目中3D畫面模擬了真實的實驗環(huán)境，學(xué)生可以真實感受到精餾單元中各設(shè)備擺放位置、物料出入口、閥門樣式及安裝位置、操作面板參數(shù)控制、機動設(shè)備的啟停方式等。通過實訓(xùn)裝置開車、正常運行、停車后，可以很好地掌握整套裝置的運行。此外，也可以直觀地感受到裝置在一些異常狀況下的現(xiàn)象。如此反復(fù)訓(xùn)練，可以對學(xué)生有效地強化工程實際運行的感性認知。

通過化工原理仿真實訓(xùn)，學(xué)生由被動實驗變主動實驗，從開車前準備工作到順利停車，任何一個環(huán)節(jié)都要親自操作。在裝置運行過程中，如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，此時并沒有現(xiàn)成的解決方案供他們借鑒，學(xué)生必須自己分析、思索問題產(chǎn)生的原因，進而找到解決異常事故的方法。通過本環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力，同時也可以培養(yǎng)他們的自信心。此外，系統(tǒng)中設(shè)置了有關(guān)本次實驗的知識點測試，實驗結(jié)束后，同學(xué)們要根據(jù)實驗情況對一些實驗理論、操作異常等方面進行綜合測試，從而進一步鞏固理論和實操知識。以上方面均可以激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)新意識，激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣[7]。

3 考核方式

由于實驗設(shè)備臺數(shù)的限制及實驗空間和時間的限制，造成學(xué)生無法參與到實驗過程中的每一環(huán)節(jié)，不僅影響整體教學(xué)質(zhì)量，同時也影響教師對學(xué)生整體素質(zhì)的考評。例如，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式下，學(xué)生往往以小組的形式共同操作某一單元裝置，所以無形中增大了對個人進行考核測評的難度。因此，教師考核學(xué)生時往往主要通過課堂紀律、實驗態(tài)度、實驗結(jié)果、實驗報告這幾個方面綜合考評?；ぴ韺嶒灧抡嫫脚_應(yīng)用后，有利于教師對實驗過程與效果進行監(jiān)控與評價，例如學(xué)生仿真實訓(xùn)時間、測評成績、操作過程等，仿真系統(tǒng)內(nèi)都有詳細的記錄，教師對學(xué)生的考核途徑也多樣化，從課前準備、操作、實訓(xùn)過程、實驗效果等多方面進行綜合考評。

4 結(jié)語

化工原理虛擬仿真實驗?zāi)軌蜉^真實地還原實際實驗室的實驗環(huán)境，學(xué)生可以按照自己的想法或?qū)嶒烆A(yù)案完成各類化工單元操作，通過反復(fù)實訓(xùn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。虛擬仿真實驗是一種全新的新型高效教學(xué)模式，但不能完全代替實際設(shè)備操作過程，兩種教學(xué)模式應(yīng)有效結(jié)合，使學(xué)生各方面能力培養(yǎng)上發(fā)揮極佳效果。