喻燚，杜可杰，賀楚華(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

自教育部于2017年在教高廳〔2017〕4號(hào)文件 《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》中提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以來(lái)，各地高校均加快了虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)步伐。自2017年以來(lái)，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)上各類項(xiàng)目已達(dá)728項(xiàng)。

在化工課程中，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)存在場(chǎng)地限制、管理人員配備不足、設(shè)備貴、維護(hù)成本高和操作安全性等問(wèn)題，已不能很好滿足當(dāng)下實(shí)踐教學(xué)需求。當(dāng)下隨著教學(xué)信息化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬仿真軟件在各類實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，極大地豐富了傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)。為了適應(yīng)教學(xué)信息化的發(fā)展需求，彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足，提高實(shí)踐教學(xué)的效果，將虛擬仿真軟件引入化工實(shí)踐教學(xué)已成為一種趨勢(shì)[1]。

1 虛擬仿真在化工專業(yè)實(shí)踐課程建設(shè)的必要性

化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)是一門鍛煉學(xué)生操作動(dòng)手能力的課程，對(duì)于學(xué)生的實(shí)踐操作培養(yǎng)必不可少。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)固然可以提升學(xué)生的動(dòng)手能力，但仍存在一定的局限性?；I(yè)實(shí)驗(yàn)尤其是工藝實(shí)驗(yàn)工程性強(qiáng)，以對(duì)化工工藝中的儀表控制、閥門和泵等組件的操作應(yīng)用為主，同時(shí)鍛煉同學(xué)們的各個(gè)工藝工段的練習(xí)(如乙醇精餾工段)。目前學(xué)校內(nèi)教學(xué)工藝主要是以小型設(shè)備為主，如精餾操作量?jī)H為1 000 mL。大型化工反應(yīng)裝置需要投入巨額資金且必須制定安全措施，實(shí)踐化工工藝工段差距甚遠(yuǎn)，學(xué)生對(duì)于化工工藝參數(shù)、管路設(shè)備等的認(rèn)知受到了很大限制。此外，化工工藝常常涉及高溫高壓、易燃易爆的反應(yīng)，這些實(shí)驗(yàn)也不易于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作。但是實(shí)際化工工藝實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)對(duì)化工專業(yè)人才培養(yǎng)具有引領(lǐng)作用。因此利用虛擬仿真技術(shù)，引入經(jīng)典大型化工工藝案例進(jìn)行教學(xué)，可以極大地填補(bǔ)學(xué)生無(wú)法動(dòng)手操作、無(wú)法接觸大型工藝的缺點(diǎn)，同時(shí)也將化工工藝實(shí)驗(yàn)安全系數(shù)大大提高。

2 化工專業(yè)實(shí)踐課程中虛擬仿真的優(yōu)勢(shì)

2.1 降低教學(xué)成本

通常對(duì)于大型化工工藝實(shí)操工作設(shè)備，一般造價(jià)昂貴，并且化工專業(yè)要求分組人數(shù)越少越好，因此一般高校化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)由于受資金限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到國(guó)家認(rèn)證的要求。此外，很多技術(shù)落后的化工設(shè)備和實(shí)訓(xùn)裝置無(wú)法及時(shí)報(bào)廢和更新?lián)Q代，造成實(shí)踐教學(xué)資源緊張，時(shí)常出現(xiàn)幾個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)設(shè)備的情況，結(jié)果是不僅學(xué)生對(duì)工藝原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)理解不透徹，實(shí)踐技能也掌握不夠熟練，大大影響了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提高。應(yīng)用化工仿真技術(shù)能極大地降低教學(xué)成本，通過(guò)化工仿真軟件的講解，學(xué)生只需一臺(tái)電腦就能達(dá)到教學(xué)目的、理解工藝原理。

2.2 提高學(xué)生參加實(shí)訓(xùn)課程的參與度，提升教育公平度

目前由于各個(gè)高校對(duì)于專業(yè)實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)程度差距極大，傳統(tǒng)的化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)資源分布不均，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)水平受到很大的限制。教育公平是全球教育面臨最突出的問(wèn)題，其根本在于傳統(tǒng)教育受時(shí)空和地域所限，使得教育對(duì)象無(wú)法共享最優(yōu)質(zhì)的教育資源[2]。目前國(guó)家投入巨大人力物力，建設(shè)了實(shí)驗(yàn)空間—國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)空間平臺(tái)上的2 069個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋了 41個(gè)專業(yè)類中的255個(gè)專業(yè)和1 561門課程，并且在疫情期間所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均開(kāi)放使用[3]。這就大大提高了專業(yè)對(duì)于大型專業(yè)工藝實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)要求。同時(shí)，虛擬仿真大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中“一人操作，組員旁觀”的現(xiàn)象，有效地改善了教育公平問(wèn)題。

2.3 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情

對(duì)于以前的課堂教學(xué)模式來(lái)說(shuō)，理論和實(shí)踐之間聯(lián)系微弱，甚至于脫節(jié)。各種原理的講解，沒(méi)有聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，很多理論在學(xué)生眼里都是抽象的，沒(méi)有實(shí)物參照，晦澀難懂。但是通過(guò)仿真軟件，學(xué)生能清晰地觀察各種儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)外形，與書本的理論原理相結(jié)合學(xué)習(xí)，極大提升學(xué)習(xí)效率。例如，在學(xué)習(xí)化工儀表時(shí)，配合3D仿真軟件的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠直觀地觀察到各種各樣的儀表設(shè)備，加上老師的實(shí)時(shí)講解，縱使手上不能拿到實(shí)物，也能更好地理解知識(shí)；單元操作模擬中，學(xué)生可按照仿真軟件的提示進(jìn)行操作。操作有誤時(shí)，模擬界面還會(huì)有相應(yīng)的錯(cuò)誤提示，幫助學(xué)生改進(jìn)操作。由此，學(xué)生在課堂上有更大收獲，對(duì)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的熱情也會(huì)有所提高。

2.4 保證實(shí)踐操作的安全性、環(huán)保性

要達(dá)到培養(yǎng)方案所要求的實(shí)踐教學(xué)要求，并且使學(xué)生行之有效地初步掌握職業(yè)技能，傳統(tǒng)的化工實(shí)踐教學(xué)很難完成這個(gè)目標(biāo)；出于安全考慮，在工廠實(shí)訓(xùn)中學(xué)生也不被允許接觸真實(shí)設(shè)備。隨著虛擬仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)很多公司開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品可以讓人員實(shí)訓(xùn)無(wú)障礙的在“實(shí)地”進(jìn)行，設(shè)計(jì)出特定的教學(xué)情境，既能使學(xué)生的實(shí)踐能力得到提升，又能絕對(duì)保證學(xué)生的安全。相較于真實(shí)的實(shí)踐教學(xué)的能耗和排放，仿真技術(shù)在環(huán)保性上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

3 化工虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用局限性

3.1 學(xué)生易把仿真操作游戲化，淡化安全操作意識(shí)

虛擬仿真實(shí)踐操作是基于信息技術(shù)建立起來(lái)的，輸入數(shù)據(jù)、移動(dòng)鼠標(biāo)、戴上VR眼鏡就可以完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。在提高學(xué)生興趣和參與度的同時(shí)，容易讓學(xué)生把重點(diǎn)關(guān)注在如何完成學(xué)習(xí)任務(wù)，隨意操作而不夠重視操作過(guò)程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤，而在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，這種錯(cuò)誤可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。在教學(xué)過(guò)程中，隨意操作仿真界面，容易養(yǎng)成不嚴(yán)謹(jǐn)、散漫的習(xí)慣，為以后進(jìn)入企業(yè)工作學(xué)習(xí)帶來(lái)了很大的隱患。故而，過(guò)度應(yīng)用仿真實(shí)訓(xùn)會(huì)淡化學(xué)生對(duì)于化工安全生產(chǎn)的責(zé)任感和對(duì)化工實(shí)際生產(chǎn)的敬畏之心。

3.2 仿真實(shí)訓(xùn)與下廠實(shí)踐存在差異，部分操作過(guò)于簡(jiǎn)化

以化工原理實(shí)驗(yàn)?zāi)M為例，有些實(shí)驗(yàn)涉及大型的設(shè)備和數(shù)量眾多的管道、閥門，為了方便學(xué)生操作，在仿真軟件界面中，設(shè)備和管線間的排布與真實(shí)情況存在很大差異。一方面，學(xué)生無(wú)法結(jié)合實(shí)際情況理解實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的管線排布；另一方面，過(guò)度簡(jiǎn)化操作(例如閥門開(kāi)度只需手動(dòng)輸入一個(gè)百分?jǐn)?shù))也會(huì)導(dǎo)致仿真實(shí)訓(xùn)與實(shí)際操作脫軌。總而言之，仿真實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)在于幫助學(xué)生理解工藝原理，而學(xué)生難以學(xué)習(xí)到實(shí)際操作的細(xì)節(jié)、難以了解各種操作的原理是什么。并且，在日常的仿真實(shí)訓(xùn)中，成熟理想的仿真模型使學(xué)生缺少對(duì)工藝參數(shù)變化的探索；而在實(shí)際生產(chǎn)中，并不存在一成不變的情況。

4 化工虛擬仿真專業(yè)課程教學(xué)中的改進(jìn)建議

4.1 工廠實(shí)習(xí)相結(jié)合

仿真實(shí)訓(xùn)與實(shí)習(xí)結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生先進(jìn)行仿真操作，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)工藝、設(shè)備狀況有初步的認(rèn)識(shí)，然后下廠實(shí)習(xí)，再加深對(duì)工藝和設(shè)備的理解，從而使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合[4]。另外，仿真實(shí)訓(xùn)時(shí)學(xué)生容易淡化安全意識(shí)，不利于增強(qiáng)安全生產(chǎn)的責(zé)任感。因此，在通過(guò)仿真實(shí)訓(xùn)讓學(xué)生掌握化工生產(chǎn)操作技能的同時(shí)，也要靈活結(jié)合真實(shí)的工廠實(shí)習(xí)，使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)于化工生產(chǎn)安全的重視。

4.2 合理利用仿真技術(shù)，注重實(shí)效，杜絕形式主義

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，仿真軟件的教學(xué)模式更容易激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為了能夠最大程度地發(fā)揮仿真軟件在化工實(shí)踐教學(xué)中的效果，必須靈活使用仿真軟件，提升學(xué)生對(duì)仿真軟件的認(rèn)識(shí)。另外，也要強(qiáng)化教師的教學(xué)意識(shí)，引入仿真技術(shù)是為了幫助學(xué)生更好地了解化工生產(chǎn)實(shí)際，要達(dá)到預(yù)期的效果就要堅(jiān)決杜絕形式主義，不以高分作為評(píng)判學(xué)生是否理解知識(shí)的唯一憑據(jù)。教師可以通過(guò)開(kāi)展階段性小測(cè)試等方法，結(jié)合教學(xué)實(shí)際情況，讓學(xué)生真正的理解和掌握知識(shí)。

4.3 結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效教學(xué)

化工類國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是信息化時(shí)代工程教育的重要組成部分[5]。目前各高校的仿真實(shí)訓(xùn)仍停留在微機(jī)室，學(xué)生仍缺少鞏固練習(xí)的機(jī)會(huì)。建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+化工虛擬仿真”實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，面向“互聯(lián)網(wǎng)+”加快推進(jìn)繼續(xù)教育網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)的建設(shè)，構(gòu)建多功能、高效率、方便適用的信息管理與傳輸平臺(tái)，實(shí)時(shí)了解和掌握學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展情況。建設(shè)更開(kāi)放的仿真教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)高效教學(xué)。