陸素芬 黃秀香

摘要：本文論述了“新工科”背景下虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中運用的意義?；瘜W(xué)實驗教學(xué)是地方應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)的重要組成，直接影響著人才培養(yǎng)質(zhì)量。仿真實訓(xùn)中心是實驗教學(xué)的基礎(chǔ)保障之一，學(xué)校加強實訓(xùn)中心硬件條件建設(shè)的同時，注重軟件建設(shè)，特別是把虛擬仿真實驗運用到化學(xué)實驗教學(xué)中作為提升實驗教學(xué)水平和質(zhì)量的重要任務(wù)。虛擬仿真技術(shù)融入到化學(xué)實驗課主要體現(xiàn)為：彌補客觀條件不足，提高實驗教學(xué)質(zhì)量;鍛煉學(xué)生現(xiàn)代信息化技術(shù)與化學(xué)實驗結(jié)合的應(yīng)用能力; 擴展學(xué)生的發(fā)散思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。由此，為推動化學(xué)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，院校應(yīng)當(dāng)充分運用虛擬仿真實驗構(gòu)建更加適合自身教學(xué)需要的教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù) 化學(xué)實驗 運用 新工科

Application of Virtual Simulation Technology in Chemical Experiment Teaching under the Background of "New Engineering"

LU Sufen ?HUANG Xiuxiang*

（College of Chemistry and Biology Engineering， Hechi University， Yizhou， Guangxi， 546300 China）

Abstract： This paper discusses the significance of virtual simulation technology in chemical experiment teaching under the background of "new engineering". Chemical experiment teaching is an important component of talent training in local applied universities， which has directly affected the quality of talent training. Simulation training center is one of the basic guarantees of experimental teaching. While strengthening the construction of hardware conditions of the training center， the school pays attention to software construction， especially the application of virtual simulation experiment to chemical experiment teaching as an important task to improve the level and quality of experimental teaching. The integration of virtual simulation technology into chemical experiment course is mainly reflected in： Making up for the lack of objective conditions and improving the quality of experiment teaching; Train students' application ability of the combination of modern information technology and chemical experiment; Expand students' divergent thinking and cultivate their innovative ability. Therefore， in order to promote the reform of chemical experiment teaching， colleges and universities should make full use of virtual simulation experiment to build a teaching system more suitable for their own teaching needs.

Key Words： Virtual simulation technology; Chemistry experiment; Application; New engineering

虛擬仿真技術(shù)作為一種最新的研究發(fā)展系統(tǒng)，最初用于武器作戰(zhàn)訓(xùn)練，到20世紀(jì)80年代用于導(dǎo)彈研制，可以減少試飛數(shù)量^[1]。發(fā)展到今天，由于虛擬仿真技術(shù)在各領(lǐng)域中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，越來越受到各行業(yè)的青睞，特別是高校都紛紛建起具有不同學(xué)科特色的虛擬仿真實驗室^[2-4]?！靶鹿た啤北尘跋?，實踐能力、創(chuàng)新能力應(yīng)用型人才的培養(yǎng)尤為重要，在化學(xué)實驗教學(xué)中如何將虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)中，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)的輔助作用，讓虛擬仿真技術(shù)與實踐教學(xué)有機融合^[5]，進一步提升整體教學(xué)質(zhì)量。

1虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用的意義

實驗教學(xué)是化學(xué)學(xué)科教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)之一，是學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主要手段，傳統(tǒng)實驗具有真實、直觀等優(yōu)點，但存在運行成本高，難以實現(xiàn)開放共享，同時由于受到空間和經(jīng)費的不足，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)形式和內(nèi)容受到很大的限制。通過虛擬仿真實驗技術(shù)，對實驗室內(nèi)不便開設(shè)的化學(xué)實驗，采用多媒體技術(shù)，構(gòu)建虛擬結(jié)合的虛擬仿真系統(tǒng)，給學(xué)生提供理論認(rèn)知與動手實踐的實驗環(huán)境，全面提高實驗效果。虛擬仿真實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生觀察分析能力^[6]、創(chuàng)新能力起到積極的作用，在化學(xué)實驗室里無法完成的實驗借助虛擬仿真技術(shù)能在一定程度上解決一些實際的問題。

2虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用的具體體現(xiàn)

2.1彌補客觀條件不足，提高實驗教學(xué)質(zhì)量

化學(xué)實驗教學(xué)過程中，常常因為一些客觀因素，比如在防控措施有限的實驗室進行含有易燃易爆劇毒試劑的操作實驗^[7]，基于學(xué)生安全考慮，這些實驗沒有辦法開展。比如對氨基苯磺酰胺的制備，用到乙酰苯胺、氯磺酸、濃氨水、濃鹽酸、碳酸鈉等試劑，其中，氯磺酸屬于國家管控的危險品，有強腐蝕性、強刺激性，其蒸汽對粘膜和呼吸道有明顯刺激作用，液體可灼傷皮膚。因此，在學(xué)生了解實驗?zāi)康模莆諏嶒炘?、實驗流程、使用的儀器設(shè)備基礎(chǔ)上用虛擬仿真實驗代替，給學(xué)生展示整個動態(tài)的實驗過程，同時，學(xué)生可以在電腦端進行實驗操作，既能夠讓學(xué)生充分了解實驗基礎(chǔ)理論知識和操作方法流程，又能夠避免對學(xué)生健康的傷害和后續(xù)含氯磺酸廢液的處理。

2.2鍛煉學(xué)生現(xiàn)代信息化技術(shù)與化學(xué)實驗結(jié)合的應(yīng)用能力

通過虛擬仿真實驗將抽象概念轉(zhuǎn)化為直觀立體圖形并展開實驗^[8]，學(xué)生能夠掌握專業(yè)相關(guān)設(shè)備的運行原理及操作過程，學(xué)會不同設(shè)備反應(yīng)類型的操作原理，并能結(jié)合半實體設(shè)備親自操作各生產(chǎn)流程中的參數(shù)，提高學(xué)生的專業(yè)興趣和實際操作能力^{[9- 10]}。比如在聚丙烯生產(chǎn)加工生產(chǎn)虛擬仿真實驗教學(xué)中，借助于先進的虛擬現(xiàn)實及現(xiàn)代信息技術(shù)手段，以逼真的半實物造型構(gòu)建虛擬的聚丙烯生產(chǎn)中心、反應(yīng)釜、閥門儀等先進加工設(shè)備與測試儀器。通過對半實體和軟件操作的相互結(jié)合，使學(xué)生身臨其境理解與掌握實際聚丙烯生產(chǎn)的有關(guān)理論知識。在此基礎(chǔ)上，通過生產(chǎn)過程反應(yīng)釜中反應(yīng)條件的實際測量與反饋，深入理解聚丙烯生產(chǎn)的原理與過程，實現(xiàn)現(xiàn)代信息傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等知識點的覆蓋，以及對于虛擬生產(chǎn)的過程狀態(tài)的感知。從實驗準(zhǔn)備到生產(chǎn)工藝路線制定，從生產(chǎn)過程中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定到反應(yīng)釜中運行情況，在最短時間內(nèi)完成了工廠反應(yīng)實驗所不能完成的實驗內(nèi)容，讓每一位學(xué)生模擬操作與經(jīng)歷了一次完整的聚丙烯生產(chǎn)過程與檢測，深入感知智能制造過程及現(xiàn)代信息技術(shù)及大數(shù)據(jù)等知識在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用與體現(xiàn)。在虛擬實驗操作過程中，以實際應(yīng)用為目的，強調(diào)關(guān)鍵步驟和注意事項，使學(xué)生在按照實驗要求完成實驗設(shè)計的同時將聚丙烯生產(chǎn)知識融會貫通，理論與技能并重，增強學(xué)生對生產(chǎn)過程中溫度、反應(yīng)時間、停留時間等狀態(tài)和信息的感知，體驗生產(chǎn)系統(tǒng)的智能控制過程，為將來學(xué)生從事相關(guān)工作奠定良好的操作基礎(chǔ)。

2.3擴展學(xué)生的發(fā)散思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

當(dāng)代大學(xué)生求知欲非常強，興趣廣泛，尤其對電子產(chǎn)品頗感興趣，通過虛擬仿真實驗，學(xué)生可以在虛擬空間漫游，不斷地推敲、探索，并且可以接觸到新時代的教育手段^[11]。結(jié)合虛擬仿真教學(xué)后，實驗室課由相對單一課程、單一專業(yè)，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐚I(yè)、跨學(xué)科，符合當(dāng)代學(xué)生們的學(xué)習(xí)方式。如在丙烯酸甲酯生產(chǎn)加工虛擬仿真實驗教學(xué)中，學(xué)生對影響反應(yīng)過程的溫度、壓強、濃度、停留時間可以設(shè)定不同的參數(shù)，每一組參數(shù)狀態(tài)下會產(chǎn)生不同品質(zhì)的產(chǎn)品，學(xué)生通過分析結(jié)果探求最佳的生產(chǎn)條件。通過一個實驗可以學(xué)習(xí)到化學(xué)、計算機、統(tǒng)計學(xué)等知識，提高學(xué)生多方位學(xué)習(xí)的能力。

此外，學(xué)生可以通過反復(fù)模擬全面深刻的認(rèn)知和理解丙烯酸甲酯生產(chǎn)過程及多種關(guān)鍵技術(shù)^[12-13]。學(xué)生進行重復(fù)實驗可以鞏固所學(xué)理論知識，同時能夠逐步地理解與熟悉丙烯酸甲酯生產(chǎn)的操作流程，掌握儀器設(shè)備的操作以及專業(yè)軟件的使用方法，并對生產(chǎn)過程參數(shù)及狀態(tài)深入地理解和靈活運用。該教學(xué)模式使學(xué)生的綜合能力得到良好的訓(xùn)練，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

3 結(jié)語

“新工科”建設(shè)對實踐能力提出了更高的要求，教育工作者應(yīng)積極探索先進的教學(xué)手段順應(yīng)新時代的需求，而虛擬仿真技術(shù)作為一種新的教學(xué)手段，能夠為本科教學(xué)提供了更多的可能性，填補了“高危、高壓、高造價”實驗在本科教學(xué)中的空白，通過“基礎(chǔ)知識講解+虛擬演示+虛擬實驗+創(chuàng)新實驗”的教學(xué)形式，不僅系統(tǒng)地引導(dǎo)學(xué)生進行實驗學(xué)習(xí)，同時也能夠為培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力，為實驗教學(xué)的高效開展以及培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供教學(xué)保障。

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