虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工原理虛擬仿真中的應(yīng)用

1、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工原理虛擬仿真中的應(yīng)用摘要：受新冠疫情及線上教學(xué)潮的影響 , 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已成為開展化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重 要手段和方法之一。本文將基于近年來華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展的化工原理虛 擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué) ,結(jié)合學(xué)生反饋意見和教師經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) , 對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了 總結(jié) ,并在此基礎(chǔ)上探索出一條線上、線下雙實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕虒W(xué)方法,取得了較為滿意的教學(xué)效果?；ぴ硎且婚T強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際的課程，其具體講授的是不同單元操作工作時(shí)所遵循的物理化學(xué)原理及所用的設(shè)備等?；ぴ韺?shí)驗(yàn)則主要通過單元操作的實(shí)驗(yàn)性探究 和過程設(shè)計(jì)將化工原理涵蓋的單元操作理論和設(shè)備進(jìn)一步提升到實(shí)際應(yīng)用的層面近

2、年來，隨著計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，線上教育如雨后春筍般快速發(fā)展，而去年的新 冠疫情則更加有力地加速了這一進(jìn)程。受形勢所迫，化工原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為大多數(shù)高 校的必然選擇1 單一線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺ツ晔苄鹿谝咔橛绊?，學(xué)生無法正常返校，我們不得已采取完全線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模式 開展化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。具體的教學(xué)過程主要包括如下四個(gè)方面：(1) 仿真軟件和直播軟件的下載和安裝；(2) 提前安排學(xué)生通過仿真視頻和教材資料等預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等；(3) 通過直播的形式進(jìn)一步對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和?nèi)容進(jìn)行講解，同時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中的重 點(diǎn)和難度步驟，并提示學(xué)生可能遇到的部分軟件操作問題；(4)

3、規(guī)定學(xué)生在隨后的23天內(nèi)自由安排時(shí)間完成具體的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，同 時(shí)教師將不定期通過軟件后臺(tái)監(jiān)督學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，并隨時(shí)解答學(xué)生遇到的問題。在以上過程中，我們對化工原理線下實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了較系統(tǒng)的對比，總結(jié)了二 者的部分優(yōu)缺點(diǎn)。首先，仿真實(shí)驗(yàn)的操作靈活性更強(qiáng)，具體表現(xiàn)為學(xué)生可自由安排實(shí)驗(yàn)時(shí) 間，并可依據(jù)自身的實(shí)際掌握情況進(jìn)行重復(fù)練習(xí)，且實(shí)驗(yàn)過程由單人獨(dú)立完成，而不會(huì)遇 到線下多人操作 (如設(shè)備數(shù)量限制或設(shè)備損壞等 )時(shí)遇到的實(shí)驗(yàn)空間較擁擠、操作機(jī)會(huì)有限 等問題。仿真實(shí)驗(yàn)可提供的單元操作實(shí)驗(yàn)種類也更豐富，使學(xué)生學(xué)習(xí)的范圍更廣；其次， 仿真實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全環(huán)保性也更優(yōu)，主要體現(xiàn)在

4、無需實(shí)驗(yàn)場地安排、無需儀器購置和 維護(hù)、無需實(shí)驗(yàn)原料供應(yīng)，且操作過程中無三廢的排出，也無安全事故發(fā)生的可能性；同 時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效率更高。比如在數(shù)據(jù)處理過程中，仿真軟件一般會(huì)將計(jì)算用公式及 相應(yīng)的參數(shù)均內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)處理模塊中，且能自動(dòng)獲得處理結(jié)果，因此可節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)時(shí) 間。仿真實(shí)驗(yàn)還可通過加快平衡時(shí)間，如精餾過程中操作溫度的穩(wěn)定化時(shí)間及組分的相平 衡時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。此外，仿真實(shí)驗(yàn)的可視化效果更優(yōu)。在講解關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如 離心泵、換熱器和精餾塔等，仿真軟件可提供設(shè)備的三維效果圖，并呈現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，同時(shí)可讓學(xué)生自由拆卸設(shè)備，這些均可加強(qiáng)學(xué)生對設(shè)備結(jié)構(gòu)和組成的形 象記憶

5、以及工作原理的理解。最后，仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的公正性更優(yōu)。因?yàn)榉抡孳浖墒?分精準(zhǔn)及時(shí)地掌握學(xué)生每一操作步驟的完成情況，并給出相應(yīng)的分值評(píng)價(jià)，這相比于教師 評(píng)價(jià)更加客觀，使學(xué)生的公平感有明顯提升。即使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有如上眾多優(yōu)點(diǎn)，但是如果只依靠此方法開展教學(xué)，學(xué)生們總體上并 不滿意。首先，盡管仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場景等均已做到較逼真的3D效果，但是與真實(shí)的設(shè)備相比依然缺乏空間感，不利于培養(yǎng)學(xué)生對化工設(shè)備的感性認(rèn)識(shí)。其次，化工原 理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手能力的鍛煉和工程意識(shí)的培養(yǎng)，即在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證理 論，而這一點(diǎn)則是仿真實(shí)驗(yàn)的天生缺陷2 線上線下雙實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ交谝陨锨闆r，并考慮到教學(xué)已回歸正軌

6、，本學(xué)年我們又嘗試探索了化工原理實(shí)驗(yàn)線 上仿真實(shí)驗(yàn)線下傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的雙實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。其中線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為先導(dǎo)，起預(yù)習(xí) 輔助作用，線下傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為核心，起到鞏固強(qiáng)化的作用，其具體過程主要包括如下五個(gè)方 面的內(nèi)容：(1) 實(shí)驗(yàn)安全知識(shí)教育；(2) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講解以及關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟的強(qiáng)調(diào)；(3) 隨即線上監(jiān)督和指導(dǎo)學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；(4) 傳統(tǒng)線下化工原理實(shí)驗(yàn)；(5) 線上線下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整合。3 總結(jié)從學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作準(zhǔn)確度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫質(zhì)量以及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度等多方面來看，雙模式實(shí) 驗(yàn)的教學(xué)效果較之前的單一形式均有所改善。另一方面，因?yàn)榫€上實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)輔助效果顯著，可提

7、高隨后的線下實(shí)驗(yàn)效率，因此雙模式實(shí)驗(yàn)的教學(xué)課時(shí)與單一傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基本一致， 在學(xué)生的可接受范圍內(nèi)?？傮w來說，在線上線下有機(jī)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢瑢W(xué)生反饋的滿意 度較高。與前期相比，因考慮到仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)目的，因此時(shí)間安排的更緊湊，且規(guī)定了線上實(shí)驗(yàn) 的時(shí)間，這一方面有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)生遇到的問題，另一方面有利于端正學(xué)生松散 拖拉的學(xué)習(xí)態(tài)度。同時(shí)，在學(xué)生剛完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不久 （ 一般在同一周內(nèi) ） ，我們將繼續(xù) 開展傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閷W(xué)生已對實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮砗芮宄?，對?shí)驗(yàn)過程也較熟悉，因此線 下實(shí)驗(yàn)只對這部分內(nèi)容進(jìn)行簡單介紹，其關(guān)注的重點(diǎn)是學(xué)生對整個(gè)單元流程的空間認(rèn)知以 及具體操作細(xì)節(jié)的掌握。學(xué)生們面對真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)態(tài)度更嚴(yán)肅謹(jǐn)慎，又加之前期有虛 擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此相比于疫情前開展的單一傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的操作精準(zhǔn)度更高，進(jìn)度也更快。關(guān)于實(shí)驗(yàn)考核部分，我們也采取線上線下相結(jié)合的形式進(jìn)行，其分值按4：6比