虛擬仿真實驗在化工原理虛擬仿真中的應(yīng)用

1、虛擬仿真實驗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 , 虛擬仿真實驗已成為開展化工原理實驗教學(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)團隊開展的化工原理虛 擬仿真實驗教學(xué) ,結(jié)合學(xué)生反饋意見和教師經(jīng)驗教訓(xùn) , 對虛擬仿真實驗的主要優(yōu)缺點進(jìn)行了 總結(jié) ,并在此基礎(chǔ)上探索出一條線上、線下雙實驗?zāi)Ｊ降慕虒W(xué)方法,取得了較為滿意的教學(xué)效果。化工原理是一門強調(diào)理論聯(lián)系實際的課程，其具體講授的是不同單元操作工作時所遵循的物理化學(xué)原理及所用的設(shè)備等?；ぴ韺嶒瀯t主要通過單元操作的實驗性探究 和過程設(shè)計將化工原理涵蓋的單元操作理論和設(shè)備進(jìn)一步提升到實際應(yīng)用的層面近

2、年來，隨著計算機信息網(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驗成為大多數(shù)高 校的必然選擇1 單一線上虛擬仿真實驗?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驗的模式 開展化工原理實驗教學(xué)。具體的教學(xué)過程主要包括如下四個方面：(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)實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗?nèi)容等；(3) 通過直播的形式進(jìn)一步對實驗?zāi)康?、原理和?nèi)容進(jìn)行講解，同時強調(diào)實驗過程中的重 點和難度步驟，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)自由安排時間完成具體的實驗操作和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，同 時教師將不定期通過軟件后臺監(jiān)督學(xué)生的實驗進(jìn)度，并隨時解答學(xué)生遇到的問題。在以上過程中，我們對化工原理線下實驗與虛擬仿真實驗進(jìn)行了較系統(tǒng)的對比，總結(jié)了二 者的部分優(yōu)缺點。首先，仿真實驗的操作靈活性更強，具體表現(xiàn)為學(xué)生可自由安排實驗時 間，并可依據(jù)自身的實際掌握情況進(jìn)行重復(fù)練習(xí)，且實驗過程由單人獨立完成，而不會遇 到線下多人操作 (如設(shè)備數(shù)量限制或設(shè)備損壞等 )時遇到的實驗空間較擁擠、操作機會有限 等問題。仿真實驗可提供的單元操作實驗種類也更豐富，使學(xué)生學(xué)習(xí)的范圍更廣；其次， 仿真實驗的經(jīng)濟性和安全環(huán)保性也更優(yōu)，主要體現(xiàn)在

4、無需實驗場地安排、無需儀器購置和 維護、無需實驗原料供應(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，仿真實驗的實驗效率更高。比如在數(shù)據(jù)處理過程中，仿真軟件一般會將計算用公式及 相應(yīng)的參數(shù)均內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)處理模塊中，且能自動獲得處理結(jié)果，因此可節(jié)省大量的實驗時 間。仿真實驗還可通過加快平衡時間，如精餾過程中操作溫度的穩(wěn)定化時間及組分的相平 衡時間，提高實驗效率。此外，仿真實驗的可視化效果更優(yōu)。在講解關(guān)鍵的實驗設(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)備運行時內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，同時可讓學(xué)生自由拆卸設(shè)備，這些均可加強學(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，仿真實驗評價系統(tǒng)的公正性更優(yōu)。因為仿真軟件可十 分精準(zhǔn)及時地掌握學(xué)生每一操作步驟的完成情況，并給出相應(yīng)的分值評價，這相比于教師 評價更加客觀，使學(xué)生的公平感有明顯提升。即使虛擬仿真實驗具有如上眾多優(yōu)點，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，盡管仿真實驗的實驗設(shè)備和場景等均已做到較逼真的3D效果，但是與真實的設(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。其次，化工原 理實驗的本質(zhì)是強調(diào)學(xué)生動手能力的鍛煉和工程意識的培養(yǎng)，即在實踐中發(fā)現(xiàn)和驗證理 論，而這一點則是仿真實驗的天生缺陷2 線上線下雙實驗?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驗線 上仿真實驗線下傳統(tǒng)實驗有機結(jié)合的雙實驗?zāi)Ｊ?。其中線上虛擬仿真實驗為先導(dǎo)，起預(yù)習(xí) 輔助作用，線下傳統(tǒng)實驗為核心，起到鞏固強化的作用，其具體過程主要包括如下五個方 面的內(nèi)容：(1) 實驗安全知識教育；(2) 實驗?zāi)康摹嶒炘砗蛯嶒瀮?nèi)容的講解以及關(guān)鍵實驗步驟的強調(diào)；(3) 隨即線上監(jiān)督和指導(dǎo)學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行虛擬仿真實驗；(4) 傳統(tǒng)線下化工原理實驗；(5) 線上線下實驗結(jié)果的整合。3 總結(jié)從學(xué)生實驗操作準(zhǔn)確度、實驗報告撰寫質(zhì)量以及學(xué)生的實驗態(tài)度等多方面來看，雙模式實 驗的教學(xué)效果較之前的單一形式均有所改善。另一方面，因為線上實驗的預(yù)習(xí)輔助效果顯著，可提

7、高隨后的線下實驗效率，因此雙模式實驗的教學(xué)課時與單一傳統(tǒng)實驗基本一致， 在學(xué)生的可接受范圍內(nèi)?？傮w來說，在線上線下有機結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ较?，學(xué)生反饋的滿意 度較高。與前期相比，因考慮到仿真實驗的預(yù)習(xí)目的，因此時間安排的更緊湊，且規(guī)定了線上實驗 的時間，這一方面有利于及時發(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，在學(xué)生剛完成虛擬仿真實驗不久 （ 一般在同一周內(nèi) ） ，我們將繼續(xù) 開展傳統(tǒng)線下實驗。因為學(xué)生已對實驗?zāi)康暮驮砗芮宄?，對實驗過程也較熟悉，因此線 下實驗只對這部分內(nèi)容進(jìn)行簡單介紹，其關(guān)注的重點是學(xué)生對整個單元流程的空間認(rèn)知以 及具體操作細(xì)節(jié)的掌握。學(xué)生們面對真實的實驗設(shè)備時態(tài)度更嚴(yán)肅謹(jǐn)慎，又加之前期有虛 擬實驗的基礎(chǔ)，因此相比于疫情前開展的單一傳統(tǒng)實驗，學(xué)生的操作精準(zhǔn)度更高，進(jìn)度也更快。關(guān)于實驗考核部分，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