大学化学, 2021, 36(1): 2005078-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202005078

专题

化学化工虚拟仿真实验教学平台的建设与应用

杜静, 赵温涛, 冯霞, 马骁飞,

Construction and Application of Virtual Simulation Laboratory Teaching Platform for Chemical Engineering

Du Jing, Zhao Wentao, Feng Xia, Ma Xiaofei,

通讯作者: 马骁飞, Email: maxiaofei@tju.edu.cn

收稿日期: 2020-05-29   接受日期: 2020-07-20  

基金资助: 化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心开放性平台建设.  LAB2018-B15
2020年天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革项目.  B201005607

Received: 2020-05-29   Accepted: 2020-07-20  

Abstract

Virtual simulation teaching is a new type of teaching mode in recent years, which is a fusion of multiple disciplines, multiple regions and multi-level laboratory teaching methods. Taking virtual simulation experiment platform construction of chemical engineering in Tianjin University as an example, this paper introduces the chemical safety knowledge, the integration of theoretical knowledge, the experimental content, the specific content of virtual simulation resources, and the characteristic of virtual simulation experiment platform. This platform provides a new model of efficient combination of virtual simulation resources and traditional teaching resources, which promotes the development of chemical laboratory teaching.

Keywords: Laboratory teaching platform ; Virtual simulation ; Integration

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杜静, 赵温涛, 冯霞, 马骁飞. 化学化工虚拟仿真实验教学平台的建设与应用. 大学化学[J], 2021, 36(1): 2005078-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202005078

Du Jing. Construction and Application of Virtual Simulation Laboratory Teaching Platform for Chemical Engineering. University Chemistry[J], 2021, 36(1): 2005078-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202005078

信息技术的发展以及5G技术的成熟,推动了虚拟仿真实验课程的发展,特别是由于2020年初爆发的新型冠状病毒肺炎疫情,大多数高校无法正常按时开课,促使理论课程有多种成熟线上课程平台,而实验课则没有一个较为成熟可用的平台,虚拟仿真实验教学资源便成为教师授课、学生学习的有效途径之一[1, 2]。目前,各高校根据自身学科建设需求建立了很多有特色的虚拟仿真实验资源[35],在实际教学中虚拟仿真资源或作为辅助教学的一种手段,或成为原有实验教学内容的一部分,而随着虚拟仿真资源建设的不断增加,以及对资源共享化、系统化的要求不断提高,建立系统化、模块化、综合化、共享化的虚拟仿真教学平台成为未来虚拟仿真教学发展方向之一[6, 7]

依据教育部有关推进国家虚拟仿真实验教学项目建设的相关文件精神和国家“金课”的标准[8, 9],完善虚拟仿真实验教学资源,建设虚拟仿真实验教学平台已成为当务之急[1012]

化学化工实验中大都存在“高危、高压、易燃易爆易致毒”等危险,安全方面学生大都只能通过文字介绍和观看视频等方式学习,直接导致学生的化学化工实验安全意识薄弱,应急处理能力不足[1315]。目前大多数高校以化工单元虚拟仿真实验为主,以弥补学生无法到化工厂进行实习的缺憾,而化学类虚拟仿真实验涉及的较少,且现有的虚拟仿真实验大都比较零碎,实验内容无法与理论知识相对应,难以形成一个完整的实验教学体系。

为解决上述问题,天津大学化学化工国家级虚拟仿真示范中心,经过五年的发展不断完善虚拟仿真实验教学体系及内容,其中化学化工虚拟仿真实验平台的建设对化学化工实验资源共享、师生交流、学习过程控制都起到重要作用。根据教学大纲对本科教学的要求,化学化工虚拟仿真平台建设分别从安全培训、理论学习、化学化工仿真单元、评价与互动等方面进行开展,系统培养学生的仿真操作能力、实验设计能力、自主研究能力。虚拟仿真平台的仿真资源内容上紧跟先进科研前沿,形式上符合学生兴趣爱好,以3D卡通形象为主并辅以形象生动的文字,以多种形式的互动完成教育任务,全面分析教学过程,细化评价体系,通过该平台形成较为完整的实验教学过程。

1 虚拟仿真实验教学体系

化学化工学科发展对学生的知识和素质提出了新要求,高校“新工科”建设对人才培养也构建了新蓝图,未来将更加注重对学生实践能力、创新能力的培养。实验教学也将从多个维度拓展对学生知识、素质、能力的培养,使学生获得更全面的训练和提升。天津大学化学化工国家级虚拟仿真示范中心,以科研辅助教学、教学孵化科研、实践冶炼教学为特色不断完善教学体系,具体表现为:从科研成果中选取适用于教学的实验内容,从多年教学经验中总结适当的教学方法,从与中石化、中石油等企业的交流学习中得到企业对人才培养的需求,根据需求不断调整教学。

教学方法根据教学内容的难易程度进行分类。基本化学单元如萃取、重结晶、固液分离、pH的测定等,这些基本实验操作可以由学生在线上自学完成,较为复杂的实验根据对学生掌握要求的不同可以采取线上、线下混合式教学,如图 1所示。

图1

图1   虚拟仿真实验教学体系


线上教学采用引导式教学方法,教学流程为:学习安全知识→问题式引导思考→学习相关理论知识→学习软件使用手册→练习基本实验→设计实验→废液废渣处理→科研拓展→完成实验报告→进行答疑→实验测试,这里增加废液、废渣的处理,以弥补学生长期以来对自己做完实验后废液及废渣如何经行处理的空白,符合目前对绿色化学的要求,经过这一学习过程学生将形成良好的习惯,提高解决复杂问题的能力。

线下教学主要是针对化学化工专业的学生,虽然实验课涉及的知识大多数情况是验证理论课已经讲过的知识,但是针对实验内容仍然需要再次进行引导学习,以加深学生对知识点以及实验内容的理解,主要是在仿真实验前进行讲解,同时针对化学化工类学生开设的虚仿实验大都较为复杂,需要介绍一些设备的使用方法如高压釜、气瓶、阀体等,如何进行计算机操作,以及实验流程的简单介绍。对于化工类实验如精馏塔单元、吸收解析单元、固定床单元等虚拟仿真实验,以独立或合作形式进行,包括设备开车、调节、分散控制系统(DCS)、各工段整合、故障排查等一整套化工生产操作的仿真[16],在形象、直观的仿真操作过程中有效加强对化工生产过程中仓储、输送、反应、分离、控制等必要知识的掌握和理解,并要求学生提交工艺流程图。

2 平台搭建

2.1 化学化工虚拟仿真实验教学平台架构

实验平台是根据目前教师与学生的需求形成的集合虚拟仿真资源、多种学习资源、师生互动的集约化平台,平台主要通过服务器向全社会开放,如图 2所示为平台架构图。登陆实验平台的角色分别有管理员、教师、学生。管理员的主要任务是上传虚拟仿真实验资源以及相关教学资源,进行后台管理,时刻检测平台是否受到网络攻击,保证平台安全平稳的运行,修改网站等。教师能够在平台上组建班级,上传课件、发放试卷、发放通知公告、答疑、查看学生学习进度、学习时长以及实验报告等,将学生进行分组发放不同实验内容,对不同专业学生能够做到实验的“私人定制”。学生能够随时随地进行学习,根据兴趣选做实验、设计实验,在平台上查看自动生成的实验报告,查看每一步得分情况,也可以向老师提问并查看班级通知公告等。

图2

图2   化学化工虚拟仿真实验教学平台架构图


2.2 化学化工虚拟仿真实验教学平台

化学化工虚拟仿真实验平台的内容与教学体系是相一致的,根据教学体系需要建立了不同模块,如图 3所示,为化学化工虚拟仿真实验平台首页,主要有知识点模块、理论学习以及仿真学习三个部分,通过扫描图中二维码能够在手机等移动端进行知识点学习、完成课堂测验以及答疑的功能。导航部分为资源管理、通知公告、机构管理、学习记录、学习统计、综合统计。如图 4所示为实验安全知识点模块,包括基本安全知识、个人安全防护、化学实验室常用设备的使用、实验室废弃物品的处理等,目前仍在更新安全知识的内容,使之更加完善。

图3

图3   化学化工虚拟仿真实验教学平台首页


图4

图4   安全知识


3 虚拟仿真资源

3.1 虚拟仿真资源建设

为积极响应教育部《关于2017–2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》(教高厅[2017] 4号) [17]和教育部《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》(教高函[2018] 5号) [18],天津大学化学化工国家级虚拟仿真中心于2018年新增加“绿色合成香豆素衍生物的虚拟仿真实验”,2019年新增“加压氢化反应的虚拟仿真实验”,目前该实验为市级虚拟仿真教学项目,正在参评国家级虚拟仿真项目,2019年“化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心开放性平台建设”校级教改立项,同时于2018年6月邀请其他高校专家加入教学指导委员会,指导中心工作,并多次召开会议组织选题,建设虚拟仿真实验项目,丰富虚拟仿真实验内容。

3.2 虚拟仿真实验资源

结合中心教师多年的实验教学经验以及本校化学化工实验特色,与软件公司合作开发多项虚拟仿真实验。在实验内容上,首先该实验技术方法要有实用性,如:3D精馏塔单元、加压氢化反应的虚拟仿真实验、固定床单元等,这些在石油化工、精细化工、有机及药物合成、高分子化学、材料科学等领域都有广泛应用。其次在多种实验方法中选取反应收率高、原子经济性高、污染少、满足绿色化学要求的实验方法。第三,需要满足教育部对虚拟仿真实验的要求“能实不虚”,如:绿色合成香豆素衍生物实验因其实验周期长难以在真实实验中开展,大型和贵重仪器做成虚拟仿真实验,学生能够完全透视仪器结构、拆卸仪器,不必担心昂贵的设备维护费用。第四,将国家先进技术有特色的代表性实验,以及一些大型、综合、全方位锻炼学生综合能力的实验作为虚拟仿真资源建设的重点,如加压氢化虚拟仿真实验是基于三位诺贝尔奖获得者Paul Sabatier、Geoffrey Wilkinson、Ryōji Noyori (野依良治)的工作,具有典型性。

表 1所示,虚拟仿真实验内容按照学科分类进行划分,目前共59项项目,其中化学单元实验内容较为简单,主要是针对学生预习以及初步学习化学实验的社会人员,同时为应对如本次疫情在内的无法开课的突发情况,其他实验资源均用于虚拟仿真实验教育,同时实验资源将随各个学科建设不断更新与完善。

表1   虚拟仿真实验内容

类别实验名称
无机化学虚拟仿真单元含钴配合物的制备
含铬废液的处理
物理化学实验原电池电动势的测定
黏度法测定水溶性高聚物的相对分子量
弱电解质的电离常数的测定
溶解热的测定
蔗糖水解的测定
凝固点降低法测定摩尔质量
有机化学实验二苯基乙二酮的合成
二苯基乙醇酸的合成
乙酰乙酸乙酯的制备
加压氢化反应的虚拟仿真实验
苯甲酸的制备
绿色合成香豆素衍生物
煤制甲醇工艺仿真软件
合成氨虚拟现实仿真
安息香的合成
大型和贵重仪器仿真紫外-可见吸收光谱仪3D
液相-质谱联用仪3D
气相-质谱联用仪3D
气相色谱仪3D
红外吸收光谱仪
X射线衍射仪
扫描电镜-能谱仪3D
原子吸收光谱仪
液相色谱仪3D
分析化学实验石灰石中钙含量的测定
铅铋混合液中铅铋含量
综合实验固体酸催化剂的制备、表征及性能
减压蒸馏
常减压
常压蒸馏
化学单元萃取
重结晶
称量与取用
粘度测定
压力测定
温度测定与控制
搅拌
加热
固液分离
加热
pH的测定
温度测定与控制
化工单元洞道干燥实验
二氧化碳吸收与解吸实验
精馏塔实验
流动综合实验
搅拌器性能测定实验
恒压过滤常数测定实验
萃取塔(桨叶)实验
传热实验
化工工艺虚拟仿真填料塔液相轴向混合实验
乙苯脱氢制苯乙烯实验
气液平衡数据测定
反应精馏
多釜串联
煤制甲醇工艺仿真软件

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3.3 虚拟仿真资源特点

虚拟仿真中心虚拟资源在形式上具有单人、多人不同角色的操作模式,并多使用形象生动的卡通形象,让实验过程变得生动起来。在真实实验中往往只能设定好实验条件,让学生们重复实验过程,这样限制了学生们的自主性,为此设计实验内容时选用多种实验条件供学生们选择,如催化氢化光学活性N-乙酰苯丙氨酸乙酯实验,可以从催化剂浓度、反应原料浓度、氢气压力、乙酸配体浓度、反应时间这五个影响因素中任选其一进行实验。在评价系统上,传统教学对学生实验过程很难给出分数,大多通过实验结果的好坏判定整个实验做的是否成功,这样评定的结果有一定的不准确性,故在实验设计时要求将实验成绩随时显示在页面顶部,方便学生时刻判断自己的操作是否正确, 自动生成实验报告,实验步骤中错误的部分在最终实验报告中体现,实现实验过程系统化、清晰化。

4 化学化工虚拟仿真实验教学平台的应用

化学化工虚拟仿真平台网址为:http://ccelab.tju.edu.cn/sas。根据后台数据显示,已有48250人次使用过该平台学习。本校师生已连续三年使用该平台进行实验学习,前两年由于硬件条件如服务器、机房等不够完善,主要由应用化学专业学生学习使用化工类虚拟仿真实验,解决化工厂禁止学习参观实习的问题,通过高度还原的仿真场景(仿真度90%),熟悉了化工生产流程,并能准确绘制出生产工艺流程,2019年开始硬件设备逐步完善,涉化专业共21个班级1583人在线使用仿真软件进行学习,学生的实验数据均能在后台记录统计,为教师修改教学环节提供了科学的数据支撑,如通过数据分析学生的实验操作类实验成绩平均84分,低于实验设计类实验91分,故在今后的教学中将加重操作型实验的训练。

根据随堂询问学生对该平台的评价,及在虚拟仿真实验平台中评价模块的留言(图 5),可以得出以下结论:学生对于虚拟仿真的实验形式积极性较高,对软件整体的仿真度以及流畅性评价较高,但在实验操作及实验内容上存在问题,实验操作上主要是对于一些需要准确定位、部件过小、仪器过多的实验,学生存在找不到或难以转换到合适视角的问题,因此在这些实验步骤上将采取自动切换视角的方式进行解决,实验内容上主要是目前的虚拟仿真资源无法满足学生对于实验探索的需求,在后续建设中将征求广大师生的需求不断扩充仿真资源。

图5

图5   学生评价


5 结语

化学化工虚拟仿真平台的建设为本科教学提供了更多的可能性,填补了“高危、高压、易制爆易制毒、高造价”实验在本科教学中的空白,系统地引导学生进行实验学习,为实验教学的高效开展提供了新的思路与方法。但目前仍有以下问题亟需解决:

(1) 师资力量不足。实验内容随着学科发展不断丰富,而培训教授及在线服务人员有限,使得一些虚拟仿真实验无法在本科教学中广泛开展,为此中心将定期开展培训工作,使更多教师及教辅人员学习虚拟仿真实验技术,为虚拟仿真实验在实验教学中广泛开展打好基础;

(2) 建设模块化的虚拟仿真实验。将实验项目进行模块化、可移植化设计,构建综合型实验项目,从实验试剂配制到选择合适方法进行实验,得到产物,再到化工原料生产加工,最后对过程中产生的废液、废渣进行绿色处理,这一综合型实验项目将是今后努力的方向;

(3) 扩大平台受益人群。积极参加全国性虚拟仿真交流讨论活动,邀请校企同行专家前来参观指导。让更多校内外师生及社会人士能够从中收益,并进行积极推广,辐射全国高校。

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