虚拟仿真实验在化工原理虚拟仿真中的应用

1、虚拟仿真实验在化工原理虚拟仿真中的应用摘要：受新冠疫情及线上教学潮的影响 , 虚拟仿真实验已成为开展化工原理实验教学的重 要手段和方法之一。本文将基于近年来华南农业大学化工原理教学团队开展的化工原理虚 拟仿真实验教学 ,结合学生反馈意见和教师经验教训 , 对虚拟仿真实验的主要优缺点进行了 总结 ,并在此基础上探索出一条线上、线下双实验模式的教学方法,取得了较为满意的教学效果。化工原理是一门强调理论联系实际的课程，其具体讲授的是不同单元操作工作时所遵循的物理化学原理及所用的设备等。化工原理实验则主要通过单元操作的实验性探究 和过程设计将化工原理涵盖的单元操作理论和设备进一步提升到实际应用的层面近

2、年来，随着计算机信息网络的快速发展，线上教育如雨后春笋般快速发展，而去年的新 冠疫情则更加有力地加速了这一进程。受形势所迫，化工原理虚拟仿真实验成为大多数高 校的必然选择1 单一线上虚拟仿真实验模式去年受新冠疫情影响，学生无法正常返校，我们不得已采取完全线上虚拟仿真实验的模式 开展化工原理实验教学。具体的教学过程主要包括如下四个方面：(1) 仿真软件和直播软件的下载和安装；(2) 提前安排学生通过仿真视频和教材资料等预习实验目的、实验原理、实验内容等；(3) 通过直播的形式进一步对实验目的、原理和内容进行讲解，同时强调实验过程中的重 点和难度步骤，并提示学生可能遇到的部分软件操作问题；(4)

3、规定学生在随后的23天内自由安排时间完成具体的实验操作和数据处理等任务，同 时教师将不定期通过软件后台监督学生的实验进度，并随时解答学生遇到的问题。在以上过程中，我们对化工原理线下实验与虚拟仿真实验进行了较系统的对比，总结了二 者的部分优缺点。首先，仿真实验的操作灵活性更强，具体表现为学生可自由安排实验时 间，并可依据自身的实际掌握情况进行重复练习，且实验过程由单人独立完成，而不会遇 到线下多人操作 (如设备数量限制或设备损坏等 )时遇到的实验空间较拥挤、操作机会有限 等问题。仿真实验可提供的单元操作实验种类也更丰富，使学生学习的范围更广；其次， 仿真实验的经济性和安全环保性也更优，主要体现在

4、无需实验场地安排、无需仪器购置和 维护、无需实验原料供应，且操作过程中无三废的排出，也无安全事故发生的可能性；同 时，仿真实验的实验效率更高。比如在数据处理过程中，仿真软件一般会将计算用公式及 相应的参数均内嵌于数据处理模块中，且能自动获得处理结果，因此可节省大量的实验时 间。仿真实验还可通过加快平衡时间，如精馏过程中操作温度的稳定化时间及组分的相平 衡时间，提高实验效率。此外，仿真实验的可视化效果更优。在讲解关键的实验设备，如 离心泵、换热器和精馏塔等，仿真软件可提供设备的三维效果图，并呈现设备运行时内部 结构的工作状态，同时可让学生自由拆卸设备，这些均可加强学生对设备结构和组成的形 象记忆

5、以及工作原理的理解。最后，仿真实验评价系统的公正性更优。因为仿真软件可十 分精准及时地掌握学生每一操作步骤的完成情况，并给出相应的分值评价，这相比于教师 评价更加客观，使学生的公平感有明显提升。即使虚拟仿真实验具有如上众多优点，但是如果只依靠此方法开展教学，学生们总体上并 不满意。首先，尽管仿真实验的实验设备和场景等均已做到较逼真的3D效果，但是与真实的设备相比依然缺乏空间感，不利于培养学生对化工设备的感性认识。其次，化工原 理实验的本质是强调学生动手能力的锻炼和工程意识的培养，即在实践中发现和验证理 论，而这一点则是仿真实验的天生缺陷2 线上线下双实验模式基于以上情况，并考虑到教学已回归正轨

6、，本学年我们又尝试探索了化工原理实验线 上仿真实验线下传统实验有机结合的双实验模式。其中线上虚拟仿真实验为先导，起预习 辅助作用，线下传统实验为核心，起到巩固强化的作用，其具体过程主要包括如下五个方 面的内容：(1) 实验安全知识教育；(2) 实验目的、实验原理和实验内容的讲解以及关键实验步骤的强调；(3) 随即线上监督和指导学生在规定的时间内进行虚拟仿真实验；(4) 传统线下化工原理实验；(5) 线上线下实验结果的整合。3 总结从学生实验操作准确度、实验报告撰写质量以及学生的实验态度等多方面来看，双模式实 验的教学效果较之前的单一形式均有所改善。另一方面，因为线上实验的预习辅助效果显著，可提

7、高随后的线下实验效率，因此双模式实验的教学课时与单一传统实验基本一致， 在学生的可接受范围内。总体来说，在线上线下有机结合的实验模式下，学生反馈的满意 度较高。与前期相比，因考虑到仿真实验的预习目的，因此时间安排的更紧凑，且规定了线上实验 的时间，这一方面有利于及时发现和解决学生遇到的问题，另一方面有利于端正学生松散 拖拉的学习态度。同时，在学生刚完成虚拟仿真实验不久 （ 一般在同一周内 ） ，我们将继续 开展传统线下实验。因为学生已对实验目的和原理很清楚，对实验过程也较熟悉，因此线 下实验只对这部分内容进行简单介绍，其关注的重点是学生对整个单元流程的空间认知以 及具体操作细节的掌握。学生们面对真实的实验设备时态度更严肃谨慎，又加之前期有虚 拟实验的基础，因此相比于疫情前开展的单一传统实验，学生的操作精准度更高，进度也更快。关于实验考核部分，我们也采取线上线下相结合的形式进行，其分值按4：6比