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化工专业虚拟仿真实验教学模式的研究与探索论文

发布时间:2020-01-18 09:56:54 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):

摘要:以化学工程与技术学科的计算机模拟与分析科研优势,助力化学工程与工艺专业的实验教学改革,将特色鲜明的学科优势与计算机仿真实验教学有机结合起来,探索化工专业虚拟仿真实验教学模式与教学方法,在校内外的化工虚拟仿真实验教学和科学研究中发挥了重要的示范辐射作用,有效提高了学生动手操作能力和解决复杂化工问题的能力。

关键词:虚拟仿真;化工过程;实验教学

本文引用格式:田文德,等.化工专业虚拟仿真实验教学模式的研究与探索[J].教育现代化,2019,6(53):184-186.

         化工是技术及安全密集型行业,随着生产规模的大型化、复杂化,对化工专业学生的工程能力提出了更高的要求。传统实验及实践教学,出于条件、经济、安全等方面的制约,使学生对工业级化工装置、工业生产运行模式缺乏了解。实际操作更是“做不好、做不了、做不上”。特别是在化工安全方面学生几乎无法获得任何实践机会,直接导致学生的化工安全生产意识薄弱,应急处理能力不足[1]。因此,立足当前化工专业人才培养的实际社会需求,通过仿真实验来加强学生化工单元操作能力和提升专业技能,对实现工程型化工人才培养意义重大。计算机模拟与优化一直是青岛科技大学化工专业的教学和科研重点,学校拥有化工过程与装备国家级虚拟仿真实验教学中心,在虚拟仿真实验教学方法、手段等方面进行了大量探索,对提高学生计算动手能力、解决实际工程问题能力起到了很好的推动作用。

一虚拟仿真实验教学改革的必要性

       目前,化工专业实验教学中遇到的共性问题是:学生专业技术能力培养目标和现有实验(实践)教学环节的矛盾日益加剧[2]。这主要体现在以下几个方面:

       (1)实验教学涉及化工及相近专业,另有化工本科专业、化工高职专业及相关专业学生,传统实验教学无法满足学生充足的、个性化的实验需求。

        (2)化工专业要求学生了解化工过程各生产环节的工艺流程、设备和操作,但出于经济、安全等因素的考虑,化工企业能提供的实习实训操作是极其有限的,使得学生在实验实践环节与人才培养目标存在较大差距。

       (3)化工企业对学生专业技能和知识的要求是多种多样的,而传统实验教学往往只能提供典型的、简化的单元操作,使得学生在专业广度上存在差距。构建化工专业虚拟仿真实验教学模式,按照虚实结合、相互补充、能实不虚的原则,开发和引进大量化工工艺与装备的虚拟仿真软件共享实验等优质教学资源,推动信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法,实现校内外及更大范围内的实验教学资源共享,满足多学科专业、多学校开展虚拟仿真实验教学的需要,是有效解决上述问题的重要举措。

       相比于传统的实物实验教学,虚拟仿真实验教学的优势是可以给予学生更多的专业熟练操作的机会,使学生能够具备一定的专业广度,提高实验教学效率,从而有利于人才培养目标的提升与完善。

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二 虚拟仿真实验教学模式的主要内容

(一)虚拟仿真实验教学体系的建立


         依托化工系统工程、虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,对化工过程设计与操作的各个环节进行模拟仿真,逐步形成了独具特色的“一体化、多层次、模块化、重开放”的虚拟仿真实验教学体系,如图1所示。该体系的特点为:具有过程工程全生命周期、多尺度仿真教学特色;工程背景下的虚拟仿真教学,科研成果转化率高;自主研发虚拟仿真软件,提高了实验室建设水平。基于该实验教学体系,经过多年的研究和实践,逐步开发形成了一套基于网络的虚拟仿真实验教学平台,平台基于网络运行,整体结构采用Visual C#ASP.NET和Dreamweaver开发,为教师管理众多学生和促进师生双向交流提供方便,探索不受时间和地点限制最大程度向学生提供设计帮助的新型教学模式。教学平台由设计、仿真和多媒体三个子系统构成,构建了由基础知识库、物性数据库、专业软件资源库和仿真模拟资源库组成的虚拟仿真实验资料库。



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(二)虚拟仿真实验教学资源的开发

       仿真软件是资料库的重要组成部分,现有化工设计和仿真软件47种,其中外购11种,自研36种。这些软件的数量和质量能很好地满足化工虚拟仿真实验教学的需要和教学要求,并保持着高效、低耗的运行状态,保证了高质量实验教学的正常进行。自主研发的软件主要分为稳态模拟和动态仿真两类。其中,独立研发的ECSS稳态模拟系统,已在过程工业的设计、研究、企业等80余家单位应用,在装置扩建改造、节能降耗、优化操作、设计计算和科研开发过程中发挥了重要作用。还独立研发了一套通用仿真建模平台DSAS,利用该平台开发了包括合成氨、醋酸、聚甲醛、环己酮在内的30余种商业仿真软件,可用于化工专业的认识实习和生产实习,已在多家化工企业和高校中得到了应用[3]。基于DSAS平台,开发了流程级的仿真软件17种、单元级的仿真软件6种、仿真实验软件6种,目前已获得软件著作权5项。除了自主研发仿真软件,还在化工专业课程的实验教学过程中,逐步推广专业计算软件的使用,购买了包括AspenONE、Fluent、PDSoft、ChemCAD、CFX等在内的多套化工模拟和设计商业软件。

(三)虚拟仿真实验教学课程体系的构建

      在不断完善实验教学资源的基础上,结合实验教学需求和专业特点,先后开设了5门实验课程和1个“仿真实习”实践环节,建立了5个虚拟仿真实验教学模块,共计40个实验项目。发表实验教学研究论文19篇,主编、参编教材8部,获得省级以上教学成果奖13项。共享实验教学资源,鼓励学有余力、具备初步的科研和实践能力的项目组在导师的指导下,以校级和省级大学生化工过程实验技能竞赛为基础,自主进行研究型学习、课题方案的设计、组织设备和材料、组织方案实施、分析处理数据、撰写总结报告等工作。已经成功举办了十一届全校范围的“隆腾杯”大学生化工原理实验技能竞赛和六届山东省大学生化工过程实验技能竞赛,大力鼓励学生参加“三井杯”全国大学生化工设计竞赛。

三实验教学方式方法改革

        (一)采用探究容错式教学模式,要求学生通过自主学习,完成软件操作步骤设计工作,以培养学生自主学习能力虚拟仿真实验教学采用探究容错式教学模式。通过明确的任务发布,要求学生通过实验教学平台和互联网自主学习,自主设计实验操作步骤,并通过软件对步骤的正确性进行验证和容错试的操作修正,不断地查找问题,解决问题,最终实现对工业生产操作的正确认识和对工艺知识深度理解和广度扩充并培养学生的自主学习能力。

       (二)在实验步骤设计和仿真操作中采用无领导小组讨论及分组协同操作方式,加强学生团队协作能力培养
教育的核心是人才的培养,时代要求学生不仅需要具备专业知识和专业能力,对团队合作和协同能力也提出了更高的要求。因此在设计虚拟仿真实验项目时,为加强学生的互动,培养学生的团队协作能力,在方案设计和仿真操作环节,都设置了以小组为单位的实验模式。从实验项目实施情况来看,效果显著。学生在整个实验过程中的互动比较多,特别是在软件操作中,组与组之间也互动频繁,常常出现一个操作难点多人查找讨论原因的情况,有效加强了学生团队协作能力的培养。

         (三)实验项目设计体现了学生为中心的设计理念,在项目实施过程中,始终以学生为主体实验项目在设计上,充分体现以学生为主心的设计思想,学生是推动实验项目的主体,依靠学生的自主学习、讨论和动手操作来完成实验。通过无领导小组讨论的沟通协作自主设计实验步骤,通过仿真软件验证完善操作步骤,激发学生探究吸收单元原理和工业控制规律的兴趣,培养学生的自主学习能力、团队协作能力和工程能力[4]。指导教师的责任更多的是控制项目实施节奏,引导学生对实验原理和工业实际的理解及帮助学生解决问题,以便协助学生完成实验项目。从项目实施情况来看,这种方式有效地调动了学生的积极性。

四 教学效果

        从目前对同一专业不同年级纵向对比及同一年级不同专业横向对比来看,基于虚拟仿真的实验教学方法效果显著,学生通过实验对工艺相关知识点、操作单元在工业生产中的模式、设备条件、操作步骤等多层次知识点均有较为深刻全面的认识。同时,探究式自主学习能力得到明显锻炼。

        下面以2015级化学工程与工艺专业与精细化工专业实际实验成绩数据为例来说明实验效果。2015级化学工程与工艺专业在第5学期开设了本仿真实验项目,2015级精细化工专业在第5学期未开设本实验项目。两专业在第6学期,一起参加了仿真实习环节。在仿真实习的第一次操作中,开设了本实验项目的化工158班学生的成绩明显高于未开设本实验项目的精细151班,如图2所示。对于同一班级,上述的容错强化式教学方法则可以逐步提高学生的实践动手能力。图3给出了化工156班级吸收仿真操作的两次成绩对比。可以看出,学生经过容错试错模式下的仿真操作2,成绩远高于验证性仿真操作1步骤,所以本教学方法能够有效提高学生的单元操作能力。


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五 结论

         实验教学在化工专业人才培养中发挥了重要作用。但利用实际工业装置进行实验,既不经济也不安全。将化工动态模拟技术与虚拟现实技术相结合,构建典型化工单元和工艺的虚拟仿真系统,开设对应的虚拟仿真实验项目,是解决上述问题的有效途径。虚拟仿真实验教学中采用创新性的探究容错式实验教学方法,人机、生生、师生间多层次互动,实时监控和评价学生实验过程,实现了学生开放式实验步骤创新设计和容错纠错式自主学习的实验目的。

参考文献

[1]朱万强,朱彬,刘杨,等.化学化工学类专业实践教学体系中存在的问题及建议——以遵义师范学院化学化工学院为例[J].遵义师范学院学报,2019,21(01):92-95.
[2]刘立新.虚拟仿真在化工专业实践教学的应用研究[J].山东化工,2017,46(21):163-164.
[3]李俊朋,李振华,田文德,等.基于氧氯化法制二氯乙烷工艺的化工实习虚拟仿真软件开发[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2017,38(S1):84-86.
[4]罗凤莲,刘素纯,王燕,等.《食品分析》创新型教学方法的改革与探索[J].教育教学论坛,2019,(12):146-147.

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