虚拟仿真技术在化工与制药类专业实践教学中的应用

聂丽蓉　卢明夏　李宗齐

关键词：虚拟仿真;化工与制药;实践教学

化工与制药工业属于高新技术聚集领域，在国民经济和社会发展中占有举足轻重的地位[1]。据统计，我国拥有众多化工与制药类企业，虽然产业基础好，但企业大多存在专业技术人才缺乏、工程知识薄弱等问题，成为制约企业发展的关键性因素。如何培养满足企业需求、紧跟时代潮流、具有工程实践技能的专业技术人才一直是理工类院校关注的焦点[2]。

近年来，为了满足企业对人才的需求，在加强基础理论教学的前提下，逐步改革实践教学方法，比如加强实践教学中心的建设，建立校内多媒体互动教学模式、校内实训中心以及校企共建的实践教学基地。传统教学的局限性与实验室建设规模不足，使教学质量面临严峻挑战。虚拟仿真技术的出现为教育工作者开辟了新的途径。本研究以虚拟仿真技术在化工与制药类专业实践教学中的应用为例，探讨虚拟仿真技术给课程实践教学带来的改变。

1 化工与制药类专业实践教学的现状与不足

化工与制药类专业要求学生掌握现代化学、化工、制药基础理论知识和基本实验技能，能在化工、炼油、冶金、能源、轻工、医药和环保等领域和部门从事工程设计、技术开发、生产技术管理和科学研究等工作，具有极强的实践性、应用性和工程性。实践创新能力是化工与制药类专业学生的培养重点，其中，实验课程是沟通课程理论与实践的主要手段。随着化工产业的发展，生产过程中涉及的化学物质种类和数量繁多，很多物质都具有易燃性、反应性和毒性，造成了化工生产的安全风险。在化工生产过程中，大部分化学反应需要在比较苛刻（高温、高压）的条件下进行，因此，对生产过程安全隐患的控制更为严格。随着生产规模的扩大，为了更好地保障人员的生命安全、避免发生生产安全事故，生产操作已逐步实现高度自动化，由人工手动操作的环节逐渐减少。总之，化工生产的安全性、规模化和自动化使企业不愿意接纳学生到现场观摩实习，即使进入企业实习，也无法保证学生的工程能力和意识得到强化[3-4]。目前，在化工与制药类专业中，很多专业课程实践教学存在以下现状。

1.1 传统实验耗时久，教学内容有限

化工与制药类专业实践内容丰富，但是在有限的实验课时内，学生往往只能掌握一些基本操作方法和技能，很难全面、系统地学习化工生产过程中的工程知识，阻碍了学生拓宽视野、丰富专业知识。

1.2 教师工程素养参差不齐，教学效果难以保障

利用多媒体互动教学可以实现师生互动、打破传统教学模式的局限，对推动化工与制药类专业实践教学有一定的积极作用。对于这种教学模式，优质的教学课件与教师的工程经验或背景是影响教学效果的关键性因素。然而，大部分高校教师没有工厂实践经验，在工程技术和产业实践方面的能力和精力远远不够，知识结构体系并不全面，可能并不完全了解化工行业的技术进展和企业对人才的真实需求，在实践教学中很难实现课程教学目标，无法对学生予以有效指引、培养学生的工程实践能力，不能满足企业对工程技术人才的需求。

1.3 行业技术发展较快，实验条件的升级严重滞后

目前，受到实验场地、办学经费、时间成本等因素的制约，大部分工科院校的专业实践课程仍然限于实验室小试规模。比如在药物合成实验中，仅依靠搭建玻璃仪器装置，通过手动控制实验条件合成简单药物，虽然能锻炼学生的动手操作能力，但与工业化生产现状相差甚远，培养的学生不能良好地满足企业发展对技术型人才的真正需求。将实验规模扩大到中试水平，又会面临实验成本高、易造成污染、实验场地不够、实验存在一定的安全风险等问题。

1.4 实验环节多使用有机溶剂，安全隐患大

在实践教学环节，可能要用到许多化学试剂，而这些化学试剂往往具有易爆炸、易燃烧、毒性大、腐蚀性和辐射等危险特性。如果使用不当，有可能引起灼伤和爆炸，造成人身伤害、财产损失和其他事故。

2 虚拟仿真技术在实践教学中的应用优势

虚拟仿真又称模拟技术，是以计算机软件及硬件为基础，利用多种技术手段，以一个系统模仿另一个真实系统的技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。简言之，虚拟仿真是对已知或未知世界的仿真，用户可借助感觉器官等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互[5]。

针对传统化学化工实践教学中存在的一些问题，将虚拟仿真技术引入专业课程实践教学中，建立虚拟仿真训练实验平台，不仅可以使教學形式更加灵活、手段更新颖，有效激发学生的学习兴趣，还可以使化学操作过程更加直观和易于接受，同时有利于训练学生的工程设计能力、培养学生的工程意识，使其具有工程思维。通过实际动手操作，学生可以更加熟悉工业生产的过程，知识更加具体化、形象化，教学内容更易掌握，具有一定的现实意义。

2.1 突破传统实验教学资源的限制，实现绿色实验教学。

目前，在化学化工类专业实践教学环节，大多需要用到一系列大型实验仪器设备，比如在“药物分析实验”教学中，通常会用到红外光谱仪、紫外分光光谱仪、高效液相色谱仪等。这些大型仪器更新换代快、费用昂贵、实验运行成本高，难以保证每位学生都有操作仪器的机会。在“药物化学实验”课程中，常常使用有害试剂，产生一些实验废液、垃圾等，后期的处理成本高且不可避免地对环境造成严重污染。将虚拟仿真技术融入实践教学中，不仅能打破时间与空间的限制、降低实验成本，还有利于实现个性化教学、有效规避化学实验中的各种安全隐患[6]。

2.2 提高实验效率，培养学生的创新实践能力

虚拟仿真实验可通过在线学习功能，帮助学生快速掌握实验研究的具体目标和实验技术。此外，互联网和相关技术的飞速发展，促进了虚拟仿真技术在实践教学中的应用。远程虚拟仿真实验突破了物理空间的限制，大大提高了学习和研究效率，为实验教学环节提供了强有力的支持。另外，虚拟仿真技术还可以实现个性化实践教学，学生可以根据自己的兴趣设计实验方案，强化创新意识与能力。

2.3 提高实践教学的趣味性，激发学生的学习热情

传统实践教学主要采用线下实体教学的模式，以老师现场讲演实验过程为主，学生处于被动听课的状态。虚拟仿真技术结合了动画和音频的效果，模拟出真实的实验操作过程，使学生在一种愉快的氛围中学到知識，充分调动学生的学习积极性。

3 虚拟仿真技术在化工与制药类专业实践教学中的应用前景

近年来，虚拟仿真技术在实践教学中的应用越来越广泛，特别是化工与制药类专业实践课程。化工与制药类专业课程涉及工程学、化学、药学三大学科体系，具有较强的交叉性，知识点抽象且知识面比较广，传统实践教学不仅容易使学生感到枯燥乏味，而且教师的授课难度大。因此，有必要探索虚拟仿真技术在化工与制药类专业实践教学中的应用。

3.1 在“化工原理”教学中的应用

作为化工与制药类专业基础课程，“化工原理”是多个化工操作单元的集合，实践课程涉及的装置设备较大、运行时间长、维修费用高，直接影响了教学效果。在实践教学过程中，可以利用虚拟仿真，根据实际生产设备和流程，按照1∶1的比例进行建模，模拟生产中的流量、温度、压力等参数的变化情况，在无需实验设备、不会造成污染、不消耗原料的前提下，给学生营造真实的化工生产环境，有利于培养学生理论联系实际的能力。

3.2 在“药物分析实验”教学中的应用

“药物分析实验”也是药学学科中相对独立且不可或缺的一门实践课程，非常注重理论与实践相结合。虚拟仿真技术有利于构建“虚实结合”的教学模式，利用虚拟实验室软件，完成虚拟仿真实验的练习操作，掌握相关实验技巧。这种实验模式的精确度较高，在避免使用有机试剂的基础上，可以让学生身临其境地学习实验知识。此外，学生还可以通过软件查看自己的实验操作，充分了解自己的知识弱点并及时纠正。

3.3 在“药理学实验”教学中的应用

相关院校探索了虚拟仿真技术在“药理学实验”教学中的应用。主要的教学目的是通过虚拟仿真实验让学生验证已有的理论，帮助他们更直观地学习相关药物的药理作用，还可以反复进行实验操作，在提高学生实验能力的同时，进一步巩固理论知识[7]。

3.4 小结

将虚拟仿真技术应用到实践教学中，不仅大大丰富了实验教学内容，还可以提高实验效率，规避实验安全隐患，在有限的时间内，尽可能覆盖理论课程中的学习内容和学习重点，完善相关专业的教学体系。

4 结语

化工与制药类专业大多属于交叉性学科专业，注重实践性和创新性。传统的实践教学模式具有实验资源匮乏、场地空间不够、缺乏时代性等弊端。将虚拟仿真技术融入实践教学中，充分利用其特点，结合课程实际教学需求，革新实践教学模式，能在一定程度上弥补传统教学模式的缺陷，整合教学资源，实现教学资源的互补。虚拟仿真技术的生动性和趣味性也为学生由被动学习转变为主动学习提供了一条可行的路径。