工程教育专业认证下的互联网+无机化学虚拟仿真实验探索

李丽波　张桂玲　李佳　由君　牛古丹

【摘 要】专业教育工程认证旨在提高高校培养工程型和应用型人才的能力，在众多专业中，化工、材料类专业的工程教学任务尤其重要。虚拟仿真实验教学成为理论课程与实践实验教学桥梁纽带，将课堂上的理论知识在运用到实践中前给学生充分补给，做到将二者无缝衔接在一起。本文阐述了无机化学课程中电化学部分的虚拟仿真实验的目的、特点、过程、考核和收效。本实验以大数据和互联网+为手段，通过教师启发和引导，以学生为中心，使其自主完全实验，保障了教学过程的安全与可逆，大大提升了课程品质与实践教学质量。

【关键词】认证;互联网+;无机化学;虚拟仿真

中图分类号： TB301-4;G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）34-0083-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.035

0 前言

随着我国社会、经济的快速发展，国内各工科院校的硬件条件得到了明显的好转，但是由于传统教育观念和教学模式的影响，学生的创新能力没有得到应有的提高。为了达到专业教育工程认证的人才培养标准，人才培养模式必须及时调整。人才培养目标是以学生为中心，产出为导向，持续改进，培养具有扎实理论基础，较强实践能力、创新精神的应用型高级工程技术人才和管理人才[1]。一个好的工程师，基本素质不是死记硬背的记忆力，而是分析和解决问题的能力，是解决工程现场实际问题的能力[2]。因此，应用型人才的培养模式需要实践的支撑，虚拟仿真实验平台的建立与仿真实验的教学为产学研用的无缝衔接奠定了稳固的基础。本文以电化学仿真实验为例，研究了无机化学虚拟仿真实验的探索与应用。

1 虚拟仿真实验的目的

离子膜电解装置综合虚拟仿真实验是无机化学实验中电化学应用实验和实际生产实践的重要组成部分。本实验通过把物理化学、电化学技术、自动化技术、网络通信技术、数据处理等最新成果结合在一起，实现离子膜电解装置电解虚拟现场化、冷态开车、停车操作、设置事故模拟训练等教学任务。本虚拟仿真实验的训练使学生：（1）熟悉和掌握离子膜电解槽的构造、外形、材质、功能、工作原理、辅助设施（含安全设施）及其主要参数的设定，以增强学生对书本理论的直观认知和消化;（2）直观认识设备功能的实现、电解过程状态感知和验证工艺过程的合理性;（3）通过电解的实时测量与自适应调整，掌握组分分析、测定分析液位与压力趋势、温度趋势和流量趋势;（4）了解在使用过程中有可能出现的设备缺陷、故障或事故模式，以增强学生对设备设计思维、设计方式和关键部位的改进或改善;（5）通过法拉第定律计算分析，计算电流效率与电压和电流的关系，烧碱，氯气和氢气的收率。

2 电化学虚拟仿真实验特点

电化学虚拟仿真实验的教学设计如图1所示。电解装置是应用工业中应用最为广泛的电化学系统同时也是过程控制中最有代表性的多变量复杂工业系统。离子膜电解装置综合虚拟仿真实验是工业电化学电解的缩影，学生通过本实验可以理解控制系统设计的意义与实现方法。仿真实验教学是将网络多媒体技术、计算机虚拟现实技术深度融合，营造出高度仿真的实验环境。本实验教学以虚拟仿真教学为感知方式，以大数据和互联网+为手段，通过教师启发和引导，以学生为中心，自主完全实验。应用化学虚拟仿真实验平台虚拟了现实实验环境，实时交互、远程网络运化、沉浸感和趣味性强，可以使学生通过自主思考，自己选择实验途径、在理解理论知识的水平和前提下，自主设计实验，综合运用所学知识解决困难和问题，展现自己的智慧和能力，心情愉悦地实验和研究，体验自主实践的成果，充分调动学生实验、实践的积极性和主动性。完成操作仿真模块、统计实验数据并计算实验结果。离子膜电解装置综合虚拟仿真实验通过把电化学技术、化工技术、自动化技术、网络通信技术、数据处理等最新成果结合在一起，实现电化学电解虚拟现场化、冷态开车、停车操作、设置事故模拟训练等教学任务。

学生在这种虚实结合的培訓过程中，还可根据测定要求，变更测定条件或自行设计实验方案，这不仅加深了对仪器设备及相关原理的理解，还也可提高学生学习的自主性，增强实训互动性，达到提高实践能力和综合创新能力的目的，有利于培养学生的创新思维和实践能力。

3 虚拟仿真实验过程

电化学离子膜电解装置综合虚拟仿真实验形成了虚拟现实实验环境、实时交互、远程网络运化、沉浸感和趣味性强的化工虚拟仿真实验平台。采用二维、三维动态过程高度模拟工厂实验设备，所有操作站都实时模拟各种控制仪表的参数。实验的实施克服了电解槽常规操作危险性、功能单一、人机联系差的缺点，弥补了实验教学学生动手操作受限的不足，满足了学生对电解操作工艺原理、操作环境、控制系统、故障处理的理解。并突破了传统实验的限制，实现了化工实验的绿色化、手段现代化和结论科学化，让学生在安全、环保、节能的实验环境中获得与真实实验相近的体验，使教学效果事半功倍。

实验具体操作过程如图2所示。离子膜电解装置综合虚拟仿真实验采用离子膜电解槽，原料液为氯化钠和水，电解产品为高纯氢氧化钠、氢气和氯气。在电解的每一环节，装置的进料、出料、电解槽等部位对温度、流量、压力、压差、液位等参数进行在线测量，通过执行机构构建多个控制回路，完成装置的基础控制任务。采用常规DCS控制系统，实现装置的平稳操作与电解产品的纯度控制，包括：进料流量的自动控制;液位的均匀控制;电解槽的区间控制;槽液位的自动控制;气体的流量控制;电解灵敏温度的串级控制。在电解槽装置的进料、出料、回流等部位最大限度地选用具有优良性能的现场检测仪表，对温度、流量、压力、压差、液位等参数进行在线测量，同时，选用性能优良的执行机构，构建多个控制回路，完成装置的基础控制任务。检测点和控制点设置尽可能全面地覆盖电解装置的各个部位，仪表和执行机构的选择根据装置的操作条件（流量范围、介质的温度等）、仪表的精度、仪表的运行寿命、仪表的维护因素、仪表的外观特性等因素确定。

作为真实生产现场实验与实习的补充，虚拟仿真实验依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，学生在完全没有风险的环境中，深入细致地研究应用化学中典型电化学生产的工艺构成、典型工艺参数控制的科学性与合理性、研究工艺过程的最优化生产策略与之匹配的参数控制策略，避免了高物耗、高成本和实验过程难以重复进行的问题。本实验所有操作都实时模拟各种控制仪表的参数，弥补了实验教学学生动手操作受限的不足，满足了学生对工艺原理、操作环境、控制系统、故障处理的学习和理解。

4 虚拟仿真实验评价体系建设

评价体系建设主要包括：学生对实训所需基础理论的构建;学生对工艺过程立体、动态工艺过程的知识体系构建;学生从熟悉工艺到熟练生产的训练;学生应对事故的处置能力训练;学生的对生产总体的协调与掌控能力的训练。根据这些评价知识体系，仿真平台构建了试题库和论坛区以及考评系统，将考核与评价有机地结合起来，使学生真正真实体验达到实战演练的过程与收获。

5 虚拟仿真实验效果

虚拟仿真实验让学生通过校园网随时随地上网访问虚拟仿真教学资源，使其完成实验预习、设备使用规程、安全操作更加标准、快速，对设备、工艺、厂房布局和分析仪器设备更加熟悉。在虚实结合的仿真平台上，学生通过计算机完成了虚拟仿真实践和训练，继而在实验装置和设备上实现物理操作。学生直接操控实验装置的开车、停车、运行和故障排除，克服了在生产实习现场“只能看不能动”的难题，也解决了单纯使用计算机而缺少现场体验的问题，使学生接受真实工业生产和工程环境的训练与熏陶。本实验实施还为学生提供了的实践体验条件，弥补了在化工等高风险行业生产实习电解操作难以实施现场实验和实习的缺陷。

6 结束语

无机化学虚拟仿真实验的建设秉承以“构建真实工程环境，培养现代工业精神”理念，按照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的建设原则，建设了以数字仿真和物理仿真相结合的实验实训模式，构建以生产现场流程参数为基础的仿真控制数学模型。结合现有的离子膜电解等实体实验装置，本实验教学以虚拟仿真教学为感知方式，以大数据和互联网+为手段，通过教师启发和引导，以学生为中心，使其自主完全实验。学生在学习中，既可体验真实环境的氛围并动手实际操作，又可以体验虚拟仿真出的生产现场极具危险性的反应过程和生产流程，保障了教学过程的安全与可逆，大大提升了课程品质与实践教学质量。

【参考文献】

[1]吴云芳，程勇刚，严鹏.基于工程教育专业认证的水利类专业课程教学大纲的构建.2019，37（9）：84-85.

[2]覃亮，胥家桢，魏利飞，李红胜.工程教育认证背景下校企協同培养应用型人才探索.2019，10：170-172.