虚拟仿真技术对改进实验教学的探索*

王嘉晨，刘 璐，王小锋，刘光祥，李明海

(1 南京晓庄学院环境科学学院，江苏 南京 211171；2 南京师范大学化学材料学院，江苏 南京 210012)

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果[2]。

南京晓庄学院环境科学学院基于以成果为导向的OBE理念，采用虚拟仿真技术建设以一系列化学化工虚拟仿真教学软件为基础的虚拟仿真实验室[3]。本文以其中恒压过滤试验系统软件平台为例，探讨虚拟仿真实验给实际教学带来的改变。

1 虚拟仿真技术在化学实验教学中的优势

在传统的化学化工实验教学中存在着一些问题，例如学校准备的实验器材不够齐全，不能很好地满足实验的需求；由于学校的管理制度和维护的方法还不够健全，造成实验仪器的大量损坏，使得很多器材无法重复使用；很多化工实验室的设备为模拟运行设备，无法真实按照实际生产模式运行[4]。另外，学生不具备较为全面的化学素养，不能够预测实验过程的突发情况。虚拟仿真技术实现的教学软件一次发布、随时随地运行，结合3D建模技术可完美展现设备内部结构和运行方式，可解决上述诸多问题[5]。

1.1 解决设备问题开展创新型实验

以化工专业普遍开设的课程《化工原理实验》为例，涉及大量化工设备工作原理的课程，包含大量的操作实验，单靠课堂讲解和PPT辅助教学，很难让学生彻底掌握设备的内部结构和工作原理，而通过虚拟仿真技术可将阀门、调节器、泵等直观展现在学生面前[6]。利用虚拟仿真实验室可有效开展各种化工原理仿真实验，不仅可以提高实验效率，降低实验成本。

1.2 节约资源实现绿色实验教学

开展网络教育可有效地节约实验成本，使得实验课程更小程度的受课时和实验室空间的限制。在实际的化学实验中，常常会产生一些实验废液、垃圾等，对于后期的处理成本高且不可避免的对环境产生较大的污染，而虚拟仿真实验有效地解决了这些问题[7]。同时有利于个性化教学的实现且规避了在实验室中的各种安全隐患。

1.3 以OBE理念改善实验教学

OBE理念强调以成果为导向，我们通过以虚拟仿真技术实现的教学软件中将平面纸质的知识点以可交互的方式呈现，学生对本次实验需要取得的学习成果一目了然。通过知识点与技能拓展相结合，学生可以了解到每个知识点细节在实际应用中的作用。通过不断练习、仿真操作和测试来帮助学生取得这些学习成果，通过虚拟仿真操作考核、实验报告来知道学生是否已经取得这些学习成果[8]。

2 以恒压过滤常数实验为例在实验教学改革应用

2.1 恒压过滤常数测定虚拟仿真软件

恒压过滤教学系统可以分为四大模块：实验讲解模块、恒压过滤操作模块、预习和自测记录模块及实验考试模块。

实验讲解模块：在虚拟仿真实验系统中，可以预先展示实验仪器的各个零部件如图1所示，进入实验讲解界面后包含了压力储槽加料、压力储槽通压缩空气、板框压滤机工作原理、滤板滤框滤布组装、配料槽通压缩空气五个视频讲解如图2所示。通过视频讲解学生可熟悉板框过滤机的构造和操作方式。

图1 实验仪器零部件模型图

图2 实验流程讲解图

恒压过滤模拟操作模块：进入实验操作界面，使用者可以在仿真设备上按照实验顺序进行动手操作，操作过程正确完成后，系统可以根据仿真函数出现对应的效果。实验结束后所采集到的模拟数据如表1所示，进行两组试验后，学生们可以利用所学公式进行数据的处理。通过多组平行仿真实验学会测定过滤常数K、qe、τe及滤饼压缩性指数S的方法，了解操作压力对过滤速度的影响[8]。

表1 模拟数据采集列表

预习和自测记录模块：学生可以通过此模块进行恒压过滤常数测定的实验环节内容预习，对知识点进行测试。教师可以登录管理系统，进入预习、自测记录界面如图3所示，可以查询到学生的预习、自测的记录和回放，打分后可作为学生实验课程的平时成绩，而学生登录平台可以看到自己的预习自测情况。

图3 操作自测界面

实验考试模块：学生登录虚拟仿真系统，可以进行在线操作仿真考试如图4所示，系统可以对学生的操作进行过程记录，自动判分。考试过程中，系统有时间提醒，到达交卷时间，系统自动交卷；考试结束后，学生可以调取自己的考试过程，回看整个操作过程，最终达到熟练正确完成恒压过滤常数的测定。

图4 仿真考试界面

2.2 虚拟仿真教学对实验教学的促进意义

以OBE理念进行课程改革的过程中，教师须明确以成果导向的理念如何进行实验教学设计和教学实施，通过教学解决四个核心问题：是什么、为什么、如何帮助及如何知道，使教学内容最终转化为学生技能[9]。

2.2.1 优化教学方法

在化学化工实验课程的教学，简单的授课以及多媒体辅助教学显得抽象，学生很难直观的了解实验的仪器构造、过程、实验现象等，真实实验出错后会造成仪器损坏、试剂浪费等。而虚拟仿真技术利用了计算机仿真技术创建一个可视化的实验操作环境，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备来反复进行实验。教师教学中可通过实验设备的三维模型讲解，提高实验中的知识点的直观性和形象性，优化实验教学方法。

2.2.2 创建新型教师队伍

结合虚拟仿真技术的新型实验课程，教师可以将知识点通过语音、视频、文字等多维度展现给学生。教研室中教师可以一起对仿真模型进行探讨，结合以人才培养为模式的实验教学改进，可以随时利用仿真教学软件进行教学的研究，以恒压过滤参数测定实验为模板创建更多的虚拟仿真教学软件应用于实验教学中，不断创新，与时俱进，促进学生的创新人才培养[10]。

2.2.3 构建多维度测评

新的实验教学模式对学生而言提出了全新的要求，在对学习成果的评价方面更是需要从多个维度评判。以虚拟现实恒压过滤实验为例，考查方式可以有在线理论考试、仿真操作考试以及真实操作考试。理论考试在南京晓庄学院在线培训与考试系统里面进行，虚拟现实考试在虚拟现实系统里面进行。

2.2.4 对OBE模式人才培养的促进

提高创新人才的培养，对其的评价方式就要进行创城，不能单单只借助于传统的闭卷考试，要结合互联网的线上学习和模拟操作能力进行评价。进而实现高校化工类专业课程教学效果的有效提升，培养出综合素质较高的复合型人才。

2.3 虚拟仿真教学对学生实验的改进效果

图5 学生实验考查结果对比图

为了验证虚拟仿真实验在教学中的应用效果，我们选取了我校2018级化学一个班级的60位学生分成2组(1号组仅使用实验教材，2号组结合使用本仿真软件号组)，采用学校的考试平台进行随机组题进行恒压过滤实验的教学评估，分别从课前预习、实验操作计时以及最终学习效果三个维度进行评价，结果如图5所示。

从图5中可以看到通过仿真操作训练的2组良好和优秀率明显较1号组要高，掌握知识技能完成度要好。在评价完成后，我们通过仿真软件的反馈功能收集学生对于软件操作、软件知识内容、与实验课程衔接等各方面的建议，进一步优化仿真软件功能。

3 结 语

我们利用虚拟仿真技术实现的实验教学平台，弥补了实际实验操作中危险性高、重金属有机物污染环境、仪器药品价格昂贵等不足，同时也为化学化工专业实验提供了全新的教学模式。利用互联网的便利，每位学生可以随时随地操作实验，更加直观地掌握实验的具体流程，提高实践操作能力，同时与时俱进掌握走在科技前端的虚拟仿真技术，在日后的工作求职占据了一定的优势。

和多媒体教学一样，虚拟仿真技术的引入是为了有效地弥补传统的实验教学存在的一些问题。但客观来说，网络仿真操作和实际操作仪器设备还是存在很大差距，VR技术只是提高了学生对实践技能的掌握和应用，并不能完全代替实际操作所带来的效果[7]。但随着互联网的快速发展，虚拟仿真实验室的建设是大势所趋，是顺应科技发展的潮流。教师如将仿真软件与现实实验相结合应用于日常教学，必将会大大改善教学质量，全面提升教学效果和改革教育教学模式。