王彬，秦川麗，劉一夫，孫少平

黑龍江大學化學化工與材料學院，哈爾濱 150080

自2013年以來，教育部先后開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心、示范性虛擬仿真實驗教學項目和虛擬仿真實驗教學一流課程的建設。近年來，各高校在相關的建設方面開展了積極探索與實踐，虛擬仿真實驗教學已成為提升高等教育發(fā)展水平和全面提高人才培養(yǎng)質量不可或缺的手段。特別是在高危、高污染和高成本的化學化工類相關學科的實驗教學方面發(fā)揮越來越重要的作用[1-6]。雖然我校1998年就在化學工程與工藝專業(yè)開展化工模擬仿真課程，但因為軟、硬件建設薄弱等原因并未實現(xiàn)系統(tǒng)、開放的現(xiàn)代信息化建設，沒有將虛擬仿真實驗教學融入化學實驗教學體系。為了彌補實驗教學無法或者難以實現(xiàn)的教學過程問題，我校有針對性地開設了系統(tǒng)的化學化工類虛擬仿真實驗教學，建立了多功能、多層次、綜合性的化學化工類虛擬仿真實驗教學中心和體系、信息化平臺、實驗項目和課程[7,8]。

1 化學化工虛擬仿真實驗教學中心建設

以省級實驗教學示范中心為依托，以化學工程與工藝專業(yè)、化學工程與技術學科的化工模擬仿真實驗室為基礎，利用校內數(shù)據(jù)科學與技術學院、信息與網(wǎng)絡中心和教育技術中心等資源，2014年，組建了黑龍江大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱中心)[7]。多年來，中心充分利用本?；瘜W和材料化學學科ESI數(shù)據(jù)庫排名進入全球研究機構前1%的學科和國家級一流專業(yè)的專業(yè)優(yōu)勢，功能無機材料化學教育部重點實驗室、中俄聯(lián)合國家級科技創(chuàng)新平臺和中俄聯(lián)合本科實驗室等科研資源，堅持能實不虛的大方向，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力化學化工人才為建設目標，按照“資源共享、學科融合、虛實結合”的建設理念，搭建了化工虛擬仿真實驗室、化學制藥虛擬仿真實驗室和大型儀器材料表征虛擬仿真實驗室，建立了多層次、多功能、綜合性的虛擬仿真實驗教學體系，服務于化學工程與工藝、環(huán)境科學、高分子材料與工程、材料化學、制藥工程、生物工程、生物技術等2個二級學院7個專業(yè)。中心逐步成為了省級化學實驗教學示范中心的重要建設組成部分，為2018年獲得的省級高等學校教學成果特等獎——“黑龍江大學化學實驗教學中心建設的改革與實踐”做出了重要貢獻。

2 虛擬仿真網(wǎng)絡平臺建設

開放共享的信息化網(wǎng)絡平臺是虛擬仿真實驗教學運行和對外開放的基礎，中心建立了輔助虛擬實驗教學和管理于一體的開放性、共享的虛擬仿真信息化網(wǎng)絡平臺(以下簡稱“平臺”，網(wǎng)址：http://119.163.195.34:8088/hljuweb/index.do)，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗中心、項目、課程和教學一體化管理。實行虛擬仿真實驗中心實驗室信息網(wǎng)絡化管理，高效管理實驗教學資源，具有較強的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能；實現(xiàn)了虛擬仿真實驗項目和一流課程申報，對外開放輻射，可持續(xù)完善、升級、整合和提升綜合信息化管理；實現(xiàn)了實驗教學安排組織，教學情況和信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析，時時師生在線交流，學生學習情況監(jiān)督、分析和統(tǒng)計；實現(xiàn)了完善的學生成績評價體系，實時反映學生操作過程，便于學生及時發(fā)現(xiàn)問題，提高學生分析問題和解決問題的能力，促進了虛擬仿真課程信息化建設，突破了時間和空間等多種因素的局限性。

根據(jù)“大工科”人才培養(yǎng)體系和國家級一流本科專業(yè)建設“雙萬計劃”的建設需要，平臺搭建了化工虛擬仿真實驗教學、制藥工程虛擬仿真實驗教學和大型儀器材料結構表征虛擬仿真實驗教學三大模塊?；ぬ摂M仿真實驗教學模塊擁有合成氨三維虛擬仿真實驗項目和一套化工單元實習仿真軟件(其中包括15個基本單元操作)，服務于化學工程與工藝、環(huán)境科學、高分子材料與工程專業(yè)化工模擬仿真課程；制藥工程虛擬仿真實驗教學模塊擁有硬膠囊劑生產三維虛擬仿真軟件，服務于制藥工程、生物工程、生物技術等專業(yè)課程；大型儀器材料結構表征虛擬仿真實驗教學模塊利用學院科研成果，開發(fā)了對二氧化鈦納米粒子的掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜四個大型儀器表征的虛擬仿真實驗教學項目，服務于國家級一流本科專業(yè)建設“雙萬計劃”材料化學專業(yè)的“材料合成、結構及性能測試實驗”和“材料加工與設計實驗”課程。

3 虛擬仿真實驗項目建設

3.1 合成氨三維虛擬仿真實驗項目

為了解決化學工程與工藝專業(yè)實驗教學中工程能力不足，實習實訓場地、環(huán)境、安全和動手操作難等限制實際問題，結合我省工業(yè)產業(yè)特點和國家化工類人才培養(yǎng)需求，以合成氨工廠工藝為模擬載體，2015年搭建了合成氨3D虛擬現(xiàn)實仿真實驗項目[8]。在服務于化學工程與工藝專業(yè)化工模擬仿真課程基礎上，成功推廣到環(huán)境科學、高分子科學與工程等工科專業(yè)，此項目獲得2017年黑龍江省示范性虛擬仿真實驗項目。

該項目采用三維虛擬技術動態(tài)過程高度模擬實際合成氨工廠環(huán)境、生產過程，將廠區(qū)、生產車間、設備三維構象呈現(xiàn)，學生以不同工種角色可以身臨其境地漫游工廠、操作設備、儀表控制、調節(jié)元件閥門參數(shù)、檢查故障等實際操作(圖1)，還可以滿足多個角色共同合作生產，具有較強的沉浸感和交互性。滿足了學生對經典工藝流程、設備原理、單元操作、控制系統(tǒng)、故障處理、環(huán)境安全生產等知識點的學習理解。其中，工藝技術主要包含能量轉換、合成氨的制備、氣體的分離與凈化以及現(xiàn)代化催化反應工程技術等。

圖1 合成氨工藝3D操作界面

在虛擬仿真教學中，分別進行脫丙烷精餾、吸收及鍋爐等工藝崗位操作，重點掌握合成氨原料氣的制備、變壓吸附(PSA)工藝、氨的催化合成三個煤制合成氨的重要工段，每個工段重點操作開車、停車并登記操作分數(shù)，了解正常操作的工藝參數(shù)和典型的事故處理方法。掌握調節(jié)器和調節(jié)閥的基本操作方法，進而熟悉比例積分微分控制(PID)在線整定及對復雜控制系統(tǒng)的投運和調整技術，比如串級控制和分程控制。在合成氨3D虛擬仿真界面，熟悉整個合成氨工藝的主要典型設備，包括泵、壓縮機、換熱器、精餾塔、合成塔等。理順從原料到產品經過一系列單元操作的主要工藝路線，了解化工廠的安全操作規(guī)程，能夠角色扮演一名工藝人員或多個角色合作進行相應操作。

在基礎和專業(yè)實驗教學中，借助于我們實驗室的化工單元操作設備，動手實際操作煤制合成氨虛擬仿真的核心相似單元操作，如精餾過程、吸收過程、回流過程、(真空)濃縮過程、傳熱過程和離心泵等，進而實現(xiàn)相應的虛擬實驗的相近的實際操作練習，在化工廠實習不能動手的操作，在實驗室教學中得以實施。通過虛實的結合，實現(xiàn)了虛擬仿真過程的真實再現(xiàn)，實現(xiàn)了虛擬實驗教學和實驗室教學、學校和化工企業(yè)的無縫銜接。

3.2 硬膠囊劑生產三維虛擬仿真實驗項目

為了進一步解決制藥工程專業(yè)實驗教學中工程能力不足，實習實踐等活動所需場地、時間、經費以及安全等多種因素的制約實際問題，以硬膠囊劑生產為載體，我們搭建了硬膠囊劑生產3D虛擬仿真實驗項目，服務于化學制藥專業(yè)化工模擬仿真課程，并成功推廣到本校生命科學學院生物工程、生物技術等專業(yè)，此項目獲評2018年黑龍江省虛擬仿真實驗項目。

在虛擬仿真教學中，分別進行硬膠囊劑生產過程的206個知識點學習，包含單元操作(圖2)：人員更衣消毒(包括換鞋、更衣、洗手、烘干、二次更衣、二次洗手、消毒等43個知識點)、領料稱量(27個)、粉粹過篩(物料的粉碎和篩分操作，30個)、制軟材、濕法制粒、干燥(物料制漿、混合、制粒以及干燥進行流程化操作，27個)、硬膠囊填充(空膠囊殼排序、拔囊、裝料再到組合成完整膠囊劑的全過程，27個)、內包裝(選用鋁塑包裝的形式，對零散的膠囊進行包裝，任務中對規(guī)范的操作和設備的運作原理進行詳細講解，并對設備相關部件單獨說明，便于理解和學習，26個)、外包裝(模擬真實的生產車間，用戶可在生產現(xiàn)場漫游，了解設備設施布局，并可以任意角度旋轉查看設備部件的構造等，26個)。整個生產過程設計至少10個崗位，學生交互性操作步驟61步，通過人機互動，將藥品實際生產場景虛擬現(xiàn)實化；通過虛擬仿真練習，提高學生的工程設計與應用能力。

圖2 硬膠囊劑生產工藝3D操作界面

在專業(yè)實驗教學中，在硬膠囊劑生產3D虛擬仿真實驗平臺訓練和學習的基礎上，開展拓展延伸的片劑制備實驗，在包含部分虛擬實驗的部分單元操作實驗室技能訓練的同時，拓展學習內容。教師對比平臺實驗知識點，將原理、設備、操作等重點知識點進行分析類比講解，讓學生利用多種學習方式獲得綜合分析解決問題的能力。

3.3 二氧化鈦納米粒子的材料結構表征虛擬仿真實驗項目

材料化學專業(yè)實驗是材料化學專業(yè)課程的重要組成部分，對材料化學專業(yè)國家級一流本科專業(yè)“雙萬計劃”建設和發(fā)展具有重要意義。利用大型儀器對材料理化性質進行深入的分析在材料化學實驗學習中具有十分重要的意義，熟練掌握最新的材料儀器分析原理和技術在現(xiàn)代材料化學實驗教學中是必須的環(huán)節(jié)。但由于大型儀器都很貴重，且儀器操作步驟復雜，要求必須經過專業(yè)培訓的人員才可以進行上機操作，難以保證每位學生都有上機操作的機會。同時，先進材料表征大型儀器都進行了自動化封裝，傳統(tǒng)的實驗室教學很難幫助學生較完整和深入了解儀器的使用和拓展，制約了教學效果。大型材料結構分析儀器的虛擬仿真教學可以很好地解決傳統(tǒng)材料化學實驗教學中存在的問題。

依托國家級一流本科專業(yè)“雙萬計劃”材料化學專業(yè)、材料化學學科(連續(xù)進入ESI世界排名前1%行列)，以及無機功能材料化學教育部重點實驗室科研優(yōu)勢，以我校代表性科研成果“二氧化鈦光催化材料”為載體，搭建了二氧化鈦光催化材料的結構表征虛擬仿真實驗項目，包含透射電子顯微鏡、激光拉曼光譜儀、X射線衍射、X射線光電子能譜四個大型儀器表征的虛擬仿真實驗模塊，服務于材料化學專業(yè)的材料合成、結構及性能測試實驗和材料加工與設計實驗，并推廣應用到學院儀器分析實驗基礎實驗課程，每年受益學生達400余人。此課程獲評2021年省級虛擬仿真實驗教學一流課程。

功能無機材料化學教育部重點實驗室分析測試平臺擁有先進的同型號實體透射電子顯微鏡、激光拉曼光譜儀、X射線衍射儀、X射線光電子能譜儀等大型儀器，結合這些優(yōu)勢，實現(xiàn)虛實結合、線上線下相互補充。所謂的“虛”，是指利用儀器匹配的大型儀器虛擬仿真培訓平臺(圖3)，讓學生圍繞二氧化鈦光催化材料的物相分析、超微形貌表征、微區(qū)晶體結構分析、表面結構分析四個模塊展開，學習儀器的原理、內部構造、操作、分析處理等基本知識的同時，實現(xiàn)材料結構與相應結構分析方式相互關聯(lián)、層層展開、環(huán)環(huán)相扣，讓學生在過程中主動思考，培養(yǎng)邏輯思維能力與研究性學習能力。然后與“實”相結合，即學生以研討小組進入分析測試平臺大型儀器實驗室進行相對應的實驗，教師對比虛擬平臺的知識點，將儀器的原理、結構、操作重難點進行拓展和延伸，讓學生耦合、復合、協(xié)同優(yōu)化知識學習，從樣品制備、裝樣、測試、分析等方面進行動手技能實訓，提升學習效果。

圖3 實驗室實體儀器圖(a)和虛擬仿真平臺構造圖(b)

4 虛擬仿真實驗課程建設

4.1 建立儀器分析實驗四維課程體系

依托儀器分析理論課程，學生掌握儀器分析設備的原理、結構和應用等理論基礎知識。通過儀器分析實驗掌握部分儀器分析設備的操作、使用和分析方法等技能。但很多高端大型儀器設備由于高價格、消耗因素，以及資源缺乏原因，不能提供學生大量實驗操作機會，儀器分析實驗存在課程學生培養(yǎng)與實際需求不匹配的問題，虛擬仿真實驗教學可以一定程度上彌補上述問題。搭建大型儀器材料結構表征虛擬仿真實驗平臺模塊，包含了光譜分析、色譜分析、質譜分析及電化學分析四類11種儀器分析實驗模塊。利用3D虛擬仿真技術，突破傳統(tǒng)的實驗方法，實現(xiàn)大型儀器分析學習、實訓、培訓的綜合能力培養(yǎng)。解決了原子吸收光譜、氣質聯(lián)用儀、透射電子顯微鏡、激光拉曼光譜儀、X射線衍射儀、X射線光電子能譜儀等儀器價格昂貴，以及紅外光譜、電子吸收光譜和電化學系統(tǒng)資源缺乏等儀器分析實驗教學問題，打破了時間、空間等傳統(tǒng)學習的限制，實現(xiàn)了虛實結合、線上線下相互補充，鞏固、拓展和延伸了儀器分析理論和實驗課程的學習(如圖4所示)。利用學習通等交流平臺工具，建立課程慕課平臺，組建儀器分析設備安全手冊、課前預習題、課后討論題、相關科研和課程視頻推送、教學課件等課程教學資源，輔助課程教學。逐步建設成服務于“儀器分析實驗”基礎課程、拔尖人才試驗班“大型儀器設備”課程、材料化學“雙萬專業(yè)”一流本科專業(yè)“材料合成、結構及性能測試實驗”和“材料加工與設計實驗”專業(yè)實驗課等多門課程的多功能虛擬仿真實驗課程，解決了儀器分析理論課+線下實驗課+虛擬仿真實驗+慕課四維課程體系建設中虛擬仿真實驗教學的瓶頸問題，具有重要的現(xiàn)實意義。

圖4 四維課程體系教學過程示意圖

4.2 構建自主靈活、形式多樣的線上線下混合式教學模式

課前，利用虛擬仿真平臺和學習通建立SPOC慕課資源，對實驗相關知識點(例如學習指南手冊、相關科研資料、開放資源、預習題)進行線上自主學習，利用平臺、學習通、微信等交流平臺線上師生、生生交流答疑討論。虛擬仿真實驗項目作為儀器分析實驗的準入制度，在線下實驗開始前進行相關虛擬仿真實驗的線上操作，成績合格后，獲得進入實驗室進行線下實驗的資格。課中，利用虛擬仿真實驗項目的預習和操作練習完成線下實驗，進一步熟練掌握儀器設備的使用、操作和應用，利用學生預習學情分析進行知識梳理、延伸、結合實驗拓展學習。課后，利用虛擬仿真平臺或學習通等交流平臺圍繞實驗進行小組討論、互評，并提交實驗報告和課后測試題；利用虛擬仿真實驗平臺，學生可反復練習虛擬實驗項目，鞏固和升華知識掌握程度。

4.3 實現(xiàn)效果可視、評價多元的考核評價

采取形成性和終結性多元評價方式，例如利用信息技術交流工具討論(如學習通、微信等)，學習通平臺優(yōu)質資源推送等手段，結合虛擬仿真平臺測試題、學生在線操作跟蹤等，根據(jù)實時記錄學生學習及使用情況進行形成性評價。利用線上/線下實驗操作、數(shù)據(jù)分析實驗報告進行終結性評價。通過多元考核評價有效激勵學生自主學習，使其深入理解、鞏固、升華儀器分析設備知識、使用和應用，有效提升學生的研學精神，全面培養(yǎng)學生的科學作風、實驗技能，以及分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題的綜合能力。

4.4 組建懂教學、會教學、愛教學和實驗管理經驗豐富的多元化教學團隊

課程教學團隊均由理論教學教師、實驗教學教師、實驗技術人員和技術開發(fā)人員組成。其中多名教師多年獲得校級教學示范獎和教學標兵獎，具有豐富的教學經驗、教學熱情和實驗室管理經驗。組建學歷、職稱、年齡、教齡梯隊合理、虛擬仿真實驗教學經驗豐富、實驗教學管理嚴謹、綜合性素質強、師德師風過硬的虛擬仿真實驗課程教學團隊。

5 亟待解決的問題

1)化學化工類專業(yè)人才培養(yǎng)離不開實驗教學，實驗教學是理論教學必要的延伸、拓展和補充，是實現(xiàn)理論知識升華的關鍵環(huán)節(jié)。虛擬仿真教學的應用雖解決了上述的諸多問題，但在學生實際操作能力的扎實培養(yǎng)方面仍很難實現(xiàn)，特別是難以實現(xiàn)真實場景中的手、眼、腦協(xié)同，因此必須堅持能實不虛，加強虛實結合環(huán)節(jié)。

2)虛擬仿真技術在實驗教學軟件開發(fā)中應進一步加強人機博弈，溝通的互動性、生動性，提升操作者的沉浸體驗感，解決設備阻斷了信息的全方位交流、缺乏生動性等問題。

3)虛擬仿真實驗教學過程中因材施教、個性化培養(yǎng)有待解決，以及實驗效果的評價難捕捉、難定量，需要在虛擬仿真實驗教學方法、評價體系方面尋求突破。

4)考慮到特色課程建設、開發(fā)、軟硬件建設與運維更新，虛擬仿真實驗項目的綜合成本并不低，受制于成本的因素，項目的仿真度達成和質量控制也將受到影響。應加強虛擬仿真一流課程建設和開放共享來順應實際需求。

6 可持續(xù)發(fā)展

1)加強開發(fā)與建設可以服務于多門課程的虛擬仿真實驗項目，做好虛擬仿真中心的頂層規(guī)劃、有序發(fā)展。

結合學院本科生人才培養(yǎng)的總體目標，做到頂層整體規(guī)劃，以持續(xù)有序發(fā)展的思路，依托化學、材料化學學科(連續(xù)進入ESI世界排名前1%行列)以及無機功能材料化學教育部重點實驗室等國家級平臺科研優(yōu)勢，開發(fā)與建設一批優(yōu)質的服務于多門課程的多功能科研轉教學虛擬仿真實驗項目，發(fā)揮優(yōu)勢學科對本科專業(yè)人才培養(yǎng)的引領作用，發(fā)展學科與專業(yè)一體化建設，從而回饋支撐一流專業(yè)和拔尖人才試驗班建設以及本科人才培養(yǎng)，為提高學校本科教學質量提供有力的保障。

2)制作慕課、教材等教學資源的可持續(xù)改進，加強虛擬仿真實驗課程建設，豐富激勵學生自主學習的教學方法。

結合我校虛擬仿真實驗教學的特色和需要自制慕課，建立文本類、圖像類、視頻類、動畫類等課程相關教學和科研資源，同時出版與課程配套的教材。進一步引入線上和線下混合式教學模式，加強線上試題庫、課件、案例、常見問題解答、優(yōu)質慕課課程推送等信息化教學資源的建設，加強課前和課后學生自主的碎片化學習提升。課中向學生主導式學習轉變，加強提問式、引導式、任務式、探究式教學方法，進一步提升學生學習和研學成效。

3)加強持續(xù)改進的虛擬仿真實驗評價體系，完善考核評價機制，構建服務終身學習的虛擬仿真實驗體系。

根據(jù)“大工科”人才培養(yǎng)體系、“雙萬專業(yè)”一流本科專業(yè)和拔尖人才培養(yǎng)的建設需要，將虛擬仿真實驗課程納入相關專業(yè)人才培養(yǎng)方案，根據(jù)學校課程評價、督導督學評價、學生評價和教師本科生教學綜合評價反饋，持續(xù)改進虛擬仿真課程的評價體系和開放共享的激勵機制，加強課程形成性評價的考核評價方法，增加學生自主學習過程效果考核的比例，增加單元考試，細化評價指標，對學生后續(xù)實驗活動建立全程化跟蹤評價及反饋。

4)加強推廣，完善穩(wěn)定、安全的開放運行模式，充分發(fā)揮示范輻射作用。

在完善優(yōu)化課程體系建設的基礎上，進一步將優(yōu)秀課程資源推廣于我校中俄學院、農學院、生命、建工等相關兄弟院系，全面實施校內共享。同時推廣應用至化學化工類虛擬仿真課程和培訓需求的兄弟院校，充分發(fā)揮示范輻射作用。

7 結語

緊扣學校學科專業(yè)一體化建設、本科專業(yè)人才培養(yǎng)目標需求，黑龍江大學化學化工與材料學院率先在本校開展虛擬仿真實驗教學和改革實踐，構建了化學化工虛擬仿真實驗教學中心。建立了多功能、多層次、綜合性的虛擬仿真實驗教學體系，在設計開發(fā)優(yōu)質示范性虛擬仿真實驗項目的基礎上，強化虛擬仿真實驗課程的建設，開展自主靈活、形式多樣的線上線下混合式教學模式探索，采用了豐富的實驗教學手段和信息化資源，激勵了學生自主學習和研學興趣以及強化了學生專業(yè)實踐能力和分析解決問題的能力。在滿足人才培養(yǎng)的同時，探索虛擬仿真實驗中心、項目和課程一體化建設模式，希望對化學化工類虛擬仿真實驗教育教學改革起到積極的促進作用。今后，中心將進一步發(fā)揮學科和科研平臺優(yōu)勢和特色，設計和開發(fā)優(yōu)質化學化工類相關的虛擬仿真實驗教學項目，進一步加強課程的教學資源、模式和評價體系建設，提升示范輻射能力。