米亞策，劉醒民

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

隨著互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等多項(xiàng)高端科技的飛速發(fā)展，高新科技的普及使得人們的學(xué)習(xí)方式和獲取知識(shí)的途徑變得多種多樣?；谛畔⒓夹g(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生的全新教學(xué)模式不斷涌現(xiàn)，學(xué)習(xí)技術(shù)和自主學(xué)習(xí)環(huán)境持續(xù)提高，這使得教育教學(xué)迎來(lái)了重大的歷史性變革。根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》要求，人才培養(yǎng)必須以強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)為著力點(diǎn)，結(jié)合時(shí)代發(fā)展，將信息技術(shù)融入到教學(xué)實(shí)踐中去。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于化工類相關(guān)專業(yè)至關(guān)重要，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和提高學(xué)生創(chuàng)新思維的關(guān)鍵教育環(huán)節(jié)。近年來(lái)，高校不斷地將信息技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果明顯，在教學(xué)中的占據(jù)重要地位[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了完成傳統(tǒng)教學(xué)任務(wù)以外，它能更全面且形象地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)功能，為在未來(lái)的新型教育模式下提升教學(xué)水平，改善教學(xué)效果奠定了基礎(chǔ)。

1 《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程引入虛擬仿真技術(shù)的必要性和可行性

繼數(shù)學(xué)推理與科學(xué)試驗(yàn)之后，虛擬仿真技術(shù)變得越來(lái)越重要。把含有虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1]，通過(guò)虛構(gòu)出身臨其境的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和構(gòu)造實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的好奇心和求知欲，也極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的積極性。讓廣大學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果的弊端[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在達(dá)到教學(xué)目的同時(shí)，節(jié)省了教學(xué)資源，規(guī)避了危險(xiǎn)，特別對(duì)于那些高風(fēng)險(xiǎn)或極端環(huán)境、難以進(jìn)行或不可逆的操作，以及需要節(jié)省資源和成本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都將產(chǎn)生深刻而又顛覆性的影響?！痘ぴ韺?shí)驗(yàn)》是一門帶有很強(qiáng)工程性和實(shí)踐性的課程，虛擬仿真技術(shù)在這門課程中的應(yīng)用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，創(chuàng)新思維，以及工程能力有著至關(guān)重要的影響。目前在大部分高校中，《化工原理實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)模式仍然以傳統(tǒng)模式為主，該模式下的教學(xué)活動(dòng)存在嚴(yán)重弊病，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)受設(shè)備數(shù)量的限制，容易出現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備人員分配過(guò)剩，因此部分學(xué)習(xí)比較被動(dòng)的學(xué)生不能真正參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中。(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一。實(shí)驗(yàn)室配備實(shí)驗(yàn)資源，通常只能開(kāi)展課程標(biāo)準(zhǔn)要求的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有增設(shè)供學(xué)生自主學(xué)習(xí)的拓展實(shí)驗(yàn)。一般情況下，學(xué)生只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上所提供的實(shí)驗(yàn)方案內(nèi)容及操作參數(shù)，按部就班的完成實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)而機(jī)械化地得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種的循規(guī)蹈矩的教學(xué)方式可以幫助學(xué)生了解對(duì)書本理論知識(shí)，卻不利于培養(yǎng)學(xué)生自主分析和自主動(dòng)手的能力，學(xué)生們不能深刻體會(huì)到知識(shí)的本質(zhì)，禁錮學(xué)生們的思維，流于實(shí)驗(yàn)步驟表面，周而復(fù)始的實(shí)驗(yàn)方式更不利于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維及創(chuàng)新能力。(3)理論與實(shí)踐脫節(jié)。實(shí)驗(yàn)課通常安排在相應(yīng)的理論課結(jié)束以后，但由于受場(chǎng)地、設(shè)備的限制，需要按照班級(jí)依次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程的授課對(duì)象較多，不免出現(xiàn)有的班級(jí)在理論課結(jié)束很長(zhǎng)時(shí)間以后才開(kāi)始該部分實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，這種情況下知識(shí)點(diǎn)不能得到及時(shí)有效的反復(fù)思考。(4)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)考核難度較大。目前，實(shí)驗(yàn)考核通常采用五級(jí)分制，根據(jù)學(xué)生出勤情況，實(shí)驗(yàn)操作情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行綜合評(píng)定。實(shí)驗(yàn)操作部分是實(shí)驗(yàn)課的核心，但目前該部分沒(méi)有有效的評(píng)價(jià)手段和約束機(jī)制，比如，由于設(shè)備間的差異性，我們不能單純根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷實(shí)驗(yàn)操作的標(biāo)準(zhǔn)性。目前實(shí)驗(yàn)操作部分評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否出現(xiàn)違規(guī)行為、設(shè)備物品是否損壞等，不能全面反映學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，針對(duì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的思考和對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的了解程度沒(méi)有實(shí)實(shí)在在的考察標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到以上問(wèn)題，在疫情防控的背景下，將遠(yuǎn)程教學(xué)和教學(xué)模式改革緊密結(jié)合起來(lái)，利用虛擬仿真技術(shù)，開(kāi)展《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程遠(yuǎn)程教學(xué)活動(dòng)，提高教學(xué)質(zhì)量，讓“壞事”變成“好事”。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率高、實(shí)驗(yàn)過(guò)程周期短，完成實(shí)驗(yàn)的成本低、內(nèi)容豐富，使學(xué)生可以發(fā)散思維，勇于創(chuàng)新，不用受場(chǎng)地與設(shè)備的限制，深刻理解理論知識(shí)，掌握更多的技能，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)于改善課程教學(xué)效果具有十分重大的意義。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)四大功能體系框架Fig.1 Four functional framework of virtual simulation experiment teaching platform system

近年來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的建立為實(shí)驗(yàn)類課程的虛擬仿真教學(xué)提供了軟件支持[3-4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)是一種創(chuàng)新型的仿真軟件，相比于傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)，其針對(duì)性更強(qiáng)，受眾面積更廣，具有更強(qiáng)大的仿真性和互動(dòng)性。如圖1所示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)包括沉浸展示、動(dòng)態(tài)演示、實(shí)操交互和協(xié)同與考評(píng)四大功能體系：① 沉浸展示，通過(guò)VR體驗(yàn)及立體展映對(duì)整體系統(tǒng)、場(chǎng)景進(jìn)行沉浸式虛擬展示，對(duì)物體的外觀、內(nèi)在及結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維可視化展示，給觀看者帶來(lái)身臨其境的感覺(jué)；② 動(dòng)態(tài)演示，對(duì)于特定的時(shí)間、情景進(jìn)行劇本設(shè)定，并通過(guò)動(dòng)畫、資料影片、VR體驗(yàn)、全景視頻等多種方式進(jìn)行展現(xiàn)，達(dá)到教育、宣傳和體驗(yàn)的目的；③ 實(shí)操交互，通過(guò)VR設(shè)備和交互控制系統(tǒng)，可在建筑和場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行VR漫游，可以更真實(shí)地觀看場(chǎng)景內(nèi)的每個(gè)細(xì)節(jié)，提高代入感和沉浸感；④ 協(xié)同與考評(píng)，根據(jù)教學(xué)要求，可進(jìn)行2～4人的多人協(xié)同操作，并通過(guò)操作正確率、操作時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)形式進(jìn)行考核評(píng)定，可與學(xué)校的教學(xué)管理平臺(tái)或多媒體平臺(tái)相結(jié)合，結(jié)合電子教學(xué)資源，提供手機(jī)端、網(wǎng)頁(yè)端、APP端等附加形式，便于學(xué)生觀看學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的不斷完善，保證了實(shí)驗(yàn)課虛擬仿真教學(xué)模式的不斷發(fā)展與推廣。

2 基于虛擬仿真技術(shù)的《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程遠(yuǎn)程教學(xué)思路

以《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》以及《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》等文件及其主要方針作為指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)全國(guó)“雙一流”建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下[4]，本利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建基于虛擬仿真技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)模式，規(guī)避目前傳統(tǒng)教學(xué)模式下由于時(shí)間、空間、資源限制，實(shí)驗(yàn)類教學(xué)活動(dòng)存在的一些弊端。

本文選擇由東方仿真提供的易思在線作為《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程的遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)遠(yuǎn)程教學(xué)模式的實(shí)施，在以下幾個(gè)方面作出具體研究：(1)組織教學(xué)內(nèi)容，確定教學(xué)設(shè)計(jì)?？茖W(xué)分析學(xué)生特點(diǎn)(知識(shí)儲(chǔ)備、年齡特征和學(xué)習(xí)需求)和企業(yè)要求，結(jié)合最新的專業(yè)技術(shù)、一線工程案例，組織教學(xué)內(nèi)容，確定教學(xué)設(shè)計(jì)。在這種教學(xué)模式下，可活動(dòng)性大，涵蓋知識(shí)面更廣，可實(shí)現(xiàn)各種教學(xué)方法的有機(jī)融合，提高教學(xué)水平。(2)積極探索和構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)模式。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行新學(xué)期《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程的遠(yuǎn)程教學(xué)活動(dòng)。邊教學(xué)、邊反思、邊改進(jìn)，探索虛擬仿真技術(shù)在《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程中的最佳應(yīng)用辦法。(3)充分利用“教”與“學(xué)”的反饋信息，充分優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。學(xué)生是課堂的主體，在教學(xué)過(guò)程中充分考慮學(xué)生的反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。具體實(shí)施計(jì)劃如下(圖2)：① “知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)。通過(guò)優(yōu)慕課平臺(tái)，初步建立了《化工原理實(shí)驗(yàn)》網(wǎng)絡(luò)課程。針對(duì)單相流體阻力測(cè)定、離心泵特性曲線測(cè)定、板框過(guò)濾、傳熱、單管升膜蒸發(fā)、精餾、二氧化碳吸收、干燥八個(gè)單元操作實(shí)驗(yàn)，借助優(yōu)慕課平臺(tái)，導(dǎo)入了包括實(shí)驗(yàn)理論講解、實(shí)驗(yàn)裝置講解、化工設(shè)備講解在內(nèi)的教學(xué)文件(視頻和課件)和配套習(xí)題。學(xué)生通過(guò)教學(xué)文件學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并通過(guò)線上測(cè)試考評(píng)該環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效果。在“教”與“學(xué)”的過(guò)程中，遇到的困難，教師和學(xué)生可以在網(wǎng)上討論區(qū)進(jìn)行討論。② “仿真學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)。借助易思在線虛擬仿真平臺(tái)，利用已有仿真軟件組建仿真課程。學(xué)生在線學(xué)習(xí)仿真操作流程，按照仿真軟件制定的操作步驟，應(yīng)用已學(xué)習(xí)的知識(shí)，在線操作仿真軟件，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該環(huán)節(jié)學(xué)生可結(jié)合自身學(xué)習(xí)情況選擇是否重復(fù)實(shí)驗(yàn)。任課老師結(jié)合學(xué)生練習(xí)記錄及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息，掌握學(xué)生仿真學(xué)習(xí)效果。③ “考評(píng)”環(huán)節(jié)。通過(guò)自定義各學(xué)習(xí)模塊權(quán)重，評(píng)定學(xué)生學(xué)習(xí)成果，給予最終成績(jī)。主要包括：知識(shí)點(diǎn)在線測(cè)試分?jǐn)?shù)(權(quán)重=0.1)、仿真操作成績(jī)(權(quán)重=0.2)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)(權(quán)重=0.7)。

圖2 基于虛擬仿真技術(shù)的《化工原理實(shí)驗(yàn)》 遠(yuǎn)程教學(xué)設(shè)計(jì)框架圖Fig.2 Frame diagram of remote teaching design of Chemical Engineering Principle Experiment based on virtual simulation technology

3 基于虛擬仿真技術(shù)的《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程遠(yuǎn)程教學(xué)效果評(píng)價(jià)與反思

學(xué)生是課堂的主體，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)充分考慮學(xué)生的反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)[5]。本文以調(diào)查問(wèn)卷的形式，對(duì)仿真學(xué)習(xí)效果進(jìn)行了測(cè)評(píng)，測(cè)評(píng)對(duì)象為2020年春季-2021年春季學(xué)期疫情期間，遠(yuǎn)程完成《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程的包括留學(xué)生在內(nèi)的約800名化工類專業(yè)學(xué)生。測(cè)評(píng)結(jié)果總結(jié)如下：(1)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的熟悉度，大多數(shù)學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的熟識(shí)度不高，不能熟練操作相關(guān)軟件，這給虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的推廣帶來(lái)了一定困難，在加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算機(jī)操作訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，仿真軟件也需要進(jìn)一步升級(jí)，操作簡(jiǎn)單，普適性高。應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)解決課程學(xué)習(xí)中的疑問(wèn)，對(duì)于化工專業(yè)類學(xué)生尤其化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生，掌握一門流程模擬軟件對(duì)于今后的學(xué)習(xí)和工作都是大有裨益的。(2)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的接受度，少數(shù)同學(xué)明確表示不喜歡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，后期跟進(jìn)中發(fā)現(xiàn)主要原因有以下幾點(diǎn)：① 不具備線上仿真條件；② 虛擬仿真不真實(shí)，缺少趣味性；③ 軟件掉幀嚴(yán)重，易出現(xiàn)卡頓，體驗(yàn)感差；④ 同學(xué)之間溝通少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的深入討論；⑤ 不能鍛煉動(dòng)手能力。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的不斷完善，以上問(wèn)題均可逐一解決。例如：仿真軟件是否可以實(shí)現(xiàn)由線上仿真操作改為單機(jī)仿真操作，這種改進(jìn)將解決由于上網(wǎng)困難無(wú)法進(jìn)行線上仿真操作的問(wèn)題。(3)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)建議：①進(jìn)一步升級(jí)和完善軟件系統(tǒng)；②強(qiáng)化小組溝通，體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作；③增加課堂趣味性；④ 增加一欄常見(jiàn)問(wèn)題解決，來(lái)解釋學(xué)生操作出現(xiàn)各種現(xiàn)象的原因依據(jù)以及提供解決辦法；⑤ 線上直播模擬程序。主要問(wèn)題是線上教學(xué)方案還不完善，學(xué)生對(duì)線上教學(xué)還不能完全接受，線上溝通有限，不能實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，這些都需要在今后的教學(xué)活動(dòng)中不斷改進(jìn)。例如：雖然建立了與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)相配套的教學(xué)資源，但學(xué)生學(xué)習(xí)很被動(dòng)，不能充分體現(xiàn)以“學(xué)生”為中心的教學(xué)理念，應(yīng)充分利用當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)交互平臺(tái)，增加課堂互動(dòng)，升華課堂內(nèi)容。

4 結(jié) 語(yǔ)

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可更好地實(shí)現(xiàn)了“教、學(xué)、做”一體化，并且在營(yíng)造良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、提高教學(xué)水平、改善教學(xué)效果的同時(shí)減少設(shè)備磨損和資源消耗，尤其是耗材的使用量，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)的安全性也有極大提升，徹底的實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)本質(zhì)化安全的理想狀態(tài)，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，沒(méi)有了時(shí)間、空間和資源的限制。本次遠(yuǎn)程教學(xué)發(fā)現(xiàn)，完全基于虛擬仿真技術(shù)的《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程的遠(yuǎn)程教學(xué)模式存在學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、學(xué)習(xí)被動(dòng)等問(wèn)題，但隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷完善，以及教學(xué)方案的不斷改進(jìn)，這些問(wèn)題都將迎刃而解。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于《化工原理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)于提高課程教學(xué)效果具有重要意義。