化工原理实验拆装仿真软件的开发和应用

王 晟 居沈贵 薛 峰

(南京工业大学 化工学院，江苏 南京 210009)

化工原理作为化学工程及相关学科的一门重要专业基础课，是理论联系实践的桥梁。该课程的实验内容不同于其他基础课程，具有典型的工程特点，实验过程中常常会遇到大量工程实际问题[1]。

按照《工程认证标准》，对于实验的要求是能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据并通过信息综合得到合理有效的结论。面对学生人数较多，学时数偏少的矛盾，老师只能在课堂上简要说明实验目的、原理和操作要求，不能做深入分析，而学生的学习态度普遍过于浮躁，面对结构复杂的实验仪器和繁杂的实验操作步骤会产生畏难情绪，不愿意提前预习实验[2-3]。于是各高校纷纷开发仿真软件、拍摄实验视频和进行实验设计教学等[4-5]，让学生熟悉实验流程，教学生如何进行操作，以达到面对实验装置能进行有效操作，提高动手能力的目的。于是多数学生在做实验时只忙于“模仿操作”完成实验，对实验数据的处理也是按照教材的案例进行“模仿处理”，忽略了实验设计、实验装置搭建和实验安全等重要环节，最终导致整个实验课程的学习仅限于培养学生的操作能力，不利于帮助学生树立工程观点，培养学生理论联系实际、分析和解决问题的能力。为了改变这一现象，我校依托北京东方仿真软件技术有限公司进行了化工原理实验拆装仿真软件的开发。

1 化工原理实验拆装仿真软件架构的设计

化工原理实验拆装仿真软件为3D模拟仿真软件，涵盖了流体流动阻力测定实验、离心泵性能曲线测定实验、恒压过滤常数测定实验、固体流态化实验、对流给热系数测定实验、填料吸收塔吸收实验、精馏实验和干燥速率曲线测定实验八个化工原理核心实验内容，每个实验包括实验目的、实验原理、PID图绘制、实验装置搭建、实验核心装置拆装和原理展示、实验步骤和实验数据处理及实验报告生成七个部分。该软件不仅涵盖了传统的实验目的和原理的展示和操作步骤仿真等模块，而且增加了实验所用主要设备内部结构和工作原理的展示、实验装置的选择、拆装与搭建等模块，还将化工制图和化工安全生产技术等课程的内容有机地结合起来，使得学生的能力培养形成一个体系。此外，软件采用闯关的模式，增加了学习的趣味性，在每一关最后增设了思考题，让学生对所学内容进行复习和巩固。软件也可以根据学生仿真操作时阀门开度等参数的不同，对实验数据进行模拟，有助于学生对实验数据进行综合分析。该软件的开发对于促进高校实验教学课程改革具有重要的实践价值。

2 化工原理实验拆装仿真软件的制作

化工原理实验拆装仿真软件分为教师站和学员站，分别满足老师的教学要求和学员的学习要求。教师站包括练习和考试策略的生成，学员操作的实时监控和外部干扰等。学员站包括2D界面和3D界面，作为软件的主要学习和操作界面，还有智能评分系统，对学员的学习情况和实验操作进行考核评分。

化工原理实验拆装仿真软件中，每个实验的实验目的、实验原理、PID图绘制、实验操作视频和思考题等为2D界面，通过嵌入和外部调出的方式增加到软件里。Unity搭建的知识点学习大厅，用动画展示了核心装置的拆装、工作原理以及安全知识，以帮助学生拓展学习。实验装置搭建、实验步骤和数据处理部分为3D界面，首先以实际教学装置为原型，通过3DMAX绘制和渲染实验所用管道、阀门、仪表和控制面板等，在达到美术级效果的同时实现与实际教学装置的完全匹配。接着采用Unity搭建3D界面，以实现第一视角的随意走动和不同画面之间的切换，方便学生完成设备选型和实验操作等步骤。最后通过流程工业仿真平台(PISP)将实验数据和操作用数学建模的方式计算出来，在PISP平台和Unity之间进行点值的互相调用，不仅可以实现实验现象的模拟，而且可以进行数据处理和分析以生成实验报告。

3 化工原理实验拆装仿真软件的应用

利用化工原理实验拆装仿真软件，有利于建立以学生为中心，促进学生自主学习的教学模式。学生在任何时候都可以联网通过化工原理实验拆装仿真软件进行自主学习，通过闯关的形式学习实验目的、实验原理、实验所用主要设备内部结构和工作原理，绘制实验工艺流程图，进行实验装置的选择与搭建，了解实验安全注意事项，进行实验操作和数据处理仿真，并完成每一关的思考题，对所学内容进行复习巩固。此外教师也可以通过软件对学生的学习情况和实验操作进行实时监控和考核评分。这样提高了学生自主学习的参与度，使得学习轻松自由，有利于充分调动学生学习的积极性和主动性。

利用化工原理实验拆装仿真软件，可以解决实验台套数少无法满足学生实践能力培养需求的问题。该软件使学生不需要进入实验室就可以了解实验的设计思想、实验装置的搭建、实验流程和实验步骤以及数据处理，减少了学生对实验装置和教师等教学资源的过度依赖，大幅度提升了教学质量。

利用化工原理实验拆装仿真软件，可以加强安全意识。学生利用该软件完成实验装置的搭建后，就会进入安全知识环节，学生需要在高温高压等危险设备上贴上标识，并学习安全操作知识，了解安全注意事项，以避免在实际操作中出现相应安全性问题，降低操作过程的危险性。

利用化工原理实验拆装仿真软件，可以提高学生的创新能力。在学生利用该软件对实验目的和原理、实验工艺流程、实验安全注意事项和实验操作有了充分的了解，对实验现象和数据处理进行了充分的分析的基础上，老师可以要求学生进行实验参数的优化，学生通过进行小组讨论的形式确定实验方案，在软件上模拟操作，分析比较实验结果，给出最优化实验方案。通过这一研究导向型的环节，可以引导学生拓展思维，形成自主创新能力。

4 结论

教育信息化和现代化是教育模式革新的重要途径和手段，是教学资源开放共享和提高大学生培养质量的有效手段[6]。通过化工原理实验拆装仿真软件的开发和应用，可以有效地促进学生自主学习，提升学生的操作能力和创新能力，加强学生的安全意识，为其他实践类课程的教学模式改革提供借鉴和示范。