曹高 申东升 周臻
摘 要：跟着教育信息化的迅速展开，仿真模仿试验以其新颖共同的教育办法及相关于传统试验教育的优势，越来越遭到各级教育行政部门和高校的注重。文章以广东药科大学为例，论述了医药化工省级试验教育演示中心在化学化工相关专业中展开仿真模仿试验教育的经历。经过仿真模仿试验教育项意图建造与运用，进一步丰厚了演示中心的教育资源，对试验教育质量的进步和实践教育变革的深化都将发生活跃的影响。
关键词：仿真模仿试验；试验教育；化学化工
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）03-0038-04
跟着核算机信息技术的飞速展开，仿真模仿技术遭到了史无前例的注重，现已成为继理论研讨、试验研讨之后的第三大认知国际和科学研讨的办法[1]。为执行国家信息化展开战略的要求，仿真模仿技术在科学研讨及教育教育领域中的运用正逐渐深化。教育部近年来加强了对试验教育信息化作业的宏观辅导，先后出台了强有力的方针和办法：2012年3月，教育部印发了“教育信息化十年展开规划（2011—2020年）”；2013年3月，教育部出台了“教育部关于全面进步高级教育质量的若干定见”；同年8月，教育部决议展开国家级虚拟仿真试验教育演示中心的建造作业[2]；2016年2月，教育部办公厅印发了“2016年教育信息化作业关键”，试点展开优质虚拟仿真试验项目资源库的建造；2016年6月，教育部又下发了“教育信息化十三五规划”，进一步断定了教育信息化的方针使命。各省市在2017年开端的“新工科”建造举动道路中，也越来越注重仿真模仿等立异工程实践教育办法，不断完善新工科人才“构思—立异—创业”教育体系。
在我国高级教育规划不断扩大的一起，高级学校需不断推动各类试验室的建造和晋级改造，但传统实在试验室建造本钱高，试验设备和教育环境需求继续的经费和人力投入进行保护，这给部分高校的财务及师资带来不小的压力，一起也难以确保试验教育的效果；另一方面，传统实在试验教育形式存在必定的单一性、被动性等缺陷，不利于新时期下学生立异才能的培育[3]。而仿真模仿试验教育是传统试验教育的有利弥补，它能够优化试验教育资源，营建多样化的教育环境，增强试验教育的互动性，能有用战胜实在环境中的许多约束，营建愈加安全的试验教育空气，并能激起学生自主学习的活跃性，对试验教育质量的进步及运用型立异人才的培育都具有活跃的含义。
2015年10月，教育部、国家展开变革委、财务部联合下发了“关于引导部分当地一般本科高校向运用型改变的辅导定见”，明确提出要加强运用型、复合型、立异型人才的培育。仿真模仿试验教育的展开正是适应了教育信息化的展开趋势和运用型人才培育的实践需求。化学化工所包含的专业如运用化学、化学工程与工艺、高分子材料与工程等都是典型的工科专业，也是典型的技术型、运用型专业，其对试验及实践教育的质量提出了更高的要求。广东药科大学医药化工学院捉住医药化工省级试验教育演示中心建造的机会，在上述专业的试验、实践教育中，引进仿真模仿试验教育项目，活跃培育学生的信息化才能和工程素质，为同类院校展开仿真模仿试验教育供给必定的参阅。
一、仿真模仿试验教育的探究
（一）CSD数据库及晶体结构软件在立体化学分子树立与模仿试验教育中的运用
在化学化工专业必修科目“有机化学”课程中，分子的对映异构、构象异构和构型异构等立体异构的内容，是教育进程中的要点和难点。在传统的有机化学试验教育中，组织了有机化合物分子模型树立这一试验，其意图就是经过树立有机分子的球棍模型，加深对分子立体结构的了解。这一试验通常是分发球棍模型在课后完结。但在实践的教育进程中，学生的活跃性不高，教育效果欠佳，许多学生学完后对相关的概念仍是模糊不清。国外已有一些高校展开了一些分子水平上的仿真模仿试验[4-5]，咱们对这一试验项目进行虚拟化变革，测验运用英国剑桥结构数据库CSD（Cambridge Structural Database）及相关的免费三维可视化软件Mercury、Encif于立体化学关于构型、构象、手性等概念的教育中[6]。CSD数据库是剑桥晶体结构数据中心树立的根据X光和中子衍射试验的小分子及金属有机分子的结构数据库，该数据库自1965年树立以来，到现在现已录入超过了80万个分子结构数据。咱们在巨大的CSD数据库中检索到有关双键、环状化合物的顺反异构、手性中心R/S对映异构、船式、椅式构型等的典型实例，并结合运用相关的晶体结构软件，可清楚地了解有机化合物分子中各原子的三维空间扩展状况，增加了立体化学教育的直观性。
在试验教育进程中，医药化工省级试验教育演示中心一向着重要尽或许结合研讨前沿的新内容和新效果。在上述根底上，咱们从CSD数据库中，又体系总结出含氮、磷的手性杂原子、轴手性、平面手性、螺旋手性、超分子手性等最新的一些不含手性碳原子的手性化合物及其絕对构型[7-8]，并相同地运用到立体化学的虚拟试验教育中，极大地加深了学生对手性概念的知道和了解。相关于机械化地树立分子球棍模型，此类型的虚拟试验教育更能招引学生的学习爱好，对相关专业常识的了解愈加深入。
（二）ChemOffice在桌面化学试验教育中的运用
化学化工专业的学生，在许多课程的学习及完本钱科毕业论文的进程中，都会触及分子式、反响式、反响设备图等的制作。然而在实践教育进程中，却没有针对这一方面临学生进行专门的操练，因而导致了相关的课程作业及毕业论文中，各类分子式、反响式书写极不标准，学生没能把握必要的专业技术等问题。因而，咱们运用省级试验教育演示中心齐备的多媒体及网络教育的有利条件，在“有机化学”课程的试验教育中专门开设了ChemOffice的运用这一试验项目。
ChemOffice是美国剑桥公司出书的化学剖析桌面套件，软件包含ChemBioDraw、ChemBio 3D、ChemFinder、ChemBioDraw for Excel等模块。其间的ChemBioDraw首要用于化学结构绘图，ChemBio 3D可在分子水平上模仿和剖析分子的立体构象，可用于规划化学模型，进举动力学模仿、化合物构象剖析和过渡态能量最优化等。
在该项意图试验教育中，咱们与学生具体介绍制作一般结构式、反响中间体、杂乱环结构、Fischer投影式、Newman投影式、透视图、立体化学结构式及反响式等的进程和办法，解说ChemBioDraw的扩展功用，例如制作薄层色谱图、反响设备图、显现剖析信息及物理性质、猜测NMR谱、结构式和命名彼此转化以及其与Word和ChemBio 3D的相关等，然后在试验讲堂中安置制作简略分子式、官能团结构式、反响式和试验设备图等操练，在课后制作杂乱分子结构式，化合物称号与结构式转化，3D图形制作，波谱解析，键长、键角、二面角、分子间间隔、分子地点空间的核算等拓宽操练。借助于ChemOffice仿真模仿试验项意图教育实践，使学生更好地把握化学化工的专业常识与专业东西，完结了专业软件与化学化工专业课程的彼此交融。从实践的教育效果来看，ChemOffice桌面化学软件的运用无论是对教师的讲堂教育，仍是对学生的课程学习、论文写作以及科研参加，均能起到杰出的效果。
（三）Origin软件在化学化工试验数据及图表处理试验教育中的运用
在化学化工相关的课程试验，如“物理化学”“化工原理”，以及完本钱科毕业论文进程中，常常要处理批量的试验数据，需求对数据进行收拾和剖析，然后用表格或图形来表达，用以对试验现象进行阐明并做出科学的定论。如今很多的试验数据和图形都能够经过核算机软件如Excel＼Matlab＼Spss＼Origin等进行剖析和处理，这现已成为今世大学生有必要把握的常识和技术。但现行大大都培育计划的核算机课程中，对这一方面很少触及。一起在实践的教育中咱们也发现，大都学生在进行化学试验后，不会运用核算机软件处理试验数据、制作效果图等。因而，咱们在学生专业试验及出产实习开端前，运用试验教育演示中心的渠道，在三个化学化工相关专业中统一开设了Origin软件在试验数据及图表处理中的试验教育项目。
Origin是美国OriginLab公司开发的数据剖析和绘图软件，其运用领域十分广泛。该软件的功用首要稀有据剖析和图表制作两个方面。咱们开设的Origin数据剖析与处理试验课程，第一课对软件的根本界面、数据输入和导入、二维图形制作做出具体的阐明，其间二维图形的制作是教育的要点，对简略图形制作、增加差错棒、文件及图的保存、图形调查和数据读取、多层图形制作都进行了具体的解说。第二课首要与学生解说函数拟合，包含Fitting 菜单东西拟合、非线性曲线和曲面拟合、自定义函数拟合以及拟组效果剖析等教育内容。
经过这一试验项意图教育，不但能进步学生对试验数据的剖析处理才能，并且能深化学生对所学专业常识的了解，一起也进步了学生完结实在试验的爱好。另一方面，进步学生的核算机运用水平，尤其是进步学生专业软件的运用水平，也是试验教育的一个重要内容和方针，这样能使学生较早地触摸到专业的科研东西，培育其开始的科研爱好及立异才能。
（四）AutoCAD/PIDCAD/AutoCAD Plant3D在化工工程规划试验教育中的运用
化学工程与工艺、高分子材料与工程、运用化学专业都归于工科专业，在这些专业的培育计划中，有一门根底必修课程“工程制图”常常由于师资等原因被一些当地非归纳性一般院校所忽视。实践上，在高级工科课程中，制图是一门重要的根底必修课。该课程首要培育学生制作和阅览工程图样的根本才能。近年来跟着核算机多媒体技术的展开，核算机绘图现已替代了传统的手艺绘图。咱们在三个专业的工程制图课程中，均开设了18个学时的上机试验项目。AutoCAD是美国Autodesk公司规划的核算机辅佐规划软件，首要用于二维工程制图和根本三维规划，现现已成为国际上广为运用的工程制图软件。在化学工程与工艺专业的专业课程“化工制图”中，相同开设了18个学时的上机试验课程。在运用AutoCAD软件的根底上，咱们引进了PIDCAD及AutoCAD Plant 3D的教育。PIDCAD是专为工程技术规划人员及高级院校师生规划的，用于化工工程规划、管道和外表、工艺物料流程图制作的东西软件。其多达600多项的功用，如在图上增加设备、外表、阀门、管件，以及增加管线、标明管线号、管内介质流向等，都十分简洁方便。而AutoCAD Plant 3D试验教育的引进，使学生把握了必定的三维绘图的根底。经过这些试验项意图教育，学生除了把握根本的制图技术以外，还能较早地触摸工程思维，培育学生的工程素质，且对后续的“化工机械根底”“化工规划”等课程都打下了坚实的根底。
（五）Aspen Plus/PRO II的化工流程模仿与仿真试验教育中的运用
化学化工学科是运用性、实践性很强的学科，尤其是化工专业，与实践运用的结合比其他学科愈加亲近，因而化工专业的实践教育至关重要[9]。一方面，为了进步实践教育的质量，医药化工省级试验教育演示中心现已出资了近150万元，建造了化工原理及化工专业试验室，置办了机械能转化、板式塔流体力学、雷诺演示试验设备，空气—蒸汽给热系数测定、筛板精馏塔、填料吸收塔、洞道枯燥、流体力学归纳试验设备等多套化工专业试验设备。这些试验室的工艺设备巨大，资金投入大，运用率却较低。
另一方面，化工试验本钱高，耗时较长等特色使得试验室仅能开设一些小型的、简略的验证性试验，这关于培育学生的立异才能和处理工程实践问题的才能效果有限。运用信息化的仿真模仿教育手法把实在的化学工业进程展示给学生，能夠表现仿真模仿进程的先进性和优越性，也能由浅入深，激起学生的学习爱好，培育其归纳剖析处理问题的才能。跟着试验教育演示中心网络机房的建造以及电脑在学生中普及率的进步，为运用模仿软件进行辅佐教育供给了条件。咱们测验将Aspen Plus、PRO II等化工专业模仿软件有意图、有进程地引进到化工专业实践课程的教育中。
Aspen Plus是化工行业公认的通用化工流程模仿软件，它供给了全面的单元操作模块，包含反响器、别离操作单元、换热器等；一起它还供给了很多的物性数据，模型/流程剖析功用、工程规划才能等。PROII软件是由SIMSCI公司开发的大型流程模仿软件，该软件用数学模型对各个操作单元以及整个工艺流程进行描绘和模仿，是一种能够将全流程视为一个全体的归纳性核算模仿软件，它包含了巨大的化学组分库和热力学办法。因而，它在化学、石油、天然气，组成燃料工业方面可供给杂乱牢靠的模仿功用。咱们经过单元模型操作、进程体系模仿和化工厂规划3个阶段的操练，将这类仿真模仿软件引进化工专业中心课程“化工原理”“化学反响工程”“化工热力学”等的教育中，强化了化工专业中心课程体系的建造，能够使学生理论联系实践，不仅能进步学生的学习爱好，促进学生着手处理工程实践问题的才能，还培育了学生运用核算机进行科学研讨的技术，为日后从事实践的工程规划作业打下杰出的根底。作为此类仿真模仿试验教育的效果，在近年举办的一些规划大赛如“全国大学生化工规划比赛”中，我院化工专业的学生都取得了优异的成果。
