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仿真模拟实验-化工虚拟实验仿真平台

发布时间:2023-12-22

编辑人:灵图互动

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在化工专业的学习过程中,实验实训是一个不可或缺的环节。然而,由于化工实验实训通常涉及高昂的成本、长时间的耗时、严重的污染以及潜在的危险,这给教学活动带来了诸多挑战。为了解决这些问题,各大高校和专业人士一直在寻求降低成本、提高效率并增强实验实训安全性的方法。

随着科学技术的发展和教育的信息化建设,虚拟仿真技术(VR)逐渐被引入到化工实训活动中。通过构建虚拟实验仿真平台,学生可以在一个虚拟的环境中进行实验操作,从而避免了真实实验中可能出现的危险和污染。此外,虚拟仿真平台还可以模拟各种复杂的化工过程和设备,使学生能够更加深入地了解化工原理和操作技能。

一、化工虚拟实验仿真平台

1.虚拟仿真技术(VR)

虚拟仿真技术(VR)是一种通过计算机生成的、模拟现实世界的三维视觉环境,让用户身临其境地沉浸在其中的技术。该技术的核心是三维建模和渲染。通过计算机图形学技术,将实际场景或虚构场景在计算机中进行三维建模,然后通过渲染技术生成逼真的图像。用户可以通过头戴式显示设备(如VR眼镜)体验到身临其境的视觉效果,还可以通过手柄或传感器等输入设备和高度仿真的虚拟场景进行互动。

化工虚拟实验仿真平台

2.化工虚拟实验仿真平台

化工虚拟实验仿真平台基于虚拟仿真技术建立,通过模拟化工实验实训场景,构建真实实验实训情景,从而保证学生在实习实训过程中的安全。虚拟数字模型便于引入各类学习内容和资料供学生随时访问,同时可将复杂的化学反应过程和设备结构以可视化的形式展示出来,使学生能够更加直观地理解内容。虚拟仿真技术还可以模拟实际生产过程中可能产生的问题,进而引导学生发现问题、解决问题,培养学生的创新能力。而教师也可以通过其他端口实时监控实验实训过程,进一步了解学生学习情况,并及时做出教学调整。

二、仿真模拟实验案例

以氯化钾电解实验为例。

1.实验风险分析

氯化钾电解实验是一项涉及专业设备和精密仪器的实验,因此需要较高的实验成本。同时,由于实验过程中可能产生有毒有害气体,如果处理不当,可能会对人体和环境造成危害,甚至引发爆炸事故。因此,在传统的氯化钾电解实验中,需要充分准备实验设备和做好安全措施,以确保实验的顺利进行和安全性。此外,由于实验过程中涉及到的设备和仪器比较精密,因此对于操作人员的技能和经验要求也比较高,需要严格遵守操作规程,避免出现操作失误或设备故障等问题。

2.仿真模拟实验开展

在化工虚拟实验仿真平台中,通过虚拟模型进行实验,有效降低了对设备和实验成本的依赖,同时消除了实验可能带来的安全性风险。根据教育教学目标和历史实验数据,该实验过程涵盖了氯化锂电解工艺、电解锂、有害气体吸收、化工单元操作、化工安全、化工过程控制系统等关键知识点。因此,我们围绕氯化锂干燥、氯化锂电解和泄漏有害气体碱液吸收应急处理三个仿真要素进行模式实验设计。通过这种方式,我们将原本实验过程中的高危场景转化为可视化、可操作的虚拟仿真实验。

此外,我们在学生操作中加入真实实验中的DCS中控系统场景,通过DCS中控系统和3D模型的切换,确保应用场景的准确演示。实验结束后,平台会根据知识点对学生的实验过程进行评分,同时可以回溯历史实验录像,为后续教学纠错提供便利。

仿真模拟实验案例

三、化工虚拟实验仿真平台架构

化工虚拟实验仿真平台由三部分组成:场景建模、用户交互、数据分析。

1.场景建模

虚拟仿真场景建模是虚拟实验仿真平台的基础,例如氯化钾电解是严重的工厂生产装置模型。通过构建与现实的实验设备或生产设备完全相同的数字模型,并对温度、湿度等环境参数进行模拟,使用户能够获得与真实实验实训环境相同的体验。同时,数字模型能够随时调整更新,从而确保满足最新的化工实验需求。

2.用户交互

用户交互是仿真模拟实验开展的核心,例如氯化钾电解实验中的DCS中控系统场景模拟。用户(即学生)通过显示设备沉浸式体验实验环境,并通过输入设备与虚拟数字场景互动,比如控制阀门、开关电源等,从而进行实验流程。同时,平台可以设置模拟高温、低温等不同外部环境,抑或是机器故障等硬件问题,从而进行应急处理和故障排查等训练。

3.数据分析

数据分析是确保仿真模拟实验科学开展的关键,例如氯化钾电解实验中的学生评价。通过AI人工智能进行数据整理和分析,集成化工实验实训的历史数据,从而确保模拟环境和模拟流程正常展开,化工实验结果遵循科学规律。同时,数据分析和引入使教师能够根据教育教学需求自由引入模拟实习实训题目,针对性开展教学或培训工作。在仿真模拟实验开展之后,数据分析还能够进行实验评价。教师还可以将已经验证的实验资源上传到云端,实现教学资源的共享。

化工虚拟实验仿真平台架构

在新时代下,各高职院校更加注重培养化工专业学生的实践能力。通过积极引入及运用虚拟仿真技术,构建虚拟实验仿真平台,不仅可弥补传统实训教学的不足,而且还能够保证学生安全、高效率地完成各种化工实训任务,进一步提高实训教学质量及学生实践能力。

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