基于化工虛擬仿真實踐教學平臺的多維度教學模式探索

＊何昌春 王鵬 衛(wèi)帥 葛奉娟 堵錫華 莊考昌 陳艷

（徐州工程學院材料與化學工程學院 江蘇 221018）

近年來，圍繞提高工程教育質(zhì)量、深化工程教育改革，教育部積極推動建設(shè)虛擬仿真實驗教學中心[1-2]，并提出建設(shè)新工科的研究和實踐[3]?；ゎ悓I(yè)的實踐教學相對理論課教學具有其特殊性，通常具有高風險、高污染、高投入、高能耗、運行條件苛刻等特點，同時還可能伴隨設(shè)備匱乏、故障和其他不確定因素，導致完全實現(xiàn)線下教學具有較高的難度，給教師的教授和學生的學習造成了較大的困擾。面對上述問題，將部分線下實踐教學有難度的課程轉(zhuǎn)為線上虛擬仿真實踐教學已成為當前主流的解決方案。虛擬仿真實踐教學極大提高了實踐教學的上限，發(fā)展?jié)摿薮?，是實踐教學的重要組成部分，和傳統(tǒng)的線下實踐教學相輔相成，互為補充。目前，各大高校虛擬仿真實踐教學的方式方法仍在不斷摸索和形成當中[4-11]。

我校的綠色化工虛擬仿真實訓中心目前擁有半實物仿真工廠和3D虛擬仿真機房兩大功能區(qū)塊，是我校化工類專業(yè)學生實踐學習的主要陣地之一。以我校綠色化工虛擬仿真實訓中心為依托的化工類虛擬仿真實踐教學有多名教師參與，經(jīng)過近幾年的修正完善，獲得了一些系統(tǒng)性的教學經(jīng)驗總結(jié)。

1.基于化工虛擬仿真實踐教學平臺的多維度教學

（1）實訓實習教學?；ゎ悓I(yè)通常開設(shè)數(shù)門專業(yè)實訓實習課程，目的是提高學生的實踐能力和工程素養(yǎng)。由于化工類專業(yè)實訓實習的特殊性，采用實物裝置進行實訓具有一定的危險性，裝置投資成本高昂，同時還可能出現(xiàn)故障；學生校外實習時，企業(yè)由于顧慮自身的正常生產(chǎn)及潛在的安全問題，學生通常是走馬觀花，無法接觸到核心的工藝。上述問題已成為線下實習實訓課程的主要痛點之一，化工虛擬仿真實踐教學平臺則直擊該痛點，每位學生都能在線上實訓實習中安全、獨立和系統(tǒng)的學習，教師能夠準確的把握教學內(nèi)容和進度，為校外實習奠定堅實的基礎(chǔ)，能夠明顯改善實訓實習的教學效果。

我校綠色化工虛擬仿真綜合實訓中心（以下稱虛擬仿真實訓中心）的半實物工廠秉承“設(shè)備實而流體虛”的理念建設(shè)而成，根據(jù)一定比例仿制了實際工廠的苯制苯胺裝置，包含苯制硝基苯、硝基苯制苯胺、廢水處理和廢氣處理四個工段（圖1），同時還配備了中央控制室（圖2），擁有半實物和3D仿真軟件系統(tǒng)，學生既可以選擇使用半實物軟件系統(tǒng)通過內(nèi)外操作配合完成實訓任務(wù)，實現(xiàn)模擬實際工廠生產(chǎn)場景的目的，也可以使用3D仿真軟件系統(tǒng)獨立完成實訓任務(wù)，達到深入了解化工生產(chǎn)過程中開停工及突發(fā)事故處理步驟的目的；而3D虛擬仿真機房（圖3）則擁有甲醇合成和精制3D仿真軟件系統(tǒng)以及加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練3D仿真軟件系統(tǒng)，配套了先進的服務(wù)器管理系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實（VR）體驗裝置，使學生能夠通過3D系統(tǒng)身臨其境的感受現(xiàn)場操作。此外，虛擬軟件中的監(jiān)示模塊能夠監(jiān)督學生的學習情況，而考核模塊能夠方便的考核學生的掌握程度，避免了線下實訓實習主要靠教師的主觀感受進行評分，改善了評分的客觀公平性。自我校虛擬仿真實訓中心建成以來，化學工程與工藝、應(yīng)用化學、材料科學與工程、高分子材料與工程專業(yè)均以虛擬仿真中心為依托開設(shè)了多門實訓實習課程。

圖1 虛擬仿真中心苯制苯胺半實物工廠裝置

圖2 虛擬仿真中心苯制苯胺半實物工廠中控室

圖3 虛擬仿真中心3D虛擬仿真機房

為了指導我校師生充分利用我校虛擬仿真中心的資源，規(guī)范虛擬實驗實訓教學內(nèi)容，提高教學效率，虛擬仿真中心組織相關(guān)教師編寫了《化工仿真實訓教程》教材[12]，內(nèi)容涉及化工原理實驗、化工工藝專業(yè)實驗、3D工廠仿真實訓、半實物工廠操作實訓和安全應(yīng)急演練仿真實訓。該教材填補了我校在該領(lǐng)域教材方面的空白，對于提升我校的實踐教學水平具有重要意義。

（2）實驗教學?；ゎ悓I(yè)學生的化工原理實驗、化工工藝實驗、儀器分析實驗等課程通常會在線下完成，但在某些特殊情況下則需要借助虛擬仿真實驗：①實驗設(shè)備故障；②實驗設(shè)備無法全部實現(xiàn)實驗?zāi)康?；③實驗儀器數(shù)量較少；④缺少某個實驗的實驗設(shè)備；⑤實驗儀器、試劑或樣品昂貴，操作門檻較高，維護成本高昂；⑥實驗項目具有一定危險性；⑦學生由于自身原因不適合現(xiàn)場操作；⑧由于特殊原因嚴禁人員近距離接觸。由此可見，虛擬仿真實驗具有獨特的應(yīng)用場景，是線下實驗的有益補充，可以避免或減少線下實驗的一些弊端。特別是近年來，由于特殊原因無法開展線下實驗，虛擬仿真實驗則為各高校順利開展實驗課程的教學提供了基礎(chǔ)保障。

我校虛擬仿真中心的3D虛擬仿真機房配備了化工原理實驗、化工工藝專業(yè)實驗和儀器分析實驗的相關(guān)虛擬仿真實驗軟件，以較低的經(jīng)費投入擴展了上述實驗課程的實驗項目池，使學生有機會了解到高端精密儀器和先進裝置的原理和操作步驟，也能根據(jù)自身興趣選擇可選實驗項目，激發(fā)學生的學習熱情。虛擬仿真實驗還可以讓每位學生獨立完成實驗，避免了線下實驗教學過程中學生參與實驗積極性不高的問題，有效地提高了實驗課程的教學質(zhì)量。另外，有的實驗課教師嘗試為每位學生設(shè)置不同的關(guān)鍵實驗參數(shù)，迫有效減少了實驗報告的抄襲現(xiàn)象。

（3）理論教學?；ゎ惖牟糠謱I(yè)課程如《化工原理》《化工設(shè)計》《化工設(shè)備基礎(chǔ)》《化工儀表及自動化》《化工安全與環(huán)?！返扰c工程實際聯(lián)系非常緊密，且常常存在跨學科現(xiàn)象，學生在學習時感覺較為費力，若在學習時能夠結(jié)合實例或?qū)嵨锬軌蚱鸬捷^好的教學效果。虛擬仿真教學平臺可以快捷地展示一些教材中的原理、方法、計算和注意事項等，如可利用半實物工廠，講解《化工設(shè)計》課程中的設(shè)備和管道布置的知識點和《化工儀表及自動化》課程中的自動控制系統(tǒng)的知識點，利用半實物工廠和加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練3D仿真軟件系統(tǒng)講解《化工安全與環(huán)保》中的廢水、廢氣處理技術(shù)和化工放火防爆技術(shù)的知識點，進而能夠使學生加深對于教材內(nèi)容的理解，強化學生的工程思維能力。

我校材料與化學工程學院鼓勵上述專業(yè)課程的教師將部分課時移至虛擬仿真中心尤其是半實物工廠進行講授，第一次教授上述專業(yè)課程的教師需要參加虛擬仿真中心的培訓或旁聽相關(guān)實訓類的課程，以便快速找到理論與實踐的主要結(jié)合點，合理高效地安排課程。同時，實訓類課程的教師也會有意識地介紹一些理論性的相關(guān)內(nèi)容，可以起到鞏固理論課程知識的作用。

（4）學科競賽。學科競賽能檢驗學生運用所學專業(yè)知識解決實際工程問題的能力，能拓寬專業(yè)視野，了解行業(yè)先進技術(shù)，充分激發(fā)創(chuàng)造性和主觀能動性，強化自我學習能力和終身學習意識，培養(yǎng)團結(jié)協(xié)作能力、組織協(xié)調(diào)能力和工程管理能力，錘煉意志力和自信心。虛擬仿真教學平臺可提供學生一個驗證或?qū)崿F(xiàn)其設(shè)計構(gòu)思的場所，也可使學生能夠參考既有設(shè)施進行改進、拓展和類比，為充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造性和主觀能動性提供了客觀條件，對于提升化工類專業(yè)學生的工程認知有著重要的意義。

我校以虛擬仿真中心作為平臺基礎(chǔ)，積極組織學生參加了大學生化工設(shè)計競賽、大學生化工實驗競賽、高?；瘜W化工聯(lián)盟大學生實驗競賽、江蘇省大學生化學化工實驗競賽等學科競賽，充分挖掘虛擬仿真中心對于學科競賽的助力點，潛心打造優(yōu)秀參賽作品和鍛煉學生的實驗技能，同時鼓勵化工類專業(yè)課程的教師參加相關(guān)競賽培訓，成立學科競賽指導教師團隊，互相取長補短，不斷提升學科競賽的指導水準。

（5）學生科研。學生參加科研可以激發(fā)學生學習新知識和探索新事物的樂趣，增強學生科研思維和素質(zhì)，為學生今后的繼續(xù)深造打下良好的基礎(chǔ)。科研要求學生對某一問題進行深入的思考，提出新穎的解決思路，而學生可以在學習過程中發(fā)現(xiàn)虛擬仿真教學平臺中存在的一些工程性問題，并將這些問題拓展為某項研究課題，如化學化工模擬計算、工藝流程開發(fā)和改進、化工設(shè)備設(shè)計和校核、仿真軟件功能擴展等，滿足學生多方面的科研需求。

我?；ゎ悓I(yè)學生主要通過大學生創(chuàng)新訓練計劃項目從事科研工作。鑒于近幾年防控的原因，一些學生為避免進出實驗室的限制而申請了化工設(shè)計和計算類的研究課題，其中某些研究課題參考了我校虛擬仿真中心的一些元素，使學生在進行課題研究時可以做到有的放矢，如我校2021年立項的校級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目“丙酮加氫法制異丙醇工藝的模擬和優(yōu)化”，可以參考虛擬仿真中心的半實物工廠確定工藝、設(shè)備和控制方案設(shè)計以及設(shè)備管道的空間布置，使學生能夠加快項目研究進度。另外，一些實驗性的研究課題要求學生操作某些貴重儀器和處理儀器表征數(shù)據(jù)，虛擬仿真中心配備的儀器分析的虛擬仿真實驗軟件可以很好的起到初級培訓效果，降低了儀器損壞的風險，減少了實驗樣品的消耗，如我校2022年立項的省級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目“高效氮化碳光催化劑的設(shè)計合成及降解水中污染物的應(yīng)用”需要用到物理吸附儀、化學吸附儀、熱重分析儀、氣相色譜儀等貴重儀器進行樣品表征，項目前期學生已通過相關(guān)虛擬仿真軟件快速掌握了一些儀器的操作步驟和數(shù)據(jù)處理方法，為后續(xù)的項目開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

（6）畢業(yè)設(shè)計。很大一部分化工類專業(yè)學生需要通過畢業(yè)設(shè)計以完成最終學業(yè)，但學生大多缺乏實際工程設(shè)計經(jīng)驗，導致無從下手，虛擬仿真教學平臺特別是半實物工廠則可為學生提供設(shè)計的基礎(chǔ)參考，如工藝設(shè)計、設(shè)備管道布置、自動控制方案和安全環(huán)保措施，一定程度上減少了學生畢業(yè)設(shè)計的難度，使學生有精力思考畢業(yè)設(shè)計中工藝和設(shè)備的改進創(chuàng)新等關(guān)鍵性問題，以提升學生畢業(yè)設(shè)計作品的質(zhì)量。

近幾年我校加大了化工類專業(yè)的學生畢業(yè)設(shè)計的比例，如2022年化學工程與工藝專業(yè)的學生畢業(yè)設(shè)計的比例達到70%以上。在前期利用虛擬仿真中心進行實訓操作、學科競賽和科研的基礎(chǔ)上，使學生逐漸建立起工程設(shè)計的概念和信心，能夠意識到畢業(yè)設(shè)計課題的重點和難點，并提出問題的合理解決方案。同時，教師也需要利用虛擬仿真中心特色，結(jié)合自身科研方向，提出難度適宜的畢業(yè)設(shè)計課題，規(guī)定合理的設(shè)計內(nèi)容，使教學科研緊密融合，不斷積累畢業(yè)設(shè)計的指導經(jīng)驗和方法。

2.教學效果

近年來，我校化工類專業(yè)學生參加了大學生化工設(shè)計競賽（圖4）、大學生化工實驗大賽（圖5）、大學生化學實驗創(chuàng)新大賽、高?；瘜W化工聯(lián)盟大學生實驗競賽和江蘇省大學生化學化工實驗競賽等多個學科競賽，均取得了優(yōu)異成績，近五年共獲得30余個省級以上獎項及多個國家級獎項，且每年獲獎數(shù)量有不斷上升趨勢。近五年，化工類專業(yè)學生共獲得大學生創(chuàng)新訓練計劃項目100余項，其中江蘇省項目40余項，學生以第一作者發(fā)表論文30余篇，部分論文被SCI和EI數(shù)據(jù)庫收錄，另外還申報了多項專利。學科競賽和科學研究是理論、實驗、實訓和實習課程所學知識的綜合運用，既培養(yǎng)了學生的多維實踐創(chuàng)新意識，又提升了學生的實踐創(chuàng)新能力。

圖4 大學生化工設(shè)計競賽獲獎

圖5 大學生化工實驗大賽獲獎

3.結(jié)論

利用虛擬仿真中心，我校在實踐教學、理論教學、學科競賽、學生科研和畢業(yè)設(shè)計等多個維度進行突破，調(diào)動了學生的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)了學生的工程思維，豐富了學生的工程知識，強化了學生的工程素養(yǎng)，提升了學生在就業(yè)或進一步深造時的競爭力。這種多維度教學模式也驅(qū)使教師有意識地嘗試新的教學方法，通過外延課程和突破課程間的壁壘，使各課程緊密聯(lián)系，真正讓學生做到融會貫通，舉一反三。此教學模式具有系統(tǒng)性和可操作性，能夠使教學深度融合，相互促進，可顯著提升教學質(zhì)量，具有一定的示范推廣意義，并存在進一步改進的空間。