化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的虛擬教學(xué)研究

胡立兵，時(shí)春輝

（塔里木大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

自我國(guó)實(shí)施大發(fā)展戰(zhàn)略以來(lái)，化工行業(yè)迅速崛起，因此，化工企業(yè)在國(guó)家工業(yè)中占據(jù)不可或缺的重要位置。而大發(fā)展戰(zhàn)略的同時(shí)，化工企業(yè)的前期建設(shè)設(shè)計(jì)蓬勃發(fā)展[1-2]。因此，亟須發(fā)展化工設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)以促進(jìn)我國(guó)化工企業(yè)的大力發(fā)展?；ぴO(shè)計(jì)基礎(chǔ)作為塔里木大學(xué)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的優(yōu)勢(shì)及特色課程是我?；?zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課，更是本專(zhuān)業(yè)學(xué)生接觸工藝設(shè)計(jì)的唯一課程。本課程綜合地介紹了化工設(shè)計(jì)的整體流程和模式，為學(xué)生了解化工設(shè)計(jì)行業(yè)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)和契機(jī)，更為我校培養(yǎng)具有設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人才產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[3-5]。

作為一門(mén)以工藝為主的課程，化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程內(nèi)容與生產(chǎn)方法及工藝流程息息相關(guān)，雖然課堂以案例的講述為主，但是課堂的板書(shū)講解及課件演示難以讓學(xué)生身臨其境并感同身受[6-8]。因此，學(xué)生的課堂認(rèn)同感及參與程度依然薄弱。目前，在“新工科”的引領(lǐng)和號(hào)召下，高校對(duì)工科學(xué)生的培養(yǎng)不只是紙上談兵，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力也成為了重點(diǎn)培養(yǎng)的方向和任務(wù)，但是從以往的教學(xué)情況來(lái)看，授課方式的單一化和考核方式的粗暴性使得“合班授課，課上講述，課下練習(xí)”成為常態(tài)[9]。在這種情況下，學(xué)生獨(dú)立思考和表達(dá)觀點(diǎn)的機(jī)會(huì)在課堂上并不多見(jiàn)。在目前大環(huán)境背景下，“00后”們進(jìn)入大學(xué)校園給大學(xué)校園帶了更多的獨(dú)立性和自我性，他們積極性高漲，在課堂上也更多地希望表達(dá)自己的觀點(diǎn)。因此，教學(xué)過(guò)程中陳舊、循規(guī)蹈矩的教學(xué)方式已不適應(yīng)現(xiàn)在的社會(huì)潮流，同時(shí)，伴隨互聯(lián)網(wǎng)的崛起與虛擬實(shí)驗(yàn)的充分利用，新的教學(xué)模式提出勢(shì)在必行。

1 虛擬教學(xué)新轉(zhuǎn)變

1.1 課程結(jié)構(gòu)的重新架構(gòu)

目前，化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的課程架構(gòu)主要是以課堂講授為主，為此，根據(jù)虛擬教學(xué)的適應(yīng)性教學(xué)與課堂教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，更好地體現(xiàn)并發(fā)揮最大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，需重新將課程結(jié)構(gòu)劃分為基礎(chǔ)常識(shí)性、概念性課程與化工設(shè)計(jì)流程認(rèn)知以及工程操作三部分。其中，第一部分主要以基本的化工知識(shí)為主，講述了化學(xué)物質(zhì)基本的理化性質(zhì)及工藝流程的簡(jiǎn)單描述；第二部分主要以熟悉Aspen 軟件基本框架為主，講述了軟件的各項(xiàng)功能，包括各項(xiàng)有機(jī)、無(wú)機(jī)物質(zhì)的物性查詢(xún)，各種化工設(shè)備的操作包含反應(yīng)器、換熱器、精餾塔等各種重要的化工設(shè)備；第三部分主要是以化工理論知識(shí)結(jié)合軟件應(yīng)用為目的，將軟件中根據(jù)化工專(zhuān)業(yè)知識(shí)設(shè)定的設(shè)備參數(shù)及特定的工藝流程按照相關(guān)的操作要求及準(zhǔn)則進(jìn)行熟悉，以期達(dá)到規(guī)定的自主操作要求，進(jìn)行獨(dú)立操作演示并講解。為了更好地進(jìn)行虛擬教學(xué)和模擬教學(xué)，基礎(chǔ)知識(shí)的講解是十分有必要的，而工藝流程類(lèi)需要與實(shí)際相結(jié)合，這就需要在模擬工廠操作時(shí)以邊講解邊實(shí)習(xí)的形式進(jìn)行立體式教學(xué)。這種教學(xué)方式不僅可以有效地利用本校優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真教學(xué)資源，而且可以使在與基礎(chǔ)知識(shí)相互印證的同時(shí)達(dá)到更具針對(duì)性和目的性的教學(xué)，同時(shí)也可以提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)得到應(yīng)用的成就感和自豪感。

1.2 新型教學(xué)方法的應(yīng)用

虛擬教學(xué)不但可以將工業(yè)搬到課堂上身臨其境地進(jìn)行操作，更是相較于現(xiàn)場(chǎng)安全易于控制，很大程度上提高了學(xué)生的吸引力和學(xué)習(xí)的積極性。對(duì)于課下講解與虛擬仿真教學(xué)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》結(jié)合本校優(yōu)質(zhì)完善的虛擬仿真資源進(jìn)行多資源多方法的整合，在原有傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性和創(chuàng)新，運(yùn)用多種方式方法對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行講解。

（1）獨(dú)立學(xué)習(xí)型教學(xué)模式

在以往的教學(xué)方式授課過(guò)程中，形象的工藝流程變成抽象且晦澀難懂的知識(shí)，即使可以通過(guò)合理的講授依然很難讓學(xué)生切身感受到認(rèn)同感，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法理解實(shí)際生產(chǎn)與所學(xué)知識(shí)之間的必然聯(lián)系，非常容易使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)而無(wú)用的想法，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的信心和興趣。虛擬教學(xué)可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的抽象認(rèn)知，使學(xué)生對(duì)工藝有更加直觀的感受，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)解決實(shí)際生產(chǎn)的能力認(rèn)知。所以，在虛擬仿真教學(xué)時(shí)，利用高清的虛擬環(huán)境，學(xué)生可以進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)操作，根據(jù)具體情況老師提出相應(yīng)的問(wèn)題，并要求學(xué)生針對(duì)出現(xiàn)的相應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)象進(jìn)行解答。課后，學(xué)生自主獨(dú)立地查閱資料，利用高仿真的操作，確認(rèn)問(wèn)題所在并解釋產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。最后，老師總結(jié)學(xué)生的講述，并運(yùn)用理論知識(shí)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行講解，最終將此問(wèn)題由特殊化轉(zhuǎn)變?yōu)槠毡榛?。同時(shí)，安排學(xué)生總結(jié)，使理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)真正有機(jī)地結(jié)合在一起，由此，不僅使學(xué)生真正地了解了問(wèn)題所在，更使學(xué)生對(duì)如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題形成自己的理論，真正地實(shí)現(xiàn)將理論與實(shí)踐相結(jié)合授課模式。

（2）動(dòng)力催動(dòng)式教學(xué)

在以往的教學(xué)過(guò)程中，教師作為主導(dǎo)者主要以講授理論為主，學(xué)生通過(guò)圖書(shū)館或者互聯(lián)網(wǎng)找尋問(wèn)題的最優(yōu)答案，如此學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)依然停留于理論探索的基礎(chǔ)上，很難讓學(xué)生獲得解決問(wèn)題的代入感和成就感。如果使用虛擬教學(xué)，教師就可以根據(jù)虛擬操作中碰到的實(shí)際問(wèn)題結(jié)合當(dāng)下熱點(diǎn)問(wèn)題布置一定量的作業(yè)，這些問(wèn)題與課程知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。這些問(wèn)題不再是課程知識(shí)的簡(jiǎn)單表現(xiàn)，而是以使學(xué)生更加深刻地理解課程知識(shí)為前提，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。在利用虛擬教學(xué)教授《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》過(guò)程中，作業(yè)問(wèn)題主要是以工藝流程操作問(wèn)題和設(shè)備構(gòu)造和特點(diǎn)等工程任務(wù)為主，作業(yè)作為動(dòng)力，要求學(xué)生通過(guò)查詢(xún)文獻(xiàn)和模擬操作試錯(cuò)，以及咨詢(xún)老師等形式通過(guò)三人小組完成作業(yè)，小組成員和老師可以以課件形式進(jìn)行講解答辯。利用此種教學(xué)模式學(xué)生可以做到將所學(xué)的理論知識(shí)與看到的動(dòng)手操作裝置的特點(diǎn)和操作方式融為一體，從工程工藝的角度重新看待理論知識(shí)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用及應(yīng)用方式，進(jìn)而將學(xué)生培養(yǎng)為具有優(yōu)秀理論知識(shí)和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才。此外，利用學(xué)校優(yōu)質(zhì)虛擬仿真資源進(jìn)行教學(xué)，這雖然對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)造成了沖擊，但是提高了學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性。最后，通過(guò)三人一組的形式對(duì)作業(yè)進(jìn)行討論，這無(wú)疑為學(xué)生提供了溝通交流的機(jī)會(huì)，也增強(qiáng)了學(xué)生理解和掌握實(shí)踐理論知識(shí)的應(yīng)用能力。

（3）翻轉(zhuǎn)課堂

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握主要來(lái)源于老師上課時(shí)的講述，這種授課方式使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的局限性，如學(xué)生的自主能動(dòng)性難以調(diào)動(dòng)起來(lái)，導(dǎo)致大部分學(xué)生始終以一種被動(dòng)的形式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率非常低。然而，《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》作為一門(mén)工科課程，學(xué)生必須在理解的基礎(chǔ)上才能有效地學(xué)習(xí)，因此，如何引導(dǎo)學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容是本課程出彩的關(guān)鍵。在新的教學(xué)模式——虛擬仿真教學(xué)下，傳統(tǒng)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皠?dòng)力催動(dòng)式教學(xué)”，在此過(guò)程中學(xué)生可以對(duì)基本的單元操作擁有較清晰的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，在傳統(tǒng)教學(xué)中，講臺(tái)授課使得學(xué)生與老師之間產(chǎn)生一定的距離感，這導(dǎo)致老師無(wú)法真正體會(huì)學(xué)生在臺(tái)下聽(tīng)課的感受，學(xué)生亦無(wú)法感受到老師講臺(tái)授課時(shí)的感受。因此，為了減少師生的距離感并刺激學(xué)生的自主能動(dòng)性，在虛擬仿真教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)先模擬后工藝復(fù)述的授課方式將主體由老師變?yōu)閷W(xué)生。這樣就形成一種學(xué)生在臺(tái)上講授其在模擬狀況下掌握的工藝知識(shí)，老師在臺(tái)下評(píng)估學(xué)生掌握知識(shí)的全面性，學(xué)生在講授時(shí)需注重本工藝所采用的知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。這種師生角色互換不僅僅局限于本課程，更應(yīng)掌握對(duì)所涉及的工科知識(shí)之間的聯(lián)系，做到最大程度融會(huì)貫通，如此可以對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的多少有了一定了解，并對(duì)他們的錯(cuò)誤認(rèn)知進(jìn)行修正；而且通過(guò)講述的形式使學(xué)生真正地掌握此類(lèi)知識(shí)。

（4）多學(xué)科融會(huì)貫通

隨著新工科概念的提出并被眾多高校實(shí)行，多學(xué)科之間的交叉學(xué)習(xí)及知識(shí)的融會(huì)貫通已成必然趨勢(shì)。當(dāng)化工專(zhuān)業(yè)評(píng)估及工程認(rèn)證時(shí)，專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)要求學(xué)生需要強(qiáng)化軟件運(yùn)用的同時(shí)，也需涉獵環(huán)保、設(shè)備機(jī)械原理、化工原理、安全操作等方面的相關(guān)知識(shí)。但是，由于教學(xué)課程有限等原因，授課老師在教授相關(guān)知識(shí)時(shí)無(wú)法將各個(gè)方面進(jìn)行深入講解，導(dǎo)致理論結(jié)合實(shí)際時(shí)落入下乘。而在虛擬教學(xué)中，不同的操作步驟均以專(zhuān)業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，學(xué)生與相關(guān)專(zhuān)業(yè)教師及同學(xué)間交流解決遇到的問(wèn)題，這樣學(xué)生就可以最大化地利用所學(xué)的知識(shí)。同時(shí)，充分利用學(xué)校優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和分工明確的優(yōu)勢(shì)，一方面使學(xué)生與各專(zhuān)業(yè)教師之間增進(jìn)師生感情，另一方面也使同學(xué)之間建立了深厚的同窗友誼。專(zhuān)業(yè)老師的講解及同學(xué)間知識(shí)火花的碰撞營(yíng)造了一種愛(ài)學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)的真實(shí)的學(xué)習(xí)氛圍，使學(xué)生更好地了解各專(zhuān)業(yè)之間的內(nèi)在聯(lián)系及側(cè)重點(diǎn)，進(jìn)一步掌握所需技能及知識(shí)儲(chǔ)備。

（5）思政融入

在新工科的背景下，思政教育作為當(dāng)代大學(xué)生不可或缺的社會(huì)價(jià)值觀、國(guó)家榮譽(yù)感建立的重要途徑，教師在化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中傳授相關(guān)課程知識(shí)的同時(shí)，更應(yīng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的價(jià)值觀的引領(lǐng)與督促。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師往往將查詢(xún)的資料作為課程思政的教育內(nèi)容，但是這不可避免地導(dǎo)致思政教育內(nèi)容與當(dāng)前課程不協(xié)調(diào)不一致的情況發(fā)生，學(xué)生更是缺乏認(rèn)同感和代入感。因此，本課程將虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢(shì)放大，這個(gè)過(guò)程很大程度上應(yīng)用了國(guó)家在此工藝發(fā)展過(guò)程中涉及的真人事跡，將國(guó)家與個(gè)人的榮辱觀緊密地結(jié)合在一起，讓學(xué)生更加立體地感受?chē)?guó)家與個(gè)人在工業(yè)發(fā)展中不畏艱難、艱苦奮斗的精神，使學(xué)生了解自己未來(lái)所承受的社會(huì)責(zé)任和社會(huì)擔(dān)當(dāng)，進(jìn)一步提高了學(xué)生的家國(guó)情懷。以石油的常減壓蒸餾為例，它著重講述了我國(guó)從引進(jìn)基礎(chǔ)工藝到我國(guó)自主實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化，以及全工段的工藝最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)西方的全面趕超，使我國(guó)從全依賴(lài)國(guó)外技術(shù)到實(shí)現(xiàn)全部國(guó)產(chǎn)，這極大程度上增進(jìn)了學(xué)生的民族自豪感并提升了他們對(duì)國(guó)家高速發(fā)展的信心。學(xué)生面對(duì)近真實(shí)的虛擬仿真工藝，身臨其境，將國(guó)家興衰與個(gè)人利益綁定在一起，對(duì)自身在社會(huì)發(fā)展中所要付出的責(zé)任義務(wù)，以及必需的職業(yè)道德有了更深的理解。

2 虛擬教學(xué)考核評(píng)價(jià)

為契合虛擬教學(xué)方式，全方位地考查虛擬教學(xué)效果及學(xué)生的掌握程度復(fù)雜而艱巨，考慮開(kāi)設(shè)以下幾種方式對(duì)其進(jìn)行考核。

2.1 主觀式考題的設(shè)計(jì)考查理論知識(shí)及思政融入性效果

依據(jù)課程虛擬化教學(xué)的設(shè)計(jì)，考核方式也做出相應(yīng)的改變，將具有唯一答案考試進(jìn)行重新編制，采用主觀式考題，通過(guò)開(kāi)放性的論文形式，使學(xué)生通過(guò)自己組團(tuán)的方式，形成3～5人小組，將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中，成為涉及多學(xué)科、多知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用型考核方式。以“請(qǐng)確定年產(chǎn)10萬(wàn)t 聚乙烯生產(chǎn)過(guò)程工藝的具體參數(shù)及設(shè)備，并講述我國(guó)聚乙烯生產(chǎn)的發(fā)展歷史與自己的社會(huì)責(zé)任”為例，論文沒(méi)有統(tǒng)一的答案，每個(gè)小組將自己的設(shè)計(jì)思路通過(guò)所學(xué)知識(shí)的形式表現(xiàn)出來(lái)即可，考核方式由記憶性的客觀考題變?yōu)楦鄳?yīng)用性的主觀測(cè)試，著重考查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固程度、理解應(yīng)用的能力、學(xué)科間知識(shí)聯(lián)系的內(nèi)在關(guān)系，并在一定程度上將課程融入思政的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 軟件操作性測(cè)試考查應(yīng)用性軟件的熟練度

化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)作為一個(gè)以軟件操作為基礎(chǔ)的課程，通過(guò)與各專(zhuān)業(yè)教師的交流溝通，在授課過(guò)程中增加了軟件的操作性測(cè)試。其中，Aspen 操作是本課程教授的重點(diǎn)，軟件操作的熟練程度決定了化工設(shè)計(jì)過(guò)程中的準(zhǔn)確度及速度。操作考試均采用主觀題進(jìn)行考查，題目主要以簡(jiǎn)單的工藝組合為主，工藝參數(shù)在題目中給出。在操作考試過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)所學(xué)知識(shí)自行設(shè)計(jì)整個(gè)工藝使之達(dá)到題目中所需的工藝參數(shù)需求及結(jié)果即合格。同樣的，操作考試沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，但是在應(yīng)用軟件過(guò)程中如果操作出現(xiàn)錯(cuò)誤，軟件就會(huì)報(bào)錯(cuò)，在有限時(shí)間內(nèi)未報(bào)錯(cuò)并可以得到相應(yīng)的結(jié)果即算合格。軟件操作測(cè)試不僅提高了學(xué)生對(duì)軟件應(yīng)用的熟練度，更是在一定程度上使學(xué)生了解了設(shè)計(jì)的基本規(guī)律和流程。

3 課程改革成效

2021年開(kāi)始，本校對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、知識(shí)的綜合應(yīng)用能力、對(duì)工藝問(wèn)題的研究和創(chuàng)新方面的培養(yǎng)卓有成效，鞏固了學(xué)生對(duì)化工行業(yè)的工作熱情、職業(yè)素養(yǎng)，以及安全方面、環(huán)境方面等知識(shí)。結(jié)果表明，通過(guò)教學(xué)改革措施的實(shí)施，采用虛擬仿真教學(xué)改革后，雖然開(kāi)始時(shí)學(xué)生適應(yīng)較困難，但是學(xué)生對(duì)于學(xué)校要求的各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)標(biāo)且達(dá)成度每年逐步上升。本專(zhuān)業(yè)學(xué)生的均衡設(shè)計(jì)路線(xiàn)及企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)對(duì)學(xué)校的反饋情況體現(xiàn)出虛擬仿真教學(xué)帶來(lái)的顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，虛擬教學(xué)中思政元素的靈活融入對(duì)于學(xué)生了解當(dāng)下社會(huì)化工行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)的工作方式有了清晰的認(rèn)識(shí)，這極大地提高了學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同感和自豪感，更是為企業(yè)培養(yǎng)了行業(yè)的專(zhuān)業(yè)人才，提高了化工企業(yè)對(duì)于學(xué)校的信任，推動(dòng)了校企合作的新征程，翻開(kāi)了校企合作的新篇章，為企業(yè)減短了前期培訓(xùn)時(shí)間和精力，提供了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是化工專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)面向工廠實(shí)踐應(yīng)用的最重要課程，運(yùn)用本校特色的虛擬仿真作為授課背景，將實(shí)踐應(yīng)用于多學(xué)科知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，把實(shí)踐碰到的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的教學(xué)樣本，把實(shí)踐中的工藝轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的教學(xué)大綱材料，把被動(dòng)課堂授課轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)有趣的主動(dòng)學(xué)習(xí)，同時(shí)使思政元素更自然更貼切地融入，從而實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與應(yīng)用、思想與道德的雙向奔赴，更是提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加深了學(xué)生對(duì)工廠實(shí)踐工作的認(rèn)識(shí)，提升了學(xué)生的職業(yè)敏感性和社會(huì)責(zé)任感，極大程度上反映了當(dāng)下教學(xué)的新方向，為接下來(lái)大學(xué)的人才培養(yǎng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。