新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在化工專業(yè)實踐課程中的建設(shè)與應(yīng)用

王 筠 楊 可 陳泳興

(周口師范學院 化學化工學院,河南 周口 466001)

自2017年以來,為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革,教育部先后發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》等建設(shè)導(dǎo)向文件,積極推進新工科建設(shè),探索中國特色工程教育模式,助力高等教育強國建設(shè)。在全國高校中開展新工科建設(shè)是深入貫徹黨的十九大精神,全面落實新時代全國高校本科教育工作會議有關(guān)要求的重要舉措。新工科更注重學科的實用性、交叉性與綜合性,符合未來人才發(fā)展方向,其中人工智能類、大數(shù)據(jù)類和智能制造類等專業(yè)備受關(guān)注[1]。那么,對于傳統(tǒng)工科來說,如何把握機遇,挖掘出與新工科建設(shè)的契合點并形成協(xié)同發(fā)展就成了下一步研究的工作重點。

隨著計算機圖形技術(shù)的迅速發(fā)展,計算機仿真軟件在交互性、生動性、直觀性等方面取得了巨大的進步。先后出現(xiàn)了動畫仿真、可視交互仿真、虛擬環(huán)境仿真、虛擬現(xiàn)實仿真等一系列新的仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)[2]。展示形式從二維到三維,從單純演示到互動操作,從屏幕顯示到場景沉浸。從而可完成真實實驗中由于資金不足、場地有限、不可重現(xiàn)、操作中存在危險、有毒環(huán)境等條件限制而無法完成的實驗教學項目[3]。信息技術(shù)、智能技術(shù)與實驗實踐教學的深度融合破解了高校實驗、實習、實訓中的老大難問題,解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題[4]。

1 目前化工專業(yè)實踐教學的突出問題

1.1 教材更新慢,教材內(nèi)容與實際生產(chǎn)脫節(jié)

化工行業(yè)發(fā)展隨著科技進步日新月異,再加上國家的環(huán)保標準和安全生產(chǎn)要求日趨嚴格,新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備不斷應(yīng)用于化工生產(chǎn)。而化工教材講義大多是幾年甚至十幾年前的,沒有及時更新。特別是教學內(nèi)容缺失了對新工藝新技術(shù)的講解,使得學生在課程學習中未能及時學習到當前化工領(lǐng)域的新知識。例如書本上介紹硫酸生產(chǎn)工藝,仍然以煅燒硫鐵礦為例,而實際生產(chǎn)中由于環(huán)保要求日趨嚴格,而硫鐵礦制酸有周期長、污染較多、排污處理成本高等缺陷,目前采用硫鐵礦制酸產(chǎn)量已經(jīng)下降至20%以下,冶煉氣制酸、硫磺制酸工藝得到廣泛應(yīng)用。這充分反映出教材更新慢、教材內(nèi)容與實際生產(chǎn)脫節(jié)的矛盾。

1.2 課內(nèi)實驗儀器數(shù)量不足、實訓設(shè)備落后老化

由于高校擴招及新建專業(yè)的增設(shè),學生數(shù)量越來越多,但是實驗儀器數(shù)量卻沒有跟上。另外受實驗室面積所限,無法容納更多的設(shè)備臺套數(shù)和更多學生開展實驗。此外,一些設(shè)備陳舊老化嚴重,甚至使用年限已到達報廢標準,卻還在用于教學。這些問題不僅影響實踐教學質(zhì)量,更有可能會造成安全隱患。

1.3 校外實習經(jīng)費不足,企業(yè)生產(chǎn)實習效果不理想

因為校外實習經(jīng)費不足,學生實習工作難免捉襟見肘?？紤]到化工企業(yè)的生產(chǎn)特點,具有一定的危險性,學生參與實習的積極性不高。大部分化工生產(chǎn)工作崗位須嚴格培訓和持證上崗,企業(yè)出于對生產(chǎn)和實習學生安全的考慮,禁止學生在生產(chǎn)現(xiàn)場操作和貼近生產(chǎn)流程觀察,因此學生們常常走馬觀花,難以深入了解企業(yè)的工藝原理和操作流程,實習質(zhì)量無法保證。

基于以上原因,近年來我院化工專業(yè)在開展實踐課程教學中,不斷總結(jié)教學經(jīng)驗,探索利用虛擬仿真技術(shù)來填補實踐教學中的一些空白,取得了一定的教學成果。

2 新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在我院化工專業(yè)實踐課程中的建設(shè)與應(yīng)用

2018年我院化學工程與工藝專業(yè)數(shù)位老師組建了虛擬仿真教學團隊,研討實驗項目選題,設(shè)計實驗教學目標,豐富知識點內(nèi)容。聯(lián)合北京東方仿真公司進行技術(shù)開發(fā),實現(xiàn)教學軟件界面友好、響應(yīng)快捷、操作簡單等功能。經(jīng)過近3年的建設(shè)積累,取得了一些成績。建成校級虛擬仿真教學中心平臺,立項主持1項省級虛擬仿真實驗教學項目、1項省級虛擬仿真一流課程、1項校級虛擬仿真實驗教學項目、2項校級教學改革項目。依托該教學中心,3年來服務(wù)學生總數(shù)約1 200人,60余名學生參與全國大學生化工設(shè)計大賽、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、化工原理實驗大賽、大學生化學實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽,獲得各級獎項。在建設(shè)中我們團隊主要圍繞以下3點開展工作。

2.1 創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學模式

為了申請化工專業(yè)工程教育專業(yè)認證,團隊在項目啟動時,突出創(chuàng)新實驗教學設(shè)計,建設(shè)滿足“兩性一度”標準的實驗實踐課程,構(gòu)建綜合性、研究性仿真問題情境,開展基于問題、案例的互動式、研討式教學,倡導(dǎo)自主式、探究式學習,探索智能化實驗教學新模式。開發(fā)了基于超導(dǎo)核磁共振氫譜儀Bruker400教學操作與日常維護3D虛擬仿真實驗教學項目、化工實驗室安全管理與事故處理3D虛擬仿真等實驗項目。

2.2 注重現(xiàn)代教育技術(shù)手段的應(yīng)用

虛擬仿真項目的建設(shè)注重信息技術(shù)與實驗實訓教學深度融合,充分利用多媒體音視頻、Virtual Reality、Augmented Reality等各種媒介。按照智能實驗設(shè)計理念,規(guī)范設(shè)計虛擬仿真實驗教學的實驗過程、算法、場景呈現(xiàn)、多維度實驗數(shù)據(jù)記錄、知識點考核等要素,提升實驗教學效果。基于此,我院與東方仿真公司、杭州百子尖科技股份有限公司共建現(xiàn)代智能化工廠VR教學體驗系統(tǒng)和桌面智能仿真工廠精餾工藝,用于大一新生的專業(yè)導(dǎo)論課程體驗和大四專業(yè)實習中校內(nèi)實訓階段教學。

2.3 持續(xù)改進實驗教學評價體系

根據(jù)工程教育專業(yè)認證標準,修訂了2020版人才培養(yǎng)方案,將虛擬仿真實驗教學項目納入人才培養(yǎng)方案,制訂教學質(zhì)量評價辦法。依據(jù)《周口師范學院化學化工學院課程目標達成度評價指導(dǎo)意見》要求,達成度評價小組成員討論并設(shè)置了該課程目標達成評價機制。確定和審查課程體系與畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度矩陣;確定和審查各課程的教學大綱;開展課程目標達成度評價;收集數(shù)據(jù),實施評估,撰寫報告,提出持續(xù)改進要求。在評價過程中把教學條件作為課程建設(shè)的基礎(chǔ),把過程管理作為課程建設(shè)的保證,把實際效果作為課程建設(shè)的根本,三者結(jié)合起來,進行綜合評價。

3 結(jié)語

綜上所述,虛擬仿真軟件解決了實驗實踐項目條件中涉及高危環(huán)境、高成本、高消耗、高費用等問題,提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗實踐項目。后續(xù)我們將持續(xù)建設(shè)線上教學平臺,依靠穩(wěn)定安全、開放共享的可持續(xù)運行模式,進一步向省內(nèi)外各高?；I(yè)學生、企事業(yè)單位等推廣項目教學成果。