虛擬仿真背景下《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程改革實(shí)踐研究*

時(shí)春輝，盧亞玲，穆金城，趙儉波

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

目前隨著信息化社會(huì)的不斷發(fā)展，在如今社會(huì)中對(duì)計(jì)算機(jī)的使用越來越普及，計(jì)算機(jī)軟件的實(shí)用性教學(xué)在高校的教學(xué)計(jì)劃中被多次提及，《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》作為我院唯一的實(shí)踐模擬軟件課程更是被學(xué)校重點(diǎn)關(guān)注，它是以aspen plus軟件為基本，廣泛的將各專業(yè)學(xué)科知識(shí)加以利用的化工核心課程，目的是使學(xué)生形成完備的設(shè)計(jì)觀和大局觀[1]。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)和查閱文獻(xiàn)不僅掌握了最新的化工技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，而且對(duì)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用條件有了更清晰的認(rèn)識(shí)，本課程的學(xué)習(xí)不再是將知識(shí)講解后便束縛在課本上，而是將知識(shí)放到可以利用的角度去學(xué)習(xí)研究，所以通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升、溝通交流能力的提高是可以預(yù)見的[2]。

《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》已成為化工等專業(yè)重要的課程之一，筆者作為本課程的主講人，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足日新月異的社會(huì)發(fā)展需求，學(xué)生的培養(yǎng)工作更不能照本宣科似的持續(xù)進(jìn)行下去，必須將課本知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合起來，將學(xué)生培養(yǎng)成為基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，具有獨(dú)立思考和解決問題能力的實(shí)踐性人才，如此才可更好的適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，提高學(xué)生的就業(yè)率并在最大程度上獲得社會(huì)對(duì)高校培養(yǎng)學(xué)生工作的認(rèn)可度。

1 《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教學(xué)現(xiàn)狀及問題

1.1 教學(xué)模式單一，課程認(rèn)知偏差

作為塔里木大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)以及化學(xué)工程與工業(yè)生物工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》旨在培養(yǎng)學(xué)生的基本化工設(shè)計(jì)技能，讓他們?cè)诰哂邢嚓P(guān)專業(yè)知識(shí)的前提下，以期可以達(dá)到企業(yè)發(fā)展的要求，適應(yīng)當(dāng)今科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的需要[3]?！痘ぴO(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是一門理論與實(shí)踐并進(jìn)的學(xué)科，但是在多年的教學(xué)實(shí)踐后被學(xué)生定義為純理論學(xué)科，最終形成了大學(xué)普遍性的如圖1的“金字塔式”教學(xué)，以考試作為金字塔的頂端，唯考試論的教育模式將知識(shí)固化，形成教師教學(xué)與學(xué)生練習(xí)均為應(yīng)付考試的惡性循環(huán)模式，這種模式對(duì)于此學(xué)科是無法完成培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員的重任，更是嚴(yán)重偏離了本學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生的初衷，這種模式已經(jīng)無法達(dá)到培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)能力與知識(shí)并重人才的要求。

圖1 目前高等教育的“金字塔式”教學(xué)

1.2 學(xué)習(xí)興趣缺失，考核方式陳舊

樹立學(xué)生對(duì)本課程的興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)條件，也是學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的源動(dòng)力。通過上課情況發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情普遍不高，對(duì)于上課始終處于應(yīng)付階段，對(duì)此，筆者對(duì)本課程授課的五個(gè)班級(jí)共182人進(jìn)行匿名調(diào)查得出，學(xué)生認(rèn)為上課在于不掛科即可，知識(shí)多晦澀難懂的，對(duì)知識(shí)的應(yīng)用僅限于課本與做題考試，缺乏對(duì)知識(shí)應(yīng)用成功后的成就感，所以對(duì)于深入的學(xué)習(xí)不感興趣，上課便產(chǎn)生枯燥乏味的情況[4]。對(duì)此，出現(xiàn)如此情況多是由于對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握程度的考核方式老舊導(dǎo)致的，考核方式不創(chuàng)新，應(yīng)試教育心理根深蒂固，對(duì)于學(xué)生知識(shí)的理解情況僅靠一份試卷決定是否過關(guān)，對(duì)于本課程更是僅僅需要一份課程報(bào)告作為課程的考核方式，這就造成了學(xué)生學(xué)習(xí)的激情不高，如此的考核方式使得學(xué)生僅僅會(huì)在紙張上重現(xiàn)知識(shí)，這對(duì)于接受高等教育即將面臨就業(yè)的學(xué)生來說時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[5]，考核方式的選取一定程度上影響了甚至決定了課程能否達(dá)到應(yīng)有的教育效果的目的，陳舊落后的考核方式必須被取代，創(chuàng)新的、順應(yīng)課程本身的考核方式應(yīng)得到支持，這也是本課程亟需解決的問題[6]。

2 教學(xué)改革措施

2.1 聚焦于實(shí)踐，精煉課程知識(shí)點(diǎn)

本課程作為基礎(chǔ)專業(yè)課程，承載了本科教育與實(shí)際生產(chǎn)之間的橋梁作用，因此所講述的知識(shí)應(yīng)以促進(jìn)技能提升為目的[7]。目前課程的理論知識(shí)講述主要以aspen plus軟件的使用為基礎(chǔ)，過程期間各類型的模塊進(jìn)行單獨(dú)講解，最后組成一套完整的系統(tǒng)，這樣的知識(shí)講解占據(jù)了上課的絕對(duì)時(shí)間，留給學(xué)生的獨(dú)立操作的時(shí)間非常少，由此阻礙了學(xué)生技能的鍛煉提升。筆者認(rèn)為學(xué)科的系統(tǒng)性和完整性取決于學(xué)科知識(shí)連貫性的運(yùn)用，所以在授課的過程中，課程目標(biāo)應(yīng)設(shè)置成知識(shí)與技能齊頭并進(jìn)的模式，將本學(xué)科作為實(shí)踐性教學(xué)進(jìn)行，避免以應(yīng)付考試的心態(tài)去完成本學(xué)科的學(xué)習(xí)[8]。由此，改變課堂的講授形式，讓學(xué)生成為課堂的主體，將技能的鍛煉作為本課程的主要授課形式，精煉知識(shí)點(diǎn)，將理論知識(shí)濃縮應(yīng)用到實(shí)踐中，讓學(xué)生具備獨(dú)立操作和理解原理的能力。即課堂分成相對(duì)獨(dú)立的兩部分，小部分的理論講解，并安排課題，抓住學(xué)生對(duì)新鮮事物好奇嘗試的心理，讓學(xué)生在大部分的課堂時(shí)間內(nèi)獨(dú)立操作，熟悉軟件的使用以及在實(shí)踐中的應(yīng)用，鑒于本課程的學(xué)科性質(zhì)，本課程的課題必然需要化工原理、化工熱力學(xué)、化工機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)等學(xué)科的知識(shí)，這樣不僅可以讓他們對(duì)不同學(xué)科之間的知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)，也讓他們對(duì)與專業(yè)知識(shí)如何應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)中有了更深的了解，期間遇到的問題進(jìn)行短時(shí)間的集中講解與提示，這樣不僅精簡(jiǎn)了知識(shí)點(diǎn)，也使學(xué)生得到了足夠的鍛煉機(jī)會(huì)，提高了每個(gè)同學(xué)的參與度，更是可以準(zhǔn)確定位到學(xué)生不足和知識(shí)盲區(qū)。如此安排，一定程度上豐富了學(xué)生各科理論知識(shí)的儲(chǔ)備，提高了學(xué)生實(shí)踐能力、查閱資料文獻(xiàn)的能力以及學(xué)生對(duì)本學(xué)科期望值等[9]。經(jīng)過一輪授課表明，學(xué)生對(duì)于這樣的授課方式非常滿意，增強(qiáng)了自我的實(shí)踐能力，對(duì)多學(xué)科的綜合利用有了系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，避免了單學(xué)科知識(shí)不融合的情況，更是為后續(xù)全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽提供了前提條件和有利支撐。

2.2 結(jié)合虛擬仿真，善用應(yīng)用實(shí)例

為了適應(yīng)高速發(fā)展的社會(huì)需求變化，如何將信息化的模式應(yīng)用于教學(xué)中一直是國(guó)人探索的方向，虛擬仿真作為近年發(fā)展起來的高等教育信息化教學(xué)的重點(diǎn)支持項(xiàng)目完美的實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)與高校教學(xué)的無縫連接，3D虛擬仿真軟件可將復(fù)雜的化工操作進(jìn)行一個(gè)逼真的模擬，增加操作的真實(shí)感[10]。通過3D動(dòng)畫、視頻、圖片等多媒體技術(shù)，能夠比較清晰地表現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)路徑和設(shè)備操作細(xì)節(jié)，更加真實(shí)地體驗(yàn)實(shí)際操作的感受，本課程是以理論知識(shí)為基礎(chǔ)，化工流程模擬軟件為工具的課程，通過化工流程模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)整個(gè)化工工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，得出整個(gè)工藝流程所需的參數(shù)，從而制定最佳的操作方案得到最優(yōu)的工藝流程。如此基于虛擬仿真軟件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操的交互作用，顛覆了傳統(tǒng)教師刻板似的教學(xué)方式[11]，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)接受更完全、了解更透徹，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生能夠深刻掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

通過不懈努力我校已完成200萬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，在本項(xiàng)目的支持下，國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(傳熱3D&VR虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn))得以建設(shè)完成，已可滿足本校眾多學(xué)科的仿真實(shí)驗(yàn)的需求[12]。我校虛擬仿真建設(shè)完善不僅可以完美呈現(xiàn)工廠中的各項(xiàng)操作細(xì)節(jié)，而且在模擬過程中對(duì)即將到來的危險(xiǎn)也有一定的提示，學(xué)生在模擬整個(gè)工廠的工藝流程中利用學(xué)習(xí)過的知識(shí)去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。本課程依靠我校優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真的資源，使其與虛擬仿真做到完美的融合[13]。課程的進(jìn)行是以軟件為條件驗(yàn)證和利用專業(yè)課程所學(xué)知識(shí)解決問題的過程。如圖2所示，課程的開始是需要對(duì)工廠的設(shè)備和管路有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，線下顯然沒有一定的機(jī)會(huì)去深入了解，而虛擬仿真便提供了一個(gè)契機(jī)讓學(xué)生可以近距離的感受工廠的設(shè)備與管道的布置及走向，對(duì)工廠總體布局了然于胸對(duì)即將開展的設(shè)計(jì)做到具有自己獨(dú)到的見解[14]，將虛擬仿真得到的管道與設(shè)備的工藝流程應(yīng)用于aspen中并加以驗(yàn)證和修正，以aspen得到的工藝模擬結(jié)果載入到虛擬仿真系統(tǒng)觀察整個(gè)工廠的運(yùn)行狀況，通過反復(fù)的相互修正，得到最優(yōu)的工藝流程及設(shè)備選型，形成本校獨(dú)特的適用于本學(xué)科的基于虛擬仿真新型循環(huán)式課程教學(xué)[15]。利用此良性循環(huán)式教學(xué)，使課程與虛擬仿真形成互補(bǔ)的促進(jìn)式教學(xué)，將學(xué)生培養(yǎng)成為興趣高昂的學(xué)習(xí)、熟練的運(yùn)用專業(yè)知識(shí)、敏銳的發(fā)現(xiàn)問題——分析問題——解決問題的實(shí)用性人才。

圖2 基于虛擬仿真的良性循環(huán)式課程教學(xué)

3 結(jié) 語

本文基于本校優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真資源，利用虛擬仿真的優(yōu)勢(shì)作為課程改革研究背景，對(duì)《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程往昔的授課情況以及遇到的各項(xiàng)問題進(jìn)行綜合分析。根據(jù)對(duì)上本課程的學(xué)生做的匿名調(diào)查，從教學(xué)模式以及授課內(nèi)容方面做出一定的意見。本課程的設(shè)定和初衷是以鍛煉學(xué)生運(yùn)用本專業(yè)的專業(yè)知識(shí)了解實(shí)際生產(chǎn)中的各種問題和具有解決問題的思路，從而可以自主應(yīng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中碰到的各類工藝以及設(shè)備問題。通過如此虛實(shí)相近的教學(xué)，教學(xué)模式得以轉(zhuǎn)變成以理論知識(shí)為基礎(chǔ)，虛擬仿真為載體，以aspen軟件模擬為手段，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的一流學(xué)科，爭(zhēng)取給社會(huì)提供被企業(yè)真正認(rèn)可和需要的理論武裝過的實(shí)踐型人才。