化工虛擬仿真課程教學(xué)方法研究與實(shí)踐

［摘 要］化工仿真實(shí)習(xí)作為一種高效的現(xiàn)代化教學(xué)手段，能夠讓學(xué)生不進(jìn)工廠、不上裝置就能得到開車、停車和事故處理等操作機(jī)會(huì)，了解化工過程工藝和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。鑒于傳統(tǒng)教學(xué)模式已無法滿足化工虛擬仿真課程的教學(xué)需求，高校急需探索并實(shí)施新的教學(xué)策略和方法。近年來，上海交通大學(xué)化工虛擬仿真課程組在承擔(dān)這門課程教學(xué)任務(wù)的過程中，不斷探索教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與教學(xué)模式創(chuàng)新，以提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力，并基于學(xué)情分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)展望課程未來建設(shè)方向，以期推動(dòng)化工相關(guān)課程體系的持續(xù)優(yōu)化與發(fā)展，培養(yǎng)出更多適應(yīng)新時(shí)代要求的化工專業(yè)人才。

［關(guān)鍵詞］化工虛擬仿真；教學(xué)模式；翻轉(zhuǎn)課堂；PBL；課程改革

［中圖分類號(hào)］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］2095-3437（2024）24-0075-04

培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力已成為當(dāng)前新工科教育體系中的核心要素，而在化工高等教育領(lǐng)域，實(shí)習(xí)類課程是促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力提升的重要途徑[1-4]。然而，化工企業(yè)出于生產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)效益的考慮，往往不允許學(xué)生下廠實(shí)習(xí)期間直接動(dòng)手操作，這在一定程度上限制了學(xué)生的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)積累。化工虛擬仿真課程利用仿真軟件，通過圖形化控制操作界面，將復(fù)雜的化工過程以直觀的方式在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真（模擬）。化工仿真實(shí)習(xí)能夠讓學(xué)生不進(jìn)工廠、不上裝置就能得到開車、停車和事故處理等操作機(jī)會(huì)，了解化工過程工藝和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[4-7]。通過虛擬仿真實(shí)習(xí)能夠幫助學(xué)生建立對(duì)化工過程及操作的認(rèn)識(shí)，鍛煉工藝過程運(yùn)行與控制的能力，從而增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)踐效果，使他們?cè)趯?shí)際工廠環(huán)境中能夠更快適應(yīng)、更有效地學(xué)習(xí)和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)[8-9]。

有別于常規(guī)的專業(yè)理論課程或?qū)嵙?xí)、實(shí)驗(yàn)類課程，化工虛擬仿真課程具有典型的理論與實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，通過模擬真實(shí)的化工環(huán)境和過程，使學(xué)生在實(shí)踐中深化理論理解，運(yùn)用理論指導(dǎo)實(shí)踐操作。然而，傳統(tǒng)教學(xué)模式并不完全適用于化工虛擬仿真課程，因其無法滿足學(xué)生多樣式的學(xué)習(xí)需求，限制了師生間的有效互動(dòng)，且難以確保理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合[10-15]。因此，基于學(xué)情分析，創(chuàng)新教學(xué)模式顯得尤為重要，以更好地適應(yīng)化工虛擬仿真課程的特點(diǎn)。

課程組在承擔(dān)化工虛擬仿真課程教學(xué)任務(wù)的過程中，不斷探索教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與教學(xué)模式創(chuàng)新以提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力，并基于學(xué)情分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)展望課程未來建設(shè)方向，以期推動(dòng)化工相關(guān)課程體系的持續(xù)優(yōu)化與發(fā)展，培養(yǎng)出更多適應(yīng)新時(shí)代需求的化工專業(yè)人才。

一、學(xué)情分析

本文以上海交通大學(xué)為例，在化工虛擬仿真課程的教學(xué)實(shí)踐中引入網(wǎng)聯(lián)版虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)全面覆蓋了過程工業(yè)中典型的單元操作模塊，如離心泵、熱交換器、壓縮、間歇/連續(xù)反應(yīng)、加熱爐、吸收、精餾等，同時(shí)還包括鍋爐、大型合成氨轉(zhuǎn)化、常減壓蒸餾及催化裂化反應(yīng)再生等流程級(jí)仿真模塊。每個(gè)單元或系統(tǒng)均配套操作手冊(cè)和演示視頻，學(xué)生可憑分配的學(xué)員賬戶隨時(shí)進(jìn)行仿真實(shí)習(xí)操作，系統(tǒng)能自動(dòng)記錄成績，便于教師通過管理員賬戶隨時(shí)查看。課程組在承擔(dān)本課程教學(xué)任務(wù)的初期，總結(jié)發(fā)現(xiàn)以下問題：一是部分學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)掌握不牢或遺忘，仿真實(shí)習(xí)時(shí)盲目操作；二是傳統(tǒng)課堂講解互動(dòng)不足，學(xué)生難以做到學(xué)思結(jié)合；三是部分學(xué)生機(jī)械地跟隨操作，仿真實(shí)習(xí)變成“闖關(guān)游戲”；四是部分學(xué)生甚至對(duì)課程產(chǎn)生誤解，認(rèn)為只要學(xué)會(huì)使用軟件，這門課就算學(xué)好了，嚴(yán)重背離了本課程的教學(xué)目標(biāo)[13]。

基于以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，課程組認(rèn)為打造高效課堂有兩大前提條件：一是學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)，對(duì)將要仿真的單元操作有一定程度的認(rèn)識(shí)和理解，課堂講解時(shí)能做到緊跟思路，有效吸收知識(shí)要點(diǎn)；二是對(duì)教學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，超越仿真實(shí)習(xí)內(nèi)容，帶領(lǐng)學(xué)生回顧化工學(xué)科核心知識(shí)，如“三傳一反”、化工熱力學(xué)、化工過程控制等，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)分析化工過程運(yùn)行和控制的原理，并解決實(shí)際操作中遇到的各種問題。只有具備這兩大前提條件，學(xué)生仿真實(shí)習(xí)時(shí)方能做到學(xué)思結(jié)合。綜上，亟須創(chuàng)新教學(xué)模式以解決當(dāng)前化工虛擬仿真課程教學(xué)中存在的問題，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，深化理論知識(shí)與實(shí)踐操作的融合。

二、教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐

經(jīng)過深入的學(xué)情分析，課程組充分認(rèn)識(shí)到本課程教學(xué)中存在的若干關(guān)鍵問題?；诖耍n程組不斷探索與實(shí)踐，提出了采用問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法（Problem?Based Learning， PBL）、翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom，F(xiàn)C）、小組合作式學(xué)習(xí)（Team?Based Learning， TBL）等多種新型教學(xué)模式，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升他們的自主學(xué)習(xí)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時(shí)，課程組對(duì)教學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重構(gòu)，將仿真實(shí)習(xí)內(nèi)容與化工專業(yè)課程知識(shí)點(diǎn)緊密聯(lián)系起來，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了如圖1所示的課程教學(xué)組織框架。

（一）重視組織學(xué)生有效開展課前預(yù)習(xí)

學(xué)生課前預(yù)習(xí)是打造高效課堂的先決條件之一。為了督促學(xué)生充分預(yù)習(xí)，課程組在每個(gè)單元正式講解前，會(huì)通過上一次課程的課后作業(yè)形式布置預(yù)習(xí)任務(wù)，并將學(xué)生課前的仿真實(shí)習(xí)成績納入平時(shí)成績，作為課程總成績的一部分。學(xué)生需登錄分配的學(xué)員賬號(hào)，參考每個(gè)單元附帶的操作手冊(cè)和視頻演示，進(jìn)行冷態(tài)開車、熱態(tài)停車、事故診斷及排除等仿真實(shí)習(xí)操作。系統(tǒng)自動(dòng)記錄仿真實(shí)習(xí)成績（多次實(shí)習(xí)僅記錄最高得分）。教師在正式授課前一天（與學(xué)生約定的具體時(shí)間節(jié)點(diǎn)），登錄管理員賬號(hào)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的仿真成績，其中各單元仿真實(shí)習(xí)成績將取平均值，并按50%的比例計(jì)入課程總成績。同時(shí)，教師提醒學(xué)生在完成仿真實(shí)習(xí)后，及時(shí)復(fù)習(xí)鞏固實(shí)習(xí)中涉及的理論知識(shí)點(diǎn)和操作技能，以加強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與應(yīng)用能力。

（二）靈活運(yùn)用問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法開展課堂講解

在化工虛擬仿真課程教學(xué)過程中，教師精心設(shè)計(jì)與學(xué)情分析相匹配、難度適中且循序漸進(jìn)的問題驅(qū)動(dòng)鏈條，結(jié)合學(xué)生反饋持續(xù)更新，旨在引導(dǎo)學(xué)生深入思考，將回顧的“三傳一反”、化工熱力學(xué)、化工過程控制等專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)際問題相結(jié)合，從而加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提升學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)積極性。例如，在介紹“吸收—解吸”單元工藝原理時(shí)，教師設(shè)計(jì)了如圖2所示的問題驅(qū)動(dòng)鏈條，通過問題1“如何提高吸收過程效率？”回顧化工原理中的相關(guān)知識(shí)，問題2“為何高壓、低溫對(duì)吸收有利？”回顧化工熱力學(xué)中的相平衡理論，問題3“為什么吸收過程放熱？”回顧熱力學(xué)第二定律及熵、焓等熱力學(xué)函數(shù)之間的關(guān)系，問題4“吸收與精餾有何區(qū)別？”回顧吸收和精餾的原理及兩者的區(qū)別。

教師針對(duì)每個(gè)單元精心設(shè)計(jì)1個(gè)開放式問題或話題，組織學(xué)生分組討論，并邀請(qǐng)各小組代表上臺(tái)匯報(bào)討論結(jié)果，以此激發(fā)學(xué)生的思維活力，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力。例如，在介紹“管式加熱爐”單元時(shí)，教師提問“純氧或富氧氣體代替空氣做助燃劑將有哪些好處？”，引導(dǎo)學(xué)生從加熱爐熱效率、NOx生成、煙氣CO2捕集等多個(gè)角度進(jìn)行解答。這些內(nèi)容不僅涵蓋了化工原理、反應(yīng)工程等專業(yè)理論知識(shí)，還巧妙地關(guān)聯(lián)到了“兩山”精神、“雙碳”目標(biāo)等熱點(diǎn)話題，成為極好的課程思政融入點(diǎn)。

（三）重視引導(dǎo)學(xué)生有效開展化工仿真實(shí)習(xí)

學(xué)生在課前已參考操作手冊(cè)和視頻演示完成了相應(yīng)的仿真練習(xí)，隨后，在仿真實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，教師創(chuàng)新性地采用了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，隨機(jī)抽取學(xué)生上臺(tái)演示冷態(tài)開車、熱態(tài)停車、事故診斷及排除等一系列實(shí)習(xí)操作。在演示過程中，教師在臺(tái)下進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)與點(diǎn)評(píng)，同時(shí)帶領(lǐng)其余學(xué)生共同參與討論，分析操作的正確性、操作的細(xì)節(jié)處理以及操作中可能遇到的問題與解決方案，從而進(jìn)一步鞏固學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，提升其實(shí)踐技能。

此外，教師還可以提出以下問題供學(xué)生探討：（1）每個(gè)操作步驟（啟動(dòng)、條件參數(shù)、穩(wěn)定控制等）的目的是什么？（2）這些步驟是遵循強(qiáng)順序性還是非順序性？（3）能否省略或采用其他方式操作？（4）調(diào)整變量和被調(diào)變量分別是哪個(gè)？（5）這些變量之間是直接關(guān)系還是間接關(guān)系？（6）工藝或操作過程中可能存在哪些潛在危險(xiǎn)或事故？（7）這些危險(xiǎn)或事故的根源是什么？通過引導(dǎo)學(xué)生探討上述問題，教師不僅能夠幫助學(xué)生深入理解工藝過程，還能有效培養(yǎng)他們的批判性思維和問題解決能力。

（四）課堂總結(jié)

在課堂總結(jié)環(huán)節(jié)，教師針對(duì)重難點(diǎn)以及學(xué)生普遍存在的疑問進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和清晰的解答。同時(shí)，教師還布置了針對(duì)性的課后作業(yè)，旨在鞏固學(xué)生對(duì)課堂所學(xué)重難點(diǎn)知識(shí)的理解與應(yīng)用，并鼓勵(lì)他們進(jìn)一步探索相關(guān)問題，尋求解決方案。

課程的總成績主要包括兩部分：一是仿真系統(tǒng)自動(dòng)記錄的學(xué)生課前仿真實(shí)習(xí)的成績，該成績綜合反映了學(xué)生在多個(gè)實(shí)習(xí)單元中的操作技能與理解水平；二是期末進(jìn)行的閉卷考試成績，用于全面檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的掌握程度及實(shí)際應(yīng)用能力。

三、課程未來建設(shè)方向

在新工科背景下，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)與教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)并重，同時(shí)推動(dòng)化工虛擬仿真課程向更高層次的模擬真實(shí)度與互動(dòng)性發(fā)展，成為課程未來建設(shè)的核心方向。

在教學(xué)內(nèi)容方面，需緊扣專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生畢業(yè)要求、學(xué)科發(fā)展及社會(huì)需求，不斷優(yōu)化教育知識(shí)圖譜。在仿真單元操作類型選擇與問題驅(qū)動(dòng)鏈條設(shè)計(jì)上，要確?；ぬ摂M仿真課程與其他專業(yè)課程有效銜接，同時(shí)充分反映化工學(xué)科最新進(jìn)展及其在國民經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)與關(guān)鍵領(lǐng)域的重要作用，以有效支撐學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成。此外，根據(jù)新時(shí)代高校課程思政建設(shè)的要求，需充分挖掘化工虛擬仿真課程中的知識(shí)原理、科學(xué)史、大師級(jí)人物或典型案例等思政元素，構(gòu)建針對(duì)性強(qiáng)、內(nèi)容豐富的思政案例庫，并通過恰當(dāng)?shù)恼n程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)課程思政與專業(yè)知識(shí)的深度融合，力求在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的思想政治素養(yǎng)、職業(yè)道德和社會(huì)責(zé)任感，使之成為具有創(chuàng)新精神和社會(huì)責(zé)任感的高素質(zhì)專業(yè)人才。

在教學(xué)模式方面，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，注重學(xué)情分析與學(xué)生反饋的收集，不斷創(chuàng)新和完善諸如PBL、TBL、FC等新型教學(xué)模式，旨在提高學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)積極性，營造活躍的課堂氛圍，促使學(xué)生由被動(dòng)接受新知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮處熞龑?dǎo)下主動(dòng)探索與學(xué)習(xí)新知識(shí)。同時(shí)，通過采用新型教學(xué)模式，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的深度融合，鼓勵(lì)學(xué)生積極提問，多探究“為什么”，使學(xué)生在仿真實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中既能知其然，亦能知其所以然，實(shí)現(xiàn)學(xué)思結(jié)合，從而深化學(xué)生對(duì)理論和實(shí)踐知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，切實(shí)提升學(xué)習(xí)效果。

在教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，未來可依托人工智能（AI）及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，建設(shè)“化工過程AI+VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”，針對(duì)現(xiàn)代智能工廠和典型化工單元或系統(tǒng)，通過VR沉浸式體驗(yàn)、AI賦能人機(jī)交互、第一視角操作、視聽覺多維環(huán)境等手段，為體驗(yàn)者提供高逼真度、強(qiáng)交互性、高效且安全的仿真培訓(xùn)，提高學(xué)生的認(rèn)知能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)出適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和社會(huì)需求的化工專業(yè)復(fù)合型人才。

四、結(jié)語

自課程組承擔(dān)化工虛擬仿真課程教學(xué)任務(wù)以來，通過實(shí)施教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)與教學(xué)模式的創(chuàng)新，顯著提高了學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)積極性，營造出了活躍的課堂氛圍，并有效促進(jìn)了師生關(guān)系的和諧。在這一過程中，學(xué)生得以學(xué)思結(jié)合，學(xué)習(xí)獲得感大幅提升，真正貫徹了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。近年來，在學(xué)校教務(wù)處的課程評(píng)教活動(dòng)中，化工虛擬仿真課程實(shí)現(xiàn)了“C→B→A2”三級(jí)跨越式的提升，其教學(xué)效果贏得了廣大師生的一致好評(píng)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：梁金鳳］