虛擬仿真在復(fù)雜化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐

摘要 受場(chǎng)地、操作環(huán)境等極端條件制約，復(fù)雜工程性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)難于線下開(kāi)展，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)化工專(zhuān)業(yè)前沿技術(shù)認(rèn)知缺失，工程實(shí)踐能力訓(xùn)練短缺。 針對(duì)此問(wèn)題，在化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展以實(shí)為主、以虛為輔的混合教學(xué)模式的探索。 虛擬實(shí)驗(yàn)可大大降低實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和條件的不足，是化工專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革和發(fā)展的有益探索。 仿真實(shí)驗(yàn)中的理論學(xué)習(xí)、習(xí)題測(cè)驗(yàn)、流程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作和報(bào)告處理的過(guò)程性評(píng)價(jià)制度涵蓋了學(xué)生整體學(xué)習(xí)過(guò)程，綜合反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度和綜合實(shí)踐的能力。 在CO中溫-低溫串聯(lián)催化轉(zhuǎn)化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，4項(xiàng)課程目標(biāo)平均達(dá)成度分別為0. 80、0. 91、0. 83和0. 73，教學(xué)效果良好。 實(shí)踐證明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈膽?yīng)用實(shí)際出發(fā)，通過(guò)新穎的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的有效手段之一。

關(guān)鍵詞 專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)；虛實(shí)并行；催化轉(zhuǎn)化；工藝仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：O639；O633 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0518（2025）01-0124-09

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（No. J210301）資助

大力提升人才培養(yǎng)水平是貫徹落實(shí)《進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革，全面提高教學(xué)水平》政策的核心，在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)背景下需要強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和能力[1-4]。 化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐，將理論由抽象變具體的重要手段，也是培養(yǎng)學(xué)生解決工程問(wèn)題和科研創(chuàng)新能力的重要源泉[5-6]。 隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放性在線學(xué)習(xí)、實(shí)踐和探索的模式備受青睞，諸如開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)課程（MOOCs）、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。 一方面學(xué)生和教師可更廣泛地享受到優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，并且學(xué)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)不受限制，具有靈活性； 另一方面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)施具有高危險(xiǎn)性、極端（高溫、高壓）環(huán)境、不可逆操作、高成本或高消耗的、線下難于開(kāi)展的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作的連貫性。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅使學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，拓寬眼界，提升動(dòng)手實(shí)踐能力，同時(shí)使學(xué)生綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，提升了工程應(yīng)用能力，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題和創(chuàng)新創(chuàng)造的能力[7-8]。 與傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)相比，虛擬仿真教學(xué)能顯著提升專(zhuān)業(yè)人才能力培養(yǎng)效果。 基于化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，本文以“CO中溫-低溫串聯(lián)催化轉(zhuǎn)化工藝仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)為例，展示了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容實(shí)用性、課程安排靈活性、過(guò)程評(píng)價(jià)客觀性、復(fù)雜操作可靠性、知識(shí)內(nèi)容普適性以及教學(xué)互動(dòng)優(yōu)越性[9-10]，為推動(dòng)“虛實(shí)并行”實(shí)踐教學(xué)模式在復(fù)雜化工實(shí)驗(yàn)中的開(kāi)展，促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，激發(fā)學(xué)生參與復(fù)雜反應(yīng)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力提供有力支撐。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法構(gòu)建

1. 1 實(shí)驗(yàn)背景及目的

合成氨工業(yè)可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供必需的氮肥和其他復(fù)合肥料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。 但由于天然氣或石腦油蒸汽催化轉(zhuǎn)化的原料氣中含有大量的CO，導(dǎo)致催化劑中毒，必須在合成前進(jìn)行凈化處理。 目前，在現(xiàn)代大型合成氨原料氣凈化過(guò)程中均采用中溫-低溫串聯(lián)實(shí)現(xiàn)CO變換反應(yīng)將其脫除，原料氣凈化效果受催化劑種類(lèi)、溫度、壓力和氣體流量等因素的影響。 該反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化體現(xiàn)化工專(zhuān)業(yè)多門(mén)學(xué)科的融合，學(xué)生需要有機(jī)結(jié)合化工設(shè)計(jì)、化學(xué)反應(yīng)工程、多相催化和儀器分析等多門(mén)課程知識(shí)，是適合為本科生開(kāi)設(shè)的綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。 然而，由于CO變換反應(yīng)工藝是連續(xù)化作業(yè)，裝置和內(nèi)部過(guò)程極為復(fù)雜，且反應(yīng)危險(xiǎn)系數(shù)極高，受時(shí)間和空間等條件限制，難于線下開(kāi)展。 通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可借助線上、線下信息交互，實(shí)現(xiàn)完整反應(yīng)過(guò)程模擬操作訓(xùn)練的目的。 該仿真實(shí)驗(yàn)可大大降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和條件的不足，是化工專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革和發(fā)展的一次有益探索。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M中溫-低溫串聯(lián)CO變換反應(yīng)過(guò)程，利用直流流動(dòng)法測(cè)定鐵基催化劑、銅基催化劑的活性，不僅讓學(xué)生進(jìn)一步理解多相催化反應(yīng)理論，掌握利用實(shí)驗(yàn)研究催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方法，還接觸了本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)用技術(shù)，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)置既體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的新穎性，又將行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生視野，提高了綜合實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕ㄒ韵?方面： 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能進(jìn)一步理解多相催化反應(yīng)有關(guān)知識(shí)； 掌握CO中溫-低溫催化轉(zhuǎn)化工藝流程和操作步驟，初步接觸反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化思想； 掌握氣固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方法及催化劑活性的評(píng)價(jià)方法； 提供驗(yàn)錯(cuò)操作、流程優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，培養(yǎng)科研能力和創(chuàng)新精神，促進(jìn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

1. 2 實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容

CO中溫-低溫串聯(lián)催化轉(zhuǎn)化工藝仿真實(shí)驗(yàn)主要有4部分內(nèi)容。 首先，深入理解實(shí)驗(yàn)原理，從而確定反應(yīng)器類(lèi)型、催化劑種類(lèi)和反應(yīng)溫度等工藝參數(shù)； 其次，進(jìn)行實(shí)際工藝學(xué)習(xí)，掌握實(shí)際反應(yīng)流程中操作單元的基本結(jié)構(gòu)及作用； 第三，參照標(biāo)準(zhǔn)流程修改反應(yīng)條件，完成系統(tǒng)操作，掌握催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定；第四，通過(guò)變換反應(yīng)參數(shù)，優(yōu)化反應(yīng)條件，進(jìn)一步理解影響CO變換反應(yīng)的因素及催化劑活性評(píng)價(jià)方法，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 課程內(nèi)容對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)和畢業(yè)要求如圖1所示。

1. 3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及學(xué)習(xí)過(guò)程

針對(duì)教學(xué)要求，設(shè)計(jì)CO變換仿真實(shí)驗(yàn)。 考慮到教師需要掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)情況，軟件界面下設(shè)管理模塊和學(xué)生模塊，各模塊下設(shè)不同操作功能，實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在學(xué)生模塊中，包含基礎(chǔ)知識(shí)的介紹、知識(shí)考核，更加入了流程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生接觸初步工藝設(shè)計(jì)思想，考察學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。 此模塊主要包含4個(gè)部分，學(xué)生需要按序逐一完成。 學(xué)生通過(guò)指導(dǎo)教師設(shè)置的個(gè)人賬號(hào)、密碼登錄仿真系統(tǒng)，進(jìn)入教學(xué)部分，具體仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程如圖3所示。

首先，學(xué)生需要了解實(shí)驗(yàn)的工業(yè)背景，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)流程以及注意事項(xiàng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)及操作步驟有初步的認(rèn)知，該部分類(lèi)似于線下教學(xué)的實(shí)驗(yàn)講義。

其后，是習(xí)題測(cè)驗(yàn)部分，內(nèi)容涉及實(shí)驗(yàn)原理、工藝參數(shù)、注意事項(xiàng)和設(shè)備單元結(jié)構(gòu)等。 測(cè)試需要在限定時(shí)間內(nèi)無(wú)提示完成，交卷后系統(tǒng)會(huì)給出分?jǐn)?shù)和正確答案。 分?jǐn)?shù)低于60分的同學(xué)需要重新考核才能進(jìn)入下一步實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。 該部分主要考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)基本理論的掌握情況。

再次，進(jìn)入流程設(shè)計(jì)模塊。為培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力，系統(tǒng)設(shè)置了流程設(shè)計(jì)模塊。 在這里學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要在14種設(shè)備中進(jìn)行選擇和搭建，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了“可視化操作、高仿真演示、交互式實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)體系，學(xué)生點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)可以了解結(jié)構(gòu)和用途。 流程設(shè)計(jì)完成后提交時(shí)也會(huì)進(jìn)行分?jǐn)?shù)評(píng)定，同時(shí)給出錯(cuò)誤信息，并提供一份標(biāo)準(zhǔn)工藝流程設(shè)計(jì)圖供參考。 該部分主要鍛煉了學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，初步接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工藝流程及各單元功能的理解。

最后，是仿真系統(tǒng)操作平臺(tái)，學(xué)生在系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)流程圖下完成全流程操作，包括實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、閥門(mén)開(kāi)關(guān)和溫度記錄等。 學(xué)生根據(jù)軟件的提示，完成從開(kāi)車(chē)到停車(chē)的整個(gè)操作過(guò)程，并收集有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行后處理。 在該工藝圖中，設(shè)備都有其相應(yīng)功能介紹，對(duì)于復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，強(qiáng)化學(xué)生的記憶與理解。 該部分可更直觀、生動(dòng)地為學(xué)生展現(xiàn)CO中溫-低溫串聯(lián)催化轉(zhuǎn)化的全流程，提高學(xué)生系統(tǒng)操作的連貫性以及對(duì)復(fù)雜工藝處理的系統(tǒng)認(rèn)知性。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核及實(shí)施成效

2. 1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核標(biāo)準(zhǔn)

化工過(guò)程發(fā)展已經(jīng)由傳統(tǒng)的“工程化工”向“數(shù)字化工”、“智能化工”轉(zhuǎn)變，化工模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生深入學(xué)習(xí)化工領(lǐng)域核心知識(shí)，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提升專(zhuān)業(yè)認(rèn)知的重要學(xué)習(xí)途徑。 本實(shí)驗(yàn)課程考核標(biāo)準(zhǔn)遵循工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證基本要求，主要面向能源化工、材料化工專(zhuān)業(yè)方向本科三年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)，學(xué)生需要提前掌握物理化學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工過(guò)程與分離、化工熱力學(xué)、化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和煤化工工藝學(xué)等專(zhuān)業(yè)理論課程。 人才培養(yǎng)過(guò)程建立梯度式實(shí)踐課程體系（圖4），專(zhuān)業(yè)知識(shí)從基礎(chǔ)到核心逐級(jí)遞進(jìn)，覆蓋從大一到大三的專(zhuān)業(yè)核心課程，強(qiáng)化知識(shí)應(yīng)用與工程特色，理論與實(shí)踐-虛實(shí)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)建設(shè)“模塊導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動(dòng)”情境教學(xué)模式。 本實(shí)驗(yàn)課程“虛實(shí)并行”的教學(xué)模式，對(duì)于學(xué)生開(kāi)放性、發(fā)散性和探究性創(chuàng)新能力培養(yǎng)，發(fā)揮著重要作用，在相關(guān)的虛擬仿真教學(xué)中，需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)創(chuàng)新建設(shè)，助力創(chuàng)新性人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

課程考核圍繞學(xué)生為中心，強(qiáng)化過(guò)程性評(píng)價(jià)，兼顧終結(jié)性評(píng)價(jià)。 其中仿真實(shí)驗(yàn)中的預(yù)習(xí)過(guò)程、習(xí)題測(cè)驗(yàn)、流程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告屬于過(guò)程性評(píng)價(jià)，期末考試屬于終結(jié)性評(píng)價(jià)。 此考核制度涵蓋了學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，既能反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度和綜合實(shí)踐的能力，又能關(guān)注學(xué)生的科學(xué)探究以及學(xué)以致用的創(chuàng)新能力。 學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)置充分融合課程目標(biāo)的要求，科學(xué)合理設(shè)置“課前預(yù)習(xí)”、“實(shí)際操作”、“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”和“期末考試”4個(gè)遞進(jìn)環(huán)節(jié)。“實(shí)際操作”動(dòng)手環(huán)節(jié)占30%，突出培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，該環(huán)節(jié)強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生在線實(shí)驗(yàn)方法，允許多次實(shí)驗(yàn)多次優(yōu)化，創(chuàng)新多維反饋優(yōu)化新路徑。 “實(shí)驗(yàn)報(bào)告”環(huán)節(jié)占30%，突出培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用與過(guò)程創(chuàng)新的能力，通過(guò)強(qiáng)化過(guò)程性考核，客觀地評(píng)價(jià)課程目標(biāo)的達(dá)成程度，進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)總結(jié)，創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑员阌诩皶r(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，在教師與學(xué)生之間形成良好的反饋互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生成績(jī)及能力的提高。 具體實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)權(quán)重見(jiàn)圖5。

2. 2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施成效

2. 2. 1 科學(xué)實(shí)施考核測(cè)評(píng)，合理統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)結(jié)果

在CO中溫-低溫串聯(lián)催化轉(zhuǎn)化工藝仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，教師主要通過(guò)管理模塊掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程性評(píng)價(jià)，如圖6所示。 在仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M主界面上有已登錄學(xué)生名單、實(shí)驗(yàn)原理瀏覽記錄、習(xí)題測(cè)試分?jǐn)?shù)、流程設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)及錯(cuò)誤點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)仿真流程完成情況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表及曲線等。 教師可通過(guò)以上信息綜合判定學(xué)生對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)掌握情況。 同時(shí)通過(guò)成績(jī)統(tǒng)計(jì)，對(duì)分?jǐn)?shù)較低的同學(xué)進(jìn)行信息發(fā)送和輔導(dǎo)。 這種多方面過(guò)程性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式一方面對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)起到督促作用，循序漸進(jìn)； 另一方面通過(guò)反復(fù)強(qiáng)化加深學(xué)生的掌握深度，并通過(guò)成績(jī)統(tǒng)計(jì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題學(xué)生，有效地采取幫扶措施，避免在終結(jié)性評(píng)價(jià)（考試）時(shí)出現(xiàn)不通過(guò)情況，有效地提高了學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。

終結(jié)性評(píng)價(jià)主要通過(guò)閉卷筆試考試完成，內(nèi)容涵蓋大綱中4項(xiàng)課程目標(biāo)。 2020級(jí)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)本科生共有102人參與本課程學(xué)習(xí)與考核，經(jīng)過(guò)程性和終結(jié)性考核權(quán)重計(jì)算，4項(xiàng)課程目標(biāo)整體平均達(dá)成度分別為0. 80、0. 91、0. 83和0. 73（圖7），效果良好。 在4項(xiàng)課程目標(biāo)達(dá)成中，學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)4的達(dá)成度相對(duì)較低。 目標(biāo)4主要是工程與社會(huì)問(wèn)題，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用掌握的生產(chǎn)案例分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程，評(píng)價(jià)測(cè)定指標(biāo)的意義，隱含的是對(duì)健康、安全及環(huán)境影響的不利因素以及工程實(shí)際應(yīng)用中的解決方法。該目標(biāo)達(dá)成度偏低，說(shuō)明學(xué)生在工程實(shí)際方面的能力欠缺，后續(xù)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)習(xí)和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐方面需進(jìn)一步加強(qiáng)。

2. 2. 2 科學(xué)評(píng)估學(xué)生成績(jī)，以學(xué)生為中心差異化輔導(dǎo)

對(duì)學(xué)生在4項(xiàng)課程目標(biāo)達(dá)成個(gè)體差異情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖8。 首先，實(shí)踐教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)的難易程度設(shè)置了課程目標(biāo)期望值為0. 70，由此得到在某一項(xiàng)或幾項(xiàng)目標(biāo)達(dá)成方面存在困難的學(xué)生名單（表1），進(jìn)而對(duì)學(xué)生個(gè)體進(jìn)行針對(duì)性的幫扶。

從圖8和表1中可見(jiàn)，1號(hào)、71號(hào)和96號(hào)學(xué)生有3項(xiàng)課程目標(biāo)均沒(méi)有達(dá)到期望值，需要指導(dǎo)老師再一次查閱學(xué)生在線操作成績(jī)以及試卷，分析學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作以及答題情況，查擺問(wèn)題，并與學(xué)生進(jìn)行單獨(dú)溝通交流，進(jìn)行重點(diǎn)輔導(dǎo)。 課程目標(biāo)3未達(dá)到期望值的學(xué)生人數(shù)較多，占總?cè)藬?shù)的10. 78%。 通過(guò)調(diào)閱過(guò)程性考核發(fā)現(xiàn)這幾名同學(xué)都是在流程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出錯(cuò)較多，導(dǎo)致得分偏低。 單獨(dú)對(duì)這11名同學(xué)進(jìn)行了CO中溫-低溫串聯(lián)工藝全流程輔導(dǎo)。 總體來(lái)看，通過(guò)科學(xué)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)、考核標(biāo)準(zhǔn)和終結(jié)性評(píng)價(jià)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中有目標(biāo)性和針對(duì)性的完成課程學(xué)習(xí)，比往屆未達(dá)到期望值的學(xué)生人數(shù)降低，較好達(dá)到教學(xué)目的。

3 思考與拓展

實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生求真務(wù)實(shí)，激發(fā)學(xué)生科研探索精神和創(chuàng)新性思維，可拓展下列問(wèn)題：1）CO、CO2加氫制備含氧化合物的研究現(xiàn)狀？鐵基催化劑和銅鋅催化劑的催化效果如何？如何提升催化劑的催化效果？引導(dǎo)學(xué)生從優(yōu)化溫度、壓力、配料比和空氣流速等方面理解對(duì)催化劑的影響機(jī)理。 2）碳?xì)淠茉创呋饔孟聦?shí)現(xiàn)CO2向CO轉(zhuǎn)化的研究現(xiàn)狀？轉(zhuǎn)化的機(jī)理如何？催化劑的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)如何變化？反應(yīng)溫度、壓力等對(duì)催化反應(yīng)過(guò)程的影響機(jī)理。

教師對(duì)以上問(wèn)題提出方案的可行性和必要性，聯(lián)系國(guó)家能源發(fā)展政策，發(fā)展包括風(fēng)、光、生物和氫等新能源，建立清潔低碳能源體系，發(fā)展碳捕集與封存技術(shù)，深刻理解“碳達(dá)峰，碳中和”的深層含義。 介紹碳捕獲/利用和固存（CCUS）技術(shù)，下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生小組匯報(bào)，內(nèi)容不局限于以上問(wèn)題，學(xué)生可以拓展延伸。 根據(jù)學(xué)生匯報(bào)內(nèi)容的深度和對(duì)行業(yè)前沿的理解程度打分，教師在評(píng)價(jià)過(guò)程需要在內(nèi)容中貫穿課程思政，從國(guó)情元素、責(zé)任元素、科學(xué)元素等方面進(jìn)行教育，不僅培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的主人翁意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。

4 結(jié) 論

多學(xué)科知識(shí)的滲透和教學(xué)內(nèi)容的不斷豐富，需要拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度。 但對(duì)于化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)來(lái)講，大型綜合訓(xùn)練常受制于高危環(huán)境、高成本和高消耗等因素，難以線下開(kāi)展，因此有必要在發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式優(yōu)勢(shì)的同時(shí)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合既能適應(yīng)信息化社會(huì)發(fā)展的要求，又有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。 “CO中溫-低溫串聯(lián)催化轉(zhuǎn)化”仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)取得了明顯的實(shí)踐教學(xué)成效，反映出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效地提升學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，能夠從應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生不僅完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，使課本中學(xué)到的基本理論和方法得到直觀驗(yàn)證，還可以不斷地探究和嘗試，設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)一步提升科研和創(chuàng)新能力。

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Exploration and Application of Virtual Simulation in Experimental Teaching for Complex Field of Chemical Engineering

——A Case Study on Simulating CO Medium-Low Temperature Series Catalytic Conversion

LIN Xiong-Chao*， WANG Cai-Hong， REN Yan-Jiao

（China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract Currently， complex engineering innovation experiments are difficult to be performed because of the limitation of experimental condition and operating environment. This leads to the lack of cognition of advanced technology and shortage of engineering practical ability on chemical engineering. Aiming at this problem，mixed teaching model by combining actual operating and virtual simulation was carried out in the chemical engineering specialty experiment. The virtual experiment can greatly reduce the risk of experiment operation and overcome the shortage of time-consuming and sever experimental condition. It is beneficial to promote the reform and development of practice teaching of chemical engineering specialty. The process evaluation system of theorical learning， exercise test， process design， experimental operation and report processing in simulation experiment could cover the whole learning process. It thus could systemically reflect the ability of students for the knowledge acquirement and comprehensive practice. In the CO low-medium temperature catalytic conversion simulation experiment， the average achievement degree of the four course objectives is 0. 80， 0. 91， 0. 83 and 0. 73， respectively， implying an excellent teaching effect. Practically， the virtual simulation experiment can focus on the actual application. Through the novel experimental content design， it is easier to induce the enthusiasm and initiative of students. It is an effective approach to enhance the ability to solve complex engineering problems.

Keywords Specialized experiment； Virtual-real parallel； Catalytic conversion； Process simulation

Received 2024？09？20； Accepted 2024？11？04

Supported by China University of Mining and Technology （Beijing） Undergraduate Education and Teaching Reform Project（No. J210301）