新工科背景下化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系的構(gòu)建

＊李仲 夏旭東 孫丹 田維亮

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

“新工科”是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1]。而實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是高校人才培養(yǎng)過程的重要組成部分，是培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力人才的重要環(huán)節(jié)，是理論教學(xué)的重要補充[2]。普通本科院校尤其是西部偏遠(yuǎn)地區(qū)本科院校，受教學(xué)資源有限和教育經(jīng)費不足等影響，其人才培養(yǎng)側(cè)重理論知識傳授，而輕視實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)，從而培養(yǎng)的學(xué)生實踐創(chuàng)新能力不強、培養(yǎng)出來的技術(shù)人才與實際行業(yè)人才要求存在不匹配現(xiàn)象。特別是化工行業(yè)因工藝復(fù)雜，其生產(chǎn)過程存在高溫、高壓、易燃易爆、有毒有害等高危險性[3]，同時企業(yè)基于安全方面的因素，不樂于讓學(xué)生走進(jìn)現(xiàn)場開展實踐操作實習(xí)，學(xué)生實習(xí)流于形式，實踐實習(xí)效果不明顯、實習(xí)質(zhì)量不高[4-6]。因此，需要我們探索構(gòu)建新的實踐教學(xué)體系以滿足“新工科”建設(shè)的新要求。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也逐漸成熟和完善，這使得在實踐教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)成為現(xiàn)實，虛擬仿真技術(shù)具有良好的互動性，學(xué)生可以在虛擬仿真的環(huán)境下體驗真實的場景，這對于學(xué)生的實踐能力鍛煉非常便利，尤其是對于條件受限的化工實踐教學(xué)，化工虛擬仿真技術(shù)能夠使學(xué)生不用走進(jìn)工廠，在學(xué)校就可以模擬操作化工生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、液位、組分等數(shù)據(jù)的生成及變化[7-9]。因此，將虛擬仿真技術(shù)與化工實踐教學(xué)有機融合，能夠有效提高化工實踐教學(xué)質(zhì)量和效果，而且該教學(xué)方式不受教學(xué)場地與教學(xué)設(shè)備的制約，同時具有安全系數(shù)高、教學(xué)成本低等優(yōu)勢，這對于普通本科院?？焖偬嵘龑嵺`教學(xué)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

1.化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系的構(gòu)建思路

化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系的構(gòu)建旨在將虛擬仿真模塊與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)有機結(jié)合起來，搭建出符合 “新工科”要求的實踐教學(xué)人才培養(yǎng)方案，同時在最大化節(jié)約教學(xué)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)出更接近企業(yè)現(xiàn)實的化工虛擬仿真實踐教學(xué)場景，使學(xué)生能夠在虛擬仿真實踐學(xué)習(xí)中，體驗到實際的工廠場景以及具體生產(chǎn)工藝過程，培養(yǎng)出更多具有扎實理論知識、實踐能力、創(chuàng)新能力的“新工科”化工人才[10]。

本文按照“新工科”建設(shè)要求，結(jié)合普通高校化工專業(yè)實際，提出借助虛擬仿真教學(xué)具有高效率、低成本、內(nèi)容豐富和安全可靠等特點，將其融入到具體教學(xué)實踐過程，構(gòu)建化工虛擬仿真場景與實際化工過程相匹配的化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系，打破傳統(tǒng)實踐教學(xué)的時空界限，將虛擬的化工工藝引入到教學(xué)中，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝與課堂的零距離，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、設(shè)計能力和工程實踐能力。通過實踐教學(xué)模塊與虛擬仿真的有機結(jié)合，構(gòu)建由理論教學(xué)、仿真操作、實訓(xùn)操作等有機結(jié)合的化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系（圖1），探索化工虛擬仿真實踐教學(xué)新思路、新理念，不斷提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，有效解決化工實踐教學(xué)被弱化的問題，以推動化工實踐教學(xué)改革，為新工科建設(shè)注入新內(nèi)涵。

圖1 化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系的構(gòu)建思路Figure 1 Construction ideas of the virtual simulation practice teaching system of chemical engineering

2.化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系的路徑設(shè)計

作為地處新疆大地一所普通本科院校，塔里木大學(xué)秉承紅色傳統(tǒng)、不忘初心，以培養(yǎng)下得去、留得住、用得上、干得好的應(yīng)用型人才為歷史責(zé)任。塔里木化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系的構(gòu)建旨在克服學(xué)校辦學(xué)設(shè)備不足，企業(yè)實踐流于形式等條件限制，挖掘出更為合適的實踐教學(xué)體系。本文依托塔里木大學(xué)現(xiàn)有化工教學(xué)資源，并結(jié)合塔里木大學(xué)化工專業(yè)人才培養(yǎng)方案，將虛擬仿真技術(shù)引入到實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，通過將實驗課程、實習(xí)課程、專業(yè)認(rèn)知、生產(chǎn)實習(xí)以及創(chuàng)新訓(xùn)練等實踐教學(xué)模塊與虛擬仿真模塊的有機融合，構(gòu)建出符合普通本科院校人才培養(yǎng)要求的化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系，如圖2所示，不斷提升學(xué)生實踐創(chuàng)新能力，其具體實施路徑如下：

圖2 化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系的路徑設(shè)計Figure 2 Construction path of virtual simulation practice teaching system of chemical engineering

(1)專業(yè)實驗與虛擬仿真的有機結(jié)合模塊

本模塊主要涉及化工原理實驗和化工專業(yè)實驗等兩門課程，主要包括理論知識、虛擬仿真操作和實訓(xùn)操作三部分內(nèi)容，理論知識主要借助超星學(xué)習(xí)通翻轉(zhuǎn)課程實施，包括電子教材、教學(xué)課件、教學(xué)視頻以及實驗項目演示視頻等基礎(chǔ)知識內(nèi)容，此部分為學(xué)生自學(xué)完成。學(xué)生自學(xué)完成理論知識后才能進(jìn)行虛擬仿真部分練習(xí)，虛擬仿真部分包括虛擬仿真基本操作演示和虛擬仿真考核兩部分組成，只有虛擬仿真考核通過的學(xué)生才能進(jìn)入下一步實訓(xùn)操作，虛擬仿真實驗項目和實訓(xùn)操作實驗項目一一對應(yīng)，一虛一實。通過這種虛擬結(jié)合操作練習(xí)，增強學(xué)生學(xué)習(xí)效果和提高實驗教學(xué)實踐教學(xué)質(zhì)量。

(2)課程實習(xí)與虛擬仿真的有機結(jié)合模塊

本模塊主要涉化工原理、化工制圖、化工工藝學(xué)、精細(xì)化工工藝學(xué)以及化工設(shè)計等5門專業(yè)課程實習(xí)，此類課程實習(xí)主要考察學(xué)生化工專業(yè)知識掌握能力，是強化學(xué)生專業(yè)能力的課程。本模塊主要運用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建典型化工單元操作和工藝操作流程、化工工藝過程、化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程等虛擬情境，使學(xué)生體會到實際的化工工藝操作環(huán)境及工藝流程，學(xué)生通過這種沉浸式虛擬仿真操作練習(xí)，能夠強化其對化工理論知識、化工單元和工藝流程的理解，也能夠有效解決了普通高等院校教學(xué)資源不足和實驗室安全問題。

(3)化工認(rèn)知實習(xí)與虛擬仿真的有機結(jié)合模塊

認(rèn)知實習(xí)是學(xué)生從了解化工生產(chǎn)知識到親自動手操作的理論與實踐基礎(chǔ)，認(rèn)知實習(xí)可以使學(xué)生從煩瑣的專業(yè)理論中迅速走向?qū)嵺`，以適應(yīng)當(dāng)今化工行業(yè)發(fā)展的技術(shù)人才需要。本模塊主要構(gòu)建化工設(shè)備拆裝3D仿真、化工儀表3D裝置以及化工危險源認(rèn)知等虛擬仿真平臺，首先讓學(xué)生通過虛擬仿真平臺對化工常見生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能特別是大型設(shè)備、化工安全等進(jìn)行熟悉和了解，然后再帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行化工廠開展實地認(rèn)識實習(xí)，以增加學(xué)生在工廠認(rèn)知實習(xí)中的興趣和熱情，提升認(rèn)知實習(xí)效果和化工安全意識。

(4)化工生產(chǎn)實習(xí)與虛擬仿真平臺的有機結(jié)合模塊

化工生產(chǎn)實習(xí)主要是使專業(yè)學(xué)生熟悉化工廠的生產(chǎn)場景和生產(chǎn)工藝，了解化工單元過程和實際化工設(shè)備，在實習(xí)中獲取對化工生產(chǎn)過程及工藝的感性認(rèn)識，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和實踐能力。本模塊主要構(gòu)建包括石油化工3D工廠仿真、煤化工3D工廠仿真、氯堿化工3D工廠仿真、合成氨3D工廠仿真以及安全事故演練3D仿真等虛擬仿真平臺，根據(jù)學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)企業(yè)不同，有針對性地開展不少于10天的虛擬仿真實訓(xùn)，以鞏固學(xué)生化工專業(yè)知識，熟悉化工廠相關(guān)工藝流程和環(huán)境等。通過這種虛擬仿真工廠實訓(xùn)，以克服傳統(tǒng)生產(chǎn)實習(xí)存在的安全風(fēng)險高等諸多問題。學(xué)生也只有通過相應(yīng)工廠仿真考核尤其安全事故演練仿真后，才能進(jìn)入實際化工廠開展生產(chǎn)實習(xí)，以降低安全風(fēng)險和提升生產(chǎn)實習(xí)效果。

(5)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練與虛擬仿真平臺的有機結(jié)合

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教學(xué)主要有化工設(shè)計競賽、化工實驗競賽、科研實踐項目、創(chuàng)業(yè)實踐項目等。主要面向?qū)W有余力的學(xué)生，通過本模塊的學(xué)習(xí)，提高其創(chuàng)新實踐能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維，根據(jù)本學(xué)科若干具有挑戰(zhàn)性的問題，激勵學(xué)生結(jié)合專業(yè)知識開展創(chuàng)新訓(xùn)練，鼓勵和支持學(xué)生參加化工類各類學(xué)科競賽以及開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目。針對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教學(xué)特點，本模塊主要構(gòu)建虛擬仿真自主設(shè)計模塊以及結(jié)合化工模擬軟件比如Aspen plus等，為學(xué)生自主探索提供平臺和理論模擬支撐。借助虛擬仿真技術(shù)開展創(chuàng)新實驗，能夠彌補實驗條件不足的缺陷，同時還可以節(jié)約成本，提高實驗效率，通過虛實結(jié)合的創(chuàng)新實驗，能夠很好提高學(xué)生們的創(chuàng)新能力和科研水平。

3.化工虛擬仿真實踐教學(xué)的建設(shè)與成效

目前，塔里木大學(xué)聯(lián)合石河子大學(xué)、新疆理工學(xué)院等新疆高校借助虛擬仿真技術(shù)，開展了一系列化工實驗實踐虛擬仿真教學(xué)探索，主要在化工原理實驗、化工專業(yè)實驗等實驗課程建設(shè)方面取得了成效。2010年成立塔里木大學(xué)院級化工虛擬仿真實驗室，2019年塔里木大學(xué)牽頭的“傳熱3D &VR虛擬仿真綜合實驗”獲批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目，2021年獲批組建校級化工虛擬仿真實驗教學(xué)團(tuán)隊（教學(xué)中心），2022年以化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系為思路組建的“化工實驗課程虛擬教研室”入選教育部第二批虛擬教研室建設(shè)試點名單。

自2010年化工虛擬仿真實驗（室）教學(xué)中心開展建設(shè)至今，該中心現(xiàn)具有教學(xué)場所150多平方米，具有化工虛擬仿真系列軟件60余套，基本能夠滿足全?；ぬ摂M仿真教學(xué)需求。該中心面向應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、化學(xué)生物工程等專業(yè)，開設(shè)了物理化學(xué)實驗、化工原理實驗、應(yīng)用化學(xué)綜合實驗、化工工藝學(xué)課程實習(xí)、高分子化學(xué)課程實習(xí)、專業(yè)實驗、化工認(rèn)識實習(xí)、化工生產(chǎn)實習(xí)、化工實驗競賽以及化工設(shè)計競賽等實踐實習(xí)課程，每年受益師生約1500人次，每年培養(yǎng)培訓(xùn)教師隊伍100余人次。近五年來，借助該平臺體系，獲批校級以上教改項目9項，發(fā)表教改論文11篇，出版教材4部，獲得校級教學(xué)成果獎二等獎1項，獲批國家級一流本科課程1門。但在省部級及以上教學(xué)成果獎的申報和建設(shè)上，還需要進(jìn)一步創(chuàng)新實踐，為區(qū)域發(fā)展培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新化工人才繼續(xù)加大努力。

4.結(jié)語

新工科建設(shè)不僅需要樹立創(chuàng)新性、綜合化、全周期的工程教育新理念，而且需要構(gòu)建新興工科與傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科新結(jié)構(gòu)，而虛擬仿真教學(xué)正好適應(yīng)于這種學(xué)科新結(jié)構(gòu)，是推動新工科建設(shè)的新技術(shù)、新方法，但虛擬仿真技術(shù)不是萬能手段，它不能取代真實實踐教學(xué)，具有自身的局限性。因此各高校在構(gòu)建化工虛擬仿真實踐教學(xué)體系時，要結(jié)合自身實際，立足現(xiàn)有資源，構(gòu)建適合于普通本科院校要求的化工虛擬仿真教學(xué)體系，從而提升實踐教學(xué)效果，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。