“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下化工實踐教學(xué)的改革與探索

趙蘇亞，田維亮

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

快速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)促進了高等教育教學(xué)的改革，加速了教學(xué)模式的多元化發(fā)展。在高校實驗教學(xué)中，虛擬仿真實驗?zāi)軜?gòu)建逼真的實驗環(huán)境、實驗對象和實驗內(nèi)容，可以讓學(xué)生在開放、交互的虛擬環(huán)境中進行自主的實驗設(shè)計與操作，因而在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索及實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力中發(fā)揮越來越重要的作用?，F(xiàn)在工科專業(yè)，特別是化工專業(yè)，在化工實踐教學(xué)過程中學(xué)生的實習(xí)難、實習(xí)效果差，創(chuàng)新能力不夠，多方面制約了實踐教學(xué)的效果。信息技術(shù)發(fā)展日新月異，推動了虛擬仿真技術(shù)的完善，使后者能直接應(yīng)用在化工實踐教學(xué)中[1]。

筆者基于國家級混合式課程的建設(shè)標準，結(jié)合化工生產(chǎn)實習(xí)實踐教學(xué)的困境，以培養(yǎng)出具有扎實理論知識、實踐能力、創(chuàng)新能力的“新工科”人才目標為導(dǎo)向，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，將虛擬仿真融入化工實踐教學(xué)進行了改革和探索。

1 化工實踐教學(xué)面臨的困境

化工專業(yè)學(xué)習(xí)重在實踐，這也是化工類專業(yè)人才培養(yǎng)方案中著重強調(diào)的方面。在實踐過程中，學(xué)生動手動腦將所掌握的理論知識落地，解決現(xiàn)實問題。既讓學(xué)生更加深入系統(tǒng)地了解了化工知識，也能讓學(xué)生將理論所學(xué)應(yīng)用于實踐問題的解決，養(yǎng)成科學(xué)的思維和習(xí)慣，提高實驗實踐技能?，F(xiàn)在化工專業(yè)的一大難題就是學(xué)生的實習(xí)難、實習(xí)效果差，創(chuàng)新能力不夠。學(xué)習(xí)存在主觀敷衍了事、準備不充分、技術(shù)水平低等不足[2,3]。

1.1 化工生產(chǎn)實習(xí)風(fēng)險大、實習(xí)過程“走馬觀花”

眾所周知，在化工行業(yè)的生產(chǎn)過程中往往會涉及到較多易燃、易爆或具有一定毒性的化學(xué)物質(zhì)，化工單元操作條件苛刻，很多都需要在高溫、高壓的環(huán)境下操作，這使得化工生產(chǎn)過程具有眾所周知的高危、高毒、高風(fēng)險的特點，極易造成安全事故的發(fā)生，嚴重威脅到工作人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全[4-6]。化工企業(yè)對實習(xí)學(xué)生設(shè)置了更高的進入門檻，要掌握扎實的化學(xué)理論知識，要熟悉企業(yè)生產(chǎn)流程、技術(shù)參數(shù)、掌握設(shè)備操作技能等。很多企業(yè)為了避免不必要的經(jīng)濟損失和安全隱患，不愿意接受化工類專業(yè)學(xué)生進行深層次的現(xiàn)場生產(chǎn)實習(xí)，學(xué)生沒有機會上崗動手操作。那么整個生產(chǎn)實習(xí)過程中學(xué)生只能“走馬觀花”，僅憑“聽”和“看”，很難真正了解現(xiàn)實中化工生產(chǎn)的工藝流程、設(shè)備性能等，更接觸不到實際問題，很大程度限制了學(xué)生的主觀能動性、創(chuàng)新性[7,8]。對于本科教育來說，其目標是將學(xué)生培養(yǎng)為工程師，能夠在實際生產(chǎn)中解決一些復(fù)雜的工程問題，這就需要更豐富的培養(yǎng)環(huán)節(jié)來提升教學(xué)的高階性，突出教學(xué)的創(chuàng)新性，增加教學(xué)的挑戰(zhàn)度。

1.2 化工生產(chǎn)實習(xí)準備倉促，學(xué)生的知識儲備不足、生產(chǎn)操作生疏

現(xiàn)在高校的化工生產(chǎn)實習(xí)流程，一般是對學(xué)生進行實習(xí)前的安全培訓(xùn)，再進入實習(xí)，而并沒有經(jīng)過真正操作技能的培訓(xùn)和指導(dǎo)。那么這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的缺失則會造成學(xué)生因知識儲備不足、實驗操作技能生疏而導(dǎo)致生產(chǎn)原料的浪費、產(chǎn)品成分的改變、儀器的損傷等問題，更有可能引發(fā)安全事故，對企業(yè)造成較大程度的經(jīng)濟損失，因此很多化工企業(yè)對接納高校實習(xí)生的積極不高。另外，因?qū)嵙?xí)經(jīng)費緊缺，學(xué)生在實習(xí)基地的實習(xí)時間短，企業(yè)也很難給學(xué)生安排一個比較系統(tǒng)的工作讓學(xué)生深入生產(chǎn)前線了解實際生產(chǎn)操作。這種情況下，難以實現(xiàn)理論聯(lián)系實際，鍛煉學(xué)生較強綜合分析、判斷的能力的教學(xué)目標，這樣也失去了實習(xí)的意義。

1.3 利用信息化技術(shù)的能力不足

信息技術(shù)發(fā)展日新月異，企業(yè)必須適應(yīng)市場需求，打造技術(shù)性企業(yè)，采用各種“軟技術(shù)”。尤其是在化工行業(yè)生產(chǎn)的過程中應(yīng)用DCS (Distributed control system)操作系統(tǒng)后，操作人員可以通過操作畫面完成各種操作功能，不僅降低了員工在操作過程中的難度、繁瑣度，還能提高在化工生產(chǎn)過程中的安全性能。但目前學(xué)生對于這類自動化操作系統(tǒng)的理論知識的學(xué)習(xí)和實際操作能力不夠。除此之外，學(xué)生對3D (3 Dimensions)、VR (Virtual reality)和AR (Augmented reality)等信息化技術(shù)的認知度、接觸度和熟悉度也遠遠不夠。

2 互聯(lián)網(wǎng)+教育融入化工實踐教學(xué)的意義

2.1 虛擬仿真技術(shù)引入化工實踐教學(xué)的意義

虛擬仿真軟件配置的3D虛擬仿真系統(tǒng)和DCS控制系統(tǒng)，可以模擬企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，為學(xué)生體驗設(shè)備操作提供條件，也可以模擬生產(chǎn)事故的發(fā)生，讓學(xué)生學(xué)會如何進行靈活應(yīng)對，做好應(yīng)急處置，還可以控制人物在化工廠里參觀，可以看到對于化工廠的安全要求，而且還可以切換人物，感受不同的角色[9]。學(xué)生可以根據(jù)自己在工廠實習(xí)中遇到的難題設(shè)計實驗場景，在確保人身安全和經(jīng)濟安全的模擬環(huán)境中進行反復(fù)操作和練習(xí)，大膽進行各項操作，將虛擬仿真技術(shù)引入實踐教學(xué)，不僅能夠有效解決學(xué)生實習(xí)難、效果差、化工生產(chǎn)風(fēng)險大、生產(chǎn)操作能力不足等問題，還能夠拓展實踐教學(xué)的廣度和深度，以達到鞏固學(xué)生基礎(chǔ)理論知識、培養(yǎng)創(chuàng)造思維、提高應(yīng)用化學(xué)設(shè)備的能力[10]。

我們圍繞將虛擬仿真技術(shù)引入實踐教學(xué)的認可度，對2018級、2019級化工和應(yīng)化專業(yè)306名接觸過虛擬仿真實踐教學(xué)的學(xué)生做了相應(yīng)的問卷調(diào)查，共發(fā)放306份問卷，收到302份有效問卷，結(jié)果見圖1。在線下教學(xué)環(huán)境中加入虛擬仿真環(huán)節(jié)，豐富學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，快速提升學(xué)生實踐技能，讓課堂價值得到最大程度的發(fā)揮。這種教學(xué)設(shè)計贏得了學(xué)生的認可。

圖1 學(xué)生對引入實踐教學(xué)認可度的問卷調(diào)查

2.2 線上線下混合式教學(xué)

混合教學(xué)模式并非簡單粗暴地將兩種教學(xué)方式進行組合，而是更加注重教學(xué)方式選擇的靈活性和針對性。根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容和目標任務(wù)，靈活設(shè)計教學(xué)計劃，將兩種教學(xué)方式有機融合，最大程度地發(fā)揮兩種教學(xué)方式的優(yōu)勢[11,12]。一方面充分利用互聯(lián)網(wǎng)的在線教學(xué)優(yōu)勢，加強教師和學(xué)生的課堂互動；另一方面充分利用學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)方式線上和線下的混合，拓展授課的時空邊界，打造具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的混合式課程。

3 “互聯(lián)網(wǎng)+”化工實踐教學(xué)的改革思路和舉措

結(jié)合我?；ゎ愊嚓P(guān)專業(yè)現(xiàn)階段的發(fā)展需求，以“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”模式為實驗和實踐教學(xué)研究載體，構(gòu)建一個“互聯(lián)網(wǎng)+”的信息化和現(xiàn)代化全國共享實踐平臺與方案，建成后將成為新疆南疆地區(qū)實踐教學(xué)示范中心。學(xué)生通過線上線下混合式的理論學(xué)習(xí)、仿真實驗和實訓(xùn)操作訓(xùn)練、實驗實訓(xùn)操作和化工廠設(shè)計的全程綜合學(xué)習(xí)，可提高綜合設(shè)計實驗的能力，解決化工專業(yè)學(xué)生在實際生產(chǎn)中的困境。

混合式課程的建設(shè)能促進化學(xué)工程與工藝專業(yè)、應(yīng)用化學(xué)、食品科學(xué)與工程等專業(yè)的實驗實踐教學(xué)的多學(xué)科交叉與融合，教學(xué)質(zhì)量和水平必將得到很大提高，促進化工等相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)，服務(wù)地方經(jīng)濟建設(shè)，社會效益較大?；し抡鎸嵙?xí)實踐教學(xué)的建設(shè)思路如圖2所示。

圖2 課程建設(shè)思路

3.1 具體建設(shè)思路

3.1.1 構(gòu)建南疆化工實踐教學(xué)線上教學(xué)平臺，實現(xiàn)資源共享

緊密結(jié)合本?；瘜W(xué)化工專業(yè)特色，讓地處西部地區(qū)的新疆南疆化工學(xué)子接受全國一流的教育資源，全面提升南疆地區(qū)的教學(xué)質(zhì)量和水平。通過3D、VR和AR技術(shù)，搭建“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的化工實踐教學(xué)平臺，無論在學(xué)校課堂、宿舍，還是在家里都可以通過網(wǎng)絡(luò)或者手機學(xué)習(xí)，真正實現(xiàn)三維立體化教學(xué)的開展。

3.1.2 全力解決化工專業(yè)學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)難、效果差、學(xué)習(xí)興趣低等難題

化工專業(yè)屬于新工科學(xué)科，需要工程實踐。目前鑒于化工安全等因素，幾乎所有的化工企業(yè)不愿意接受化工類學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)。現(xiàn)代化工學(xué)生缺少化工生產(chǎn)操作實踐，工程實踐能力不夠。信息技術(shù)的發(fā)展，帶來新的契機，打破以往的教學(xué)模式，借助現(xiàn)代的虛擬仿真技術(shù)，全力構(gòu)建三維虛擬工廠，實現(xiàn)真正意義上的虛擬操作，提高化工學(xué)生的工程實踐操作能力，全力解決化工學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)難、效果差等難題。同時，解決了化工學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低的難題。

3.1.3 加大化工創(chuàng)新人才的培養(yǎng)深度，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量

化工類的本科生不是培養(yǎng)僅僅具有簡單模仿能力的專業(yè)技術(shù)人才，而是要有工程實踐能力的創(chuàng)新人才。因此，化工工程師只有仿真操作能力是不夠的，還要有工程設(shè)計分析能力。將現(xiàn)代化的軟件Aspen plus和Auto CAD等應(yīng)用于教學(xué)中，構(gòu)建工程計算和設(shè)計能力，全力挖掘化工類人才培養(yǎng)的深度，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量和水平，構(gòu)建全方位的人才培養(yǎng)體系。

3.2 具體措施

3.2.1 建立多層次、多模塊的教學(xué)體系

根據(jù)學(xué)生的需求與知識結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了四個層次(理論課模塊、仿真操作模塊、實驗操作模塊、綜合設(shè)計模塊)，七個教學(xué)模塊(圖3) (基礎(chǔ)理論線上授課，線上實習(xí)虛擬仿真，線下實驗操作，線上關(guān)鍵設(shè)備拆裝，線上化工單元的綜合實訓(xùn)，線下工藝模擬計算(設(shè)計軟件Aspen plus)，線下單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)計算(設(shè)計軟件Auto CAD))的實驗內(nèi)容，實踐教學(xué)不單是對理論教學(xué)的驗證和深化，而是要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和接受能力，對教學(xué)活動進行拓展，提升學(xué)生多方面的技能水平。比如引導(dǎo)學(xué)生對實踐活動進行創(chuàng)新。本項目設(shè)置在知識水平、能力要求上逐漸提高的四個層次，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求進行學(xué)習(xí)。

圖3 混合式教學(xué)課程建設(shè)思路

3.2.2 “闖關(guān)式”學(xué)習(xí)體驗

虛擬仿真實習(xí)各層次之間采用了“闖關(guān)式”的方法，學(xué)生只有完成前一層次的學(xué)習(xí)且達到一定分數(shù)后，才能進入到下一層次的學(xué)習(xí)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和接受能力，學(xué)生自主決定是否對知識進行拓展延伸。在完成第一層次的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生能夠掌握基本理論、操作基本方法等，也可以作為學(xué)生開展真正實踐教學(xué)的準入和預(yù)演，真正做到虛實結(jié)合、以虛補實。一方面保證了學(xué)生學(xué)習(xí)過程的循序漸進，將過程與設(shè)備的基礎(chǔ)理論掌握扎實后再開始拓展及綜合型的學(xué)習(xí)，保證了學(xué)習(xí)效果；另一方面，由于學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中體驗到成就感和滿足感，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

3.2.3 “云”教學(xué)評價體系

本虛擬仿真實踐教學(xué)在內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法的設(shè)置上環(huán)環(huán)相扣，采用遞進式的學(xué)習(xí)路線，形成對學(xué)生的知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高的多層次的教學(xué)模式。該模式極大地改變了教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣，因此對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價方式也應(yīng)隨之調(diào)整。通過高度信息化的學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間和學(xué)習(xí)需求靈活安排訓(xùn)練計劃。學(xué)生在線上的操作達到規(guī)定后即為合格，就可以順利進入下一關(guān)。在教學(xué)過程中，授課教師可以通過教師端在線統(tǒng)計學(xué)生在使用虛擬仿真實驗系統(tǒng)過程中出現(xiàn)的問題，教師可以通過觀察收集學(xué)生反饋等途徑，了解學(xué)生在實踐操作中的重難點問題，并集中進行講解。通過有針對性的講解和演示，從而實現(xiàn)實驗教學(xué)的線上線下相結(jié)合，虛擬仿真與實驗教學(xué)的互相促進，同時實現(xiàn)了全程在線監(jiān)管、答疑、評分，真正實現(xiàn)全過程考核，更新了教學(xué)評價體系，使實踐教學(xué)進入“云”教學(xué)時代。

下面以實驗?zāi)K為例進行介紹。

理論課模塊包含：實驗基本原理；實驗的研究方法；實驗數(shù)據(jù)處理；實驗數(shù)據(jù)的誤差分析。

仿真操作模塊包含：工藝過程及設(shè)備基礎(chǔ)；開車、正常生產(chǎn)和停車；生產(chǎn)事故的緊急處理；泄露著火和泄漏等安全事故處理。

實驗操作模塊包含：工藝設(shè)備的操作；開車、正常生產(chǎn)和停車；操作生產(chǎn)事故的緊急處理；實驗數(shù)據(jù)的處理。

綜合設(shè)計模塊包含：工藝過程參數(shù)的模擬優(yōu)化；物料衡算和能量衡算模擬計算；工藝參數(shù)的設(shè)計；單元設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

3.3 建設(shè)特色

將現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息化技術(shù)相結(jié)合。搭建西部南疆偏遠地區(qū)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和教學(xué)中心，將全國東部發(fā)達省份的優(yōu)勢教學(xué)資源在西部共享，使西部偏遠地區(qū)的學(xué)生接受全國一流的教學(xué)，使西部教師充分利用這些資源到教學(xué)中去，實現(xiàn)優(yōu)勢資源共享，縮小東西部教學(xué)差異，真正實現(xiàn)西部地區(qū)教育的變軌超車。

將現(xiàn)代的信息化技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合。搭建3D教學(xué)資源庫，構(gòu)建VR和AR立體化虛擬教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高西部教育的水平和教學(xué)能力。

將混合教學(xué)模式應(yīng)用于實驗?zāi)M，跟蹤監(jiān)督學(xué)生在實驗設(shè)計和操作中的表現(xiàn)，開展適度有效的引導(dǎo)。全面提高實驗教學(xué)的能力和水平，提升難度和深度，打造全新式課程。

全力解決化工專業(yè)實習(xí)難，克服實習(xí)走過場和走形式的問題，打造四個層次七大模塊的教學(xué)模式，形成基本理論、認識實習(xí)、仿真操作、實訓(xùn)操作和過程設(shè)計的遞進式教學(xué)方法，將當(dāng)今國際上通用的化工設(shè)計計算軟件Aspen plus和Auto CAD引入到教學(xué)中，打造化工理論豐富、實踐技能強、富有創(chuàng)新和探索精神的技術(shù)人才隊伍，滿足企業(yè)的用人需求，增強學(xué)生就業(yè)競爭力。

4 結(jié)語

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下將虛擬仿真技術(shù)引入化工實踐教學(xué)，構(gòu)建線上、線下相結(jié)合的“闖關(guān)式”多層次、模塊化的教學(xué)體系，有利于突破化工專業(yè)學(xué)生在實習(xí)上空間、時間等多方面的限制。整個體系的構(gòu)建在傳遞專業(yè)知識的同時還培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為后續(xù)教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)，充分體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展過程中的現(xiàn)代化教育的時代性、潮流性。后續(xù)的改革和探索中將持續(xù)推進先進科研成果、現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的有機結(jié)合，建設(shè)一支敬業(yè)專業(yè)的教學(xué)隊伍，加大化工教學(xué)建設(shè)力度，加快教學(xué)模式創(chuàng)新，持續(xù)提高化工實踐教學(xué)質(zhì)量，促進高等教育內(nèi)涵式發(fā)展。