虛擬仿真融合化工專業(yè)課程群探討*

韓要叢，薛興勇，蘇俏俏，周澤廣，藍(lán) 平，譚學(xué)才

(1 廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530006；2 廣西多糖材料與改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530006)

化工泛指以化學(xué)方法為主、涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)化和分離的過(guò)程工業(yè)，滲透到能源、醫(yī)藥、食品、材料、生物和環(huán)境等國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的眾多領(lǐng)域，是不斷滿足人類對(duì)豐富多彩物質(zhì)需求的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是支撐國(guó)家14% GDP的支柱產(chǎn)業(yè)。高?；I(yè)主要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化工行業(yè)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和分離的一般規(guī)律，并能夠進(jìn)行產(chǎn)品和工藝開(kāi)發(fā)、裝置設(shè)計(jì)和過(guò)程優(yōu)化，化工專業(yè)承擔(dān)著為化工行業(yè)輸送高素質(zhì)工程技術(shù)人才的任務(wù)，是服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略的重要工科專業(yè)[1]。化工專業(yè)屬于厚基礎(chǔ)、寬口徑通用型交叉專業(yè)，課程設(shè)置除化學(xué)課程外，還涵蓋物理、機(jī)械、電子、自動(dòng)化、管理等課程。課程設(shè)置交叉，學(xué)習(xí)時(shí)間跨度大，使各課程形成一個(gè)個(gè)孤立的點(diǎn)，如不進(jìn)行有效銜接和融合，容易模糊學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，降低學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，弱化學(xué)生的獲得感。

隨著傳感器、人機(jī)交互、三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真在教育教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)，虛擬仿真除可以呈現(xiàn)文字、圖片和視頻外，最重要的是可以為學(xué)生提供互動(dòng)沉浸式體驗(yàn)，它的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)課堂的時(shí)間和空間限制，改變了知識(shí)的傳授方式，這種知識(shí)獲取方式的轉(zhuǎn)變順應(yīng)了信息化時(shí)代背景下現(xiàn)代大學(xué)生的內(nèi)在需要，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的樂(lè)趣和興趣，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并且為強(qiáng)化實(shí)踐育人提供了新的平臺(tái)?；な堑湫偷闹貙?shí)踐、強(qiáng)能力的工科專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)是化工人才培養(yǎng)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，貫穿人才培養(yǎng)的全過(guò)程。按照“虛實(shí)結(jié)合”的原則，很多高?；I(yè)除建立化工原理實(shí)驗(yàn)室和專業(yè)實(shí)驗(yàn)室外，還建立了化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，以方便為學(xué)生提供一些真實(shí)環(huán)境不容易開(kāi)展的高危、高成本或不可逆的實(shí)踐項(xiàng)目，當(dāng)然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室還可提供常規(guī)的化工單元操作虛擬仿真和工藝虛擬仿真。目前虛擬仿真在化工專業(yè)人才培養(yǎng)中的具體體現(xiàn)方式還較為單一，一般存在于儀器分析、化工原理實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)等單一課程中。如何充分挖掘虛擬仿真在化工人才培養(yǎng)中的價(jià)值是一個(gè)非常值得研究的課題，本文僅就探討虛擬仿真在化工專業(yè)課程群中的融合作用。

1 化工專業(yè)課程群融合存在的問(wèn)題

為加快推進(jìn)工程教育的改革和國(guó)際互認(rèn)，我國(guó)于2016年加入《華盛頓協(xié)議》，成為其第18個(gè)正式成員，在這之后，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)工程教育認(rèn)證的高校和專業(yè)數(shù)量快速攀升。工程教育認(rèn)證的核心理念是成果導(dǎo)向(OBE)，OBE理念要求反向設(shè)計(jì)教學(xué)設(shè)計(jì)，即由外部行業(yè)、企業(yè)或崗位的需求制定人才培養(yǎng)目標(biāo)，由培養(yǎng)目標(biāo)制定學(xué)生的畢業(yè)要求，進(jìn)而由畢業(yè)要求制定相應(yīng)的課程體系[2]。化工專業(yè)教育的課程體系分為三個(gè)層次，第一層次是化工原理、分離工程和反應(yīng)工程等“三傳一反”學(xué)科基礎(chǔ)課程，支撐的畢業(yè)要求是生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)和參數(shù)的工程設(shè)計(jì)；第二層次是化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)、工程制圖和化工儀表及自動(dòng)化等機(jī)械電子和計(jì)算機(jī)類工程基礎(chǔ)課程，支撐的畢業(yè)要求是過(guò)程裝備、儀表及控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)；第三層次是化工設(shè)計(jì)類課程，支撐的畢業(yè)要求是分析及解決化工復(fù)雜工程問(wèn)題[3]。在化工專業(yè)教育的課程體系中，化工設(shè)計(jì)綜合了工程原理、設(shè)備、工藝以及控制系統(tǒng)等，是一門(mén)從理論到實(shí)際工程應(yīng)用的綜合實(shí)踐課程，以其為主線，可將其它專業(yè)課程有機(jī)融合成一個(gè)整體，但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中仍然存在問(wèn)題[4]。

首先，長(zhǎng)期以來(lái)，受限于體制和學(xué)科壁壘以及專任教師自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)和教育理念，課程體系松散且實(shí)施缺乏系統(tǒng)性，教師在講授時(shí)未能理清所授課程在課程體系中的地位以及對(duì)畢業(yè)要求達(dá)成度的支撐作用，所授知識(shí)缺乏完整性，為教而教，各課程各自為政，致使學(xué)生對(duì)培養(yǎng)方案課程體系的了解猶如盲人摸象，不得全局[5]。再者，專業(yè)課程大多從第四學(xué)期就開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)設(shè)，雖然在第六或第七學(xué)期開(kāi)設(shè)化工設(shè)計(jì)類課程，以期能夠?qū)⒅八鶎W(xué)的專業(yè)課程進(jìn)行有機(jī)融合，但專業(yè)課程學(xué)習(xí)時(shí)間跨度這么大，僅通過(guò)化工設(shè)計(jì)進(jìn)行融合，手段單一，效果堪憂。因此，專業(yè)課程融合必須加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，制定一套多種手段相結(jié)合的的系統(tǒng)方法，其中，虛擬仿真就是一種有效的課程融合載體。

2 虛擬仿真是課程融合的有效載體

化工虛擬仿真涉及到很多化工基礎(chǔ)課程和工程基礎(chǔ)課程，是化工課程群有效融合的具體呈現(xiàn)?，F(xiàn)以我校催化裂化工藝虛擬仿真軟件集散控制系統(tǒng)(DCS)為例來(lái)說(shuō)明虛擬仿真所涉及的課程。

(1)化工工藝學(xué)。每一個(gè)虛擬仿真項(xiàng)目都會(huì)體現(xiàn)一段具體的工藝過(guò)程，催化裂化工藝虛擬仿真所體現(xiàn)的是重油在移動(dòng)床反應(yīng)器中進(jìn)行的催化裂化工藝，通過(guò)開(kāi)車、停車和故障排查等訓(xùn)練，可以使學(xué)生有效掌握工藝原理、工藝過(guò)程和工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)。

(2)化工原理和反應(yīng)工程。每段工藝過(guò)程一般都會(huì)涉及“三傳一反”，包括流體流動(dòng)、傳熱、精餾、萃取、吸收等單元操作設(shè)備和反應(yīng)器，虛擬仿真過(guò)程中會(huì)對(duì)單元操作設(shè)備和反應(yīng)器的流量、壓力、溫度、液位等參數(shù)加以控制，可以使學(xué)生有效掌握“三傳一反”的概念和原理。

(3)化工儀表及自動(dòng)化。虛擬仿真離不開(kāi)自動(dòng)控制系統(tǒng)，催化裂化工藝虛擬仿真軟件DCS操作界面可以看作一個(gè)工藝管道及控制流程圖，包括流量、壓力、溫度、液位檢測(cè)儀表和控制儀表，采用了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)，通過(guò)上機(jī)虛擬仿真操作，可以使學(xué)生有效掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制邏輯。

(4)化工制圖。DCS操作界面本就是一個(gè)帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，所以在化工制圖工藝流程圖部分，可以讓學(xué)生使用CAD繪制虛擬仿真項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的工藝流程，從而實(shí)現(xiàn)兩門(mén)課程之間的呼應(yīng)，加深學(xué)生的記憶，可以使學(xué)生有效掌握制圖技能和工藝流程。

(5)化工設(shè)計(jì)。化工設(shè)計(jì)是一門(mén)理論到實(shí)踐的綜合性課程，覆蓋廠址選擇、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、平面布置、工藝運(yùn)行等工廠實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程，對(duì)于工程經(jīng)驗(yàn)比較匱乏的學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度較大。虛擬仿真，尤其是3D虛擬仿真可以給學(xué)生呈現(xiàn)較為直觀形象的工廠案例，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)公用工程布置、設(shè)備和管道連接、工藝運(yùn)行、安全防范等方面的認(rèn)知和理解。

3 虛擬仿真貫穿人才培養(yǎng)的全過(guò)程

實(shí)踐教學(xué)是化工專業(yè)教學(xué)中不可或缺的重要組成部分，傳統(tǒng)化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系主要包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)，化工設(shè)計(jì)以及實(shí)習(xí)等，由于學(xué)生基數(shù)大、實(shí)驗(yàn)裝備少以及實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所不足等主客觀原因，長(zhǎng)期以來(lái)學(xué)生的實(shí)踐時(shí)間難以保證，實(shí)踐教學(xué)效果難以達(dá)到。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，將虛擬仿真引入實(shí)踐教學(xué)體系的每一個(gè)模塊，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)新模式，使虛擬仿真貫穿人才培養(yǎng)的全過(guò)程，突破傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)間和空間的限制，可有效解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)工程能力不足的問(wèn)題[6]。

(1)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備相對(duì)充足，但隨著課時(shí)的不斷壓縮，目前一般開(kāi)展相對(duì)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，故可以利用虛擬仿真開(kāi)展一些創(chuàng)新性和探索性實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

(2)專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。專業(yè)實(shí)驗(yàn)主要包括儀器分析實(shí)驗(yàn)、化工原理實(shí)驗(yàn)等課程實(shí)驗(yàn)以及化工專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)。相對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備套數(shù)較少，很多時(shí)候需要多人操作一套設(shè)備，另外對(duì)于波譜、光譜及質(zhì)譜等精密分析儀器，還存在人多手雜帶來(lái)的故障頻發(fā)問(wèn)題。故可在專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K引入虛擬仿真，尤其是3D虛擬仿真，通過(guò)直觀形象的互動(dòng)操作，可使學(xué)生有效掌握設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、操作方法以及工藝流程。目前，專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的虛擬仿真軟件較為成熟，學(xué)生體驗(yàn)和反饋較好。

(3)實(shí)習(xí)模塊。在傳統(tǒng)實(shí)習(xí)中，學(xué)生一般是由實(shí)習(xí)單位工程師帶領(lǐng)，按物料走向進(jìn)行工藝講解，出于生產(chǎn)安全考慮，實(shí)習(xí)單位一般不允許學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，另外大型裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可見(jiàn)，實(shí)習(xí)猶如走馬觀花，實(shí)習(xí)效果大打折扣[7]。故可以根據(jù)專業(yè)發(fā)展方向，針對(duì)性的開(kāi)發(fā)一些典型工廠的2D和3D虛擬仿真軟件，3D虛擬仿真可以使學(xué)生進(jìn)行身臨其境般的工廠漫游，以了解工廠全貌、工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備等，2D虛擬仿真主要用來(lái)進(jìn)行DCS操作，以模擬根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行開(kāi)停車和正常操作等，從而達(dá)到深度實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的目的。

4 虛擬仿真有效融合化工專業(yè)課程群建議

化工虛擬仿真是化工專業(yè)課程群有機(jī)融合的外在具體呈現(xiàn)，以化工虛擬仿真為載體，可在人才培養(yǎng)的全過(guò)程向?qū)W生進(jìn)行課程體系的無(wú)形滲透，有效鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新精神、工程能力和工程思維，以培養(yǎng)多學(xué)科融合的復(fù)合型人才。為此，建議如下：

(1)建立貫穿人才培養(yǎng)全過(guò)程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，由淺及深，層層遞進(jìn)，按照“虛實(shí)結(jié)合”的原則，在傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、設(shè)計(jì)模塊和實(shí)習(xí)模塊分別引入虛擬仿真項(xiàng)目。

(2)加強(qiáng)專任教師實(shí)踐育人的理念以及工程意識(shí)。不少化工專任教師畢業(yè)以后直接進(jìn)入高校從事教學(xué)工作，缺少企業(yè)從業(yè)經(jīng)歷，工程經(jīng)驗(yàn)不足，跨學(xué)科能力缺失，對(duì)課程體系設(shè)置的理解不深刻。面對(duì)這種情況，應(yīng)鼓勵(lì)化工專任教師利用寒暑假到企業(yè)去鍛煉，提升自身對(duì)所講授課程在畢業(yè)要求中的支撐作用，推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容的更新與改革。

(3)開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的虛擬仿真項(xiàng)目。目前高校購(gòu)置的多為合成氨等常規(guī)基礎(chǔ)型虛擬仿真項(xiàng)目，與社會(huì)實(shí)際需求脫節(jié)嚴(yán)重，為建立與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的培養(yǎng)環(huán)境，需加強(qiáng)與企業(yè)行業(yè)間的合作，結(jié)合工程案例開(kāi)發(fā)多用途虛擬仿真實(shí)踐實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。如成都理工大學(xué)著眼于西部液體礦產(chǎn)資源，開(kāi)發(fā)了一套了地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真項(xiàng)目[8]。我?；趶V西的木薯資源，開(kāi)發(fā)了一套木薯制酒精二維DCS和三維VR相結(jié)合的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)包含中控室、生產(chǎn)車間、污水處理等在內(nèi)的虛擬廠景，可以實(shí)現(xiàn)廠區(qū)漫游、現(xiàn)場(chǎng)巡檢和中控控制，可用于化工實(shí)踐教學(xué)體系中的專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)習(xí)模塊。

5 結(jié) 語(yǔ)

化工虛擬仿真是化工專業(yè)課程群有機(jī)融合的有效載體，是實(shí)踐育人的良好媒介。通過(guò)構(gòu)建層層遞進(jìn)的化工虛擬仿真教學(xué)體系，強(qiáng)化專任教師的工程思維和工程能力，開(kāi)發(fā)與實(shí)際工程案例緊密集合的虛擬仿真項(xiàng)目，拓展實(shí)踐內(nèi)容的廣度和深度，在人才培養(yǎng)的全過(guò)程向?qū)W生不斷傳遞有機(jī)統(tǒng)一的課程體系和課程知識(shí)，培養(yǎng)和提升學(xué)生分析和解決化工復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，夯實(shí)學(xué)生步入社會(huì)走向崗位的能力需求。