基于虛擬仿真的化工安全與環保課程教學改革

田文德 趙 軍 陳秋陽

(青島科技大學化工學院,山東 青島 266042)

青島科技大學化學工程與工藝專業為國家級特色專業和教育部卓越工程師計劃專業，擁有國家級實驗教學示范中心和國家級虛擬仿真實驗教學中心，兩次通過中國工程教育專業認證，2019年被教育部認定為首批國家級一流本科專業建設點(教高廳函〔2019〕46號)。本專業于2006年開設了專業必修課《化工安全與環保》，用于支撐化工工藝對人、環境和社會影響的專項指標點，使學生能在工藝設計和工程實踐中考慮社會和諧和可持續發展因素。10余年來，課程組從教材建設、教學資源開發和課堂教學等方面進行了深入的改革與實踐。

1 課程與教學改革要解決的重點問題

化工專業作為傳統工科專業，距新工科要求的工程實踐能力強、創新能力強的卓越拔尖人才培養目標還有一定差距，具體表現為[1]：

⑴工程設計中安全與環保意識弱化。化工設計環節讓學生在解決現實化工問題的過程中得到鍛煉，但對外界擾動、誤操作等條件下的裝置安全和環境問題考慮較少，缺乏相應的本質安全設計方法指導和環境影響后果分析。

⑵化工安全與環保實踐不足。出于企業現場安全要求和設備條件限制，學生實習中只能了解化工裝置的正常運行參數，無法獲取化工安全與環保方面的實踐機會，導致學生化工安全生產和環護意識不足。

課程組依托化工過程與裝備國家級虛擬仿真實驗教學中心，基于OBE理念對化工專業中的理論設計和實踐教學環節進行安全與環保方向的改革與實踐，在夯實典型化工單元操作和工藝流程理論教學的同時，突出化工專業本質安全設計及虛擬仿真安全實訓功能，實現新工科背景下卓越拔尖人才的培養[2]。

2 課程內容與資源建設及應用情況

化工專業的培養目標要求學生不僅要能進行正常工況下的工藝設計，為企業贏得更多的利潤空間，還要求能考慮異常工況下的安全問題、解決措施，并考慮設計方案對生態環境的影響，為企業贏得更多的社會效益。所以，本課程以化工安全基本理論、化工單元安全分析、化工工藝安全分析、化工本質安全設計、化工安全與環境防護為主線，從裝置生命周期角度融匯化工裝置本質安全設計、安全操作、清潔生產等內容，提高學生解決復雜化工過程安全問題的能力。教學過程中，注意深度挖掘案例教學中蘊含的思政教育要素與所承載的育人功能，將啟發學生探究安全與環保問題和愛國主義教育結合起來，讓學生理解化工從業中應承擔的社會責任[3,4]。

在課程教學資源建設方面，自主研發了大型化工過程動態虛擬仿真商品化軟件DSAS，開發了合成氨、甲醇、氯乙烯等一系列復雜工藝仿真軟件[5]。這些優質的教學資源為化工類專業學生構建了高度仿真的3D化工廠虛擬操作環境，幫助學生在化工過程裝置的事故訓練和環保分析中了解化工工藝操作原理和控制系統的動態特性，提高對工藝過程的安全運行和防控能力，符合當前化工安全與環保以預防為主的國家方針。

3 課程評價及改革成效情況

教學過程采用形成性評價體系，在70%的理論考試外，還包括：讀書報告占10%，要求學生根據課程教學任務查閱化工安全與環保方面的最新文獻，以規范報告形式對課程有所創新思考；仿真操作占10%，根據分組進行仿真操作，系統自動評分，考查學生探索式學習和容錯性實驗的能力，以及分析解決復雜化工問題的能力；平時測驗和考勤占10%，通過課程網絡教學平臺加強對學生的過程性評價。

課程組自主研發了創新性化工仿真軟件9套，實現了以學生為中心的自主性學習，目前已在7所兄弟院校推廣使用。同時利用學校站群系統平臺、超星泛雅平臺及教育部產學合作協同育人項目，建設系列虛擬仿真教學資源，構建網絡共享資源下的探究式教學新模式，成功獲批國家虛擬仿真實驗教學項目1項，出版教材9部，獲中國石油與化學工業優秀教材獎一等獎1項、二等獎2項。

比如，為增強學生對化工反應器溫度失控危險的體驗感，課題組開發了甲苯氧化反應器虛擬仿真軟件。該軟件模擬了實際工業甲苯法生產己內酰胺裝置的反應單元，作用是將原料甲苯用空氣氧化，生產苯甲酸。仿真軟件基于化工機理模型開發，能準確模擬因換熱、進料等故障而導致的反應溫度失控現象，便于學生直接觀察異常狀態發展趨勢和制定應急措施。

課程特色與創新有如下幾個方面。

3.1 建立了理論與虛擬仿真相融合的多層次化工安全與環保教學新模式

徹底打破傳統單一的常規理論教學方式，探索靈活多樣的化工異常工況及環境影響分析教學模式，針對不同類型事故采取“案例再現+異常工況分析+環境影響評價+虛擬仿真處置+安全設計”的知識鏈有機穿插教學重點，融合網絡課程、新形態教材、虛擬仿真實驗等多層次教學資源，強化師生、生生互動，提高學生應對異常工況的自主分析能力。2018年，課程組的“面向應急能力提升的化工安全虛擬仿真實踐教學模式的研究”項目獲批為山東省本科教改重點項目。

3.2 構建了探究容錯式化工安全與環保虛擬仿真實驗教學新情景

自主研發了DSAS動態模擬與分析軟件平臺，在30余家化工企業成功應用。產教融合，搭建高度仿真的化工異常工況虛擬實驗環境，解決由時間、空間、設備等條件限制而導致的化工安全與環保實驗“做不好、做不了、做不上”的難題，形成以學生為本、知識培養與能力培養并重、實驗與理論教學互通的新型教學模式。2015年，課程組獲批化工過程與裝備國家級虛擬仿真實驗教學中心(教高廳函[2015] 3號)。2019年，課程的“催化裂化吸收單元3D虛擬仿真綜合實驗”項目被教育部認定為國家虛擬仿真實驗教學項目(教高函〔2019〕6號)。2020年，該課程被山東省教育廳認定為山東省一流本科課程。

4 結論

《化工安全與環保》課程對工程實踐知識點講授和能力提升具有較高的要求，虛擬仿真是彌補校內教學資源不足的有效手段，對學生提高安全和環保意識具有重要的補充作用。在課程后續的建設中，將持續更新課程的在線開放平臺，不斷豐富案例分析、問題分析與解答資源庫，提高學生課前、課中和課后的線上自主學習學時，與線下面授有機結合開展翻轉課堂、混合式教學，創新“互聯網+”環境下以教師為主導、學生為中心和基于問題求證的多元化教學模式，實現課程教學資源的共享與開放。