化工專業課程群融合專業虛擬仿真資源的教學改革與實踐

何 柏 連 欣 蔣松山 熊 偉 付 雪 邱 奎 陳以會

（重慶科技學院化學化工學院，重慶 401331）

教育工作的根本任務是立德樹人，而課程是落實“立德樹人”根本任務的具體化、操作化和目標化。課程是人才培養的核心要素，學生從大學里受益最直接、最核心、最顯效的對象就是課程[1]。因此，要培養一流的人才必須建設一流的課程。2018年6月，教育部召開了新時代中國高等學校本科教育工作會議，并且明確提出了“課程是人才培養的核心要素；要消除‘水課’，打造‘金課’”。隨著信息技術的飛速發展，虛擬仿真技術在學校教學中的應用范圍不斷擴大，對高校教學質量與效果的提升日益增強，信息技術對教育發展具有革命性的影響[2]。自2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，已經遴選出了300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，到2020年遴選出1 000項示范性虛擬仿真實驗教學項目，這些教學資源的建設對各類專業人才的培養起到了極大的促進作用[3]。因此，在教學資源有限的情況下，充分利用信息化手段[4]，將“互聯網+”以及虛擬仿真技術等現代化教學手段與資源運用于傳統教學形式與內容的改革上，本科教學改革方可跟上時代需求，建成一流的專業課程，才能提高本科教學質量。本研究對化工專業課教學過程長期以來普遍存在的突出問題進行深入分析，認為結合現代化虛擬仿真技術[5]開展化工專業課程群改革，是提高化工專業人才質量的關鍵，并提出了化工專業課程體系建設與改革的新思路。

一、化工專業課程教學存在的主要問題

化工專業課程教學普遍存在的問題，既包括教學資源方面也包括學生方面，既有客觀條件不足也有主觀因素。具體說來，主要涉及到專業學分設置、教學資源與平臺建設、師資水平、學生學習方法與態度等，以下就各方面的問題作較為詳細的分析與闡述。

（一）實踐學分偏少

理論指導實踐，實踐又發展理論。理論課程與實踐教學二者本應相輔相成，而化工專業人才培養大綱在設置上是理論課程占絕大部分學時，實踐環節的課程設置相對較少。理論課的側重點是最基本的概念、原理以及工藝流程，如果占用學時過多，就會擠占實踐環節學時，因此學生聯系實際的操作機會就顯得不足。有的地方院校還由于學科發展側重點差異以及經費限制等原因，也會造成化工實踐教學資源與平臺薄弱，從而導致化工專業學生在學習理論課程時感覺空洞枯燥，學習興趣和學習積極性不高，專業理論知識夯實不夠，綜合實踐能力又欠缺鍛煉。最佳的應對辦法是增加實踐課程學分，但是在現有總學分控制的前提下又會擠壓理論課程學分，造成顧此失彼。因此，如何在化工理論課程教學過程中融合實踐課程教學資源來豐富授課內容，如何切實提升現有實踐教學質量與效果，是化工專業教師當前亟待解決的問題。

（二）課程內容單一

化工專業的理論課普遍存在著理論與實際生產結合不夠、對學生解決復雜工程實際問題的能力培養不足等方面的問題，這是由化工行業具有產品多、各類生產工藝差別大且工藝過程復雜等特點而導致的。因為專業課程不可能要求教師面面俱到地講解所有化工生產工藝，而只能講授一些最主要、典型的工藝原理流程及其關鍵參數，因此學生在課堂上能夠學到的專業知識內容就相對比較單一，很難全面覆蓋化工行業企業生產實際。同時，教師講授化工專業理論課程由于課時的限制，其授課內容主要側重于最基本的原理及工藝等方面，很少有足夠的時間與機會講解工業生產全流程及詳細的生產參數，多是“照本宣科”，這也造成專業課程的講授普遍存在著理論與生產實際結合程度不夠的缺點。以重慶科技學院為例，該校化學工程與工藝專業的主干課程包括“石油煉制工程”“天然氣化工工藝學”“精細有機合成”等，對應的相關行業企業為煉油廠、天然氣凈化廠、石油化工企業等。這些企業涉及到的生產資料多是原油、石油產品、天然氣、硫化氫以及其他易燃易爆、有毒有害的物質，所以其安全責任非常重大，對生產現場的安全要求極為嚴格。化工企業所用電子設備通常都是防爆產品，除了正常的巡檢，即便是企業員工也不能長期滯留現場生產區，否則一旦發生事故，后果非常嚴重。比如泰興市揚子醫藥化工有限公司一期加氫車間氫化崗位的“5·3”閃爆事故、江蘇響水“3·21”爆炸事故等，都造成了人員的傷亡與財產的嚴重損失。

此外，由于不少化工企業對其產品的相關工藝尤其是工藝參數通常有嚴格的保密要求，而讓專業理論課老師深入各類化工企業拍攝課程教學所需的工藝全流程生產的視頻、照片等素材也是不現實的。因此專業課程教學很難獲得比較全面的實際工藝流程與參數[6-7]，這就導致專業主干課程主要依照教材講授理論知識，很難聯系實際工藝參數開展實踐教學。學生在校內的專業實習實踐課又受限于場地及設備，難以真正展開，而走出校外去企業實習，生產企業也會基于影響正常安全生產的理由，或者由于生產的高度自動化使學生很難有動手機會。

化工專業課程教學的上述不足，會進一步造成學生對工程實際知識的學習與掌握偏少偏弱，不利于學生專業綜合素質的培養。

（三）課堂教學形式固化

在化工專業課程教學過程中，由于教學理論的抽象性與實際教學案例的不足，導致任課教師在課堂上通常以比較空洞的理論講授和知識傳授為主，不能將相關專業課程理論與生產實際充分結合。在教學形式上，授課教師主要采用的是單向宣講為主的單一教學形式，很難進行翻轉課堂教學，“互聯網+”學習以及MOOC等新的教學形式也難以推行。單一的教學形式，容易讓學生產生“審美疲勞”與“接受疲勞”等現象，其學習積極性與主動性難以得到最大程度的發揮。此外，學生對專業知識的掌握主要是靠死記硬背而不是靠理解掌握，其專業課程的學習效果不甚理想，今后也很難綜合運用自己所學的專業知識去解決實際生產中遇到的問題。“教與學”不能很好地實現融合相長。由此可知，課堂教學形式的多樣化在學生的培養過程中具有舉足輕重的作用，如何根據學科差異呈現豐富多彩的教學形式對人才的培養至關重要。

（四）教師工程實踐能力欠缺

有效發揮教師在課堂中的主導作用，是優化課堂教學改革、提高教學質量的關鍵因素。教師主導作用的發揮，既包括教學形式的多樣化，更包括教學內容本身的質量高低。一流的人才培養必須有一流的課程，而一流課程的關鍵又在于一流的師資隊伍，所以教師自身的專業綜合能力顯得尤為重要。

高校專業課教師通常具有碩士或博士學位，在學科理論水平方面有比較深的造詣，能夠在教學中透徹地講解專業課程理論的相關知識點。但是，由于不少教師都是直接從高校到高校，缺乏生產企業工作的實踐經歷，所以他們在講解相關化工專業知識時理論結合生產實際相對偏弱。這不僅包括化工專業理論課程也包括化工實踐類課程。因此，提升化工專業課教師隊伍的工程實踐經歷與能力，拓展課程教學內容的內涵與外延，對一流化工專業課程的建設顯得尤為必要。

為了解決化工專業課程體系中實踐學分偏少、課程內容比較單一、課堂教學形式固化、授課教師的工程實踐能力欠缺等問題及其后繼各種潛在不良后果對培養高水平化工人才培養的不利影響，加強化工專業人才的思維能力和動手能力等綜合能力與素質的培養，重慶科技學院化工專業教學團隊對化工專業課程群進行了改革與建設。改革和建設主要包括：通過融合虛擬仿真資源的方式豐富授課內容、改進和完善授課方式、加強授課團隊的專業實踐能力等幾個方面，旨在提高教學效果，提升化工人才培養質量。現有虛擬仿真資源以及課程體系建設與改革的方案詳述如下。

二、專業教學中虛擬仿真資源的利用現狀

目前，虛擬仿真資源在課程教學中的建設及其使用主要集中體現在實踐教學方面。雖然不少高校都加強了虛擬仿真實驗教學中心的建設，但是其虛擬仿真資源與非實踐類型的課程結合較少，虛擬仿真資源的建設以及在實踐教學中的應用強度不夠等現象仍然普遍存在。虛擬仿真資源的引入可以彌補實體教學資源對人才培養支撐的不足，實現專業課程教學內容的以虛補實、虛實結合，也可以實現教師工程實踐能力的提升。因此，充分發揮虛擬仿真資源對高校理論與實踐課程教學的積極作用，促進一流課程的建設和實施以及高水平工科人才的培養，必將成為化工專業課程教學改革的一個趨勢。

由于傳統化工行業具有“高能耗、高污染、高排放”特點以及潛在的危險性，為滿足化工專業學生實習實訓的教學要求，并綜合考慮專業發展所需，重慶科技學院化學化工學院對各類化工虛擬仿真軟件與平臺進行了完善，既可開展實踐教學，也可用于理論課堂教學。例如，針對石油天然氣化工專業方向有常減壓蒸餾、合成氨生產工藝、化工單元操作、催化裂化反應再生聯合裝置、化工原理實驗、天然氣凈化脫硫、天然氣凈化—硫磺回收等仿真軟件，針對煤化工專業方向有甲醇變換工藝仿真、甲醇合成工藝、水煤漿氣化工藝等仿真軟件，還有化工原理素材庫、精細化工素材庫、精細化工工藝及設備素材庫、化工自動化基本控制、大型分析儀器仿真和化工過程及裝備全流程一體化半實物仿真工廠（丙烯酸甲脂生產線）等化工基礎與專業教學資源[8]，以及網絡實驗教學平臺等虛擬仿真教學資源。

以化工原理虛擬仿真資源的利用為例。任課教師在化工原理理論課程教學過程中，可利用已建成化工原理素材庫資源中大量的flash動畫或視頻來演示相關工作原理；學生可在校內實習實踐課程中操作化工原理單元虛擬仿真試驗以及真實設備，從靜態到動態、從虛擬到實物、從單個設備到整套裝置，人人都有機會動手實操。這就改變了傳統學習的單調、枯燥和空洞，實現了多元化的學習和練習，讓專業知識的學習顯得立體生動而印象深刻。再以油氣煤化工虛擬仿真實驗教學為例，任課教師在實驗課程之前把實驗指導書發給學生預習，課堂教學中只需簡要介紹相關實驗，然后請學生到前臺講解工藝原理及流程，并讓其他同學進行點評，再由教師就其生產原理、工藝流程以及關鍵操作參數作詳細闡述，對軟件的功能與操作進行說明，最后讓學生進行實驗操作，并提醒學生不能僅僅按照操作規程點擊相關步驟，而是要看懂操作及其質量要求，并且要關注上下游物料及設備的聯動。同時要求學生遇到問題首先獨立分析思考和解決，然后與同組或相鄰同學進行集思廣益的探討，若還有沒解決的問題，再請老師幫助，大家一起分析探討和解決問題。專業生產仿真實驗通常都涉及到化工專業基礎課程中的相關原理，教師要引導學生透過現象看本質，比如天然氣凈化脫硫仿真實驗的生產原理為“吸收-解析”和換熱，常減壓煉油工藝仿真的原理為“漸次氣化與冷凝”等。通過層層遞進的教學方式既可以鍛煉學生的預習情況、表達能力、應變能力、評判能力，還可以鍛煉學生的獨立思考能力，培養學生的全局觀、團隊協作能力，為將來的深造或工作打下堅實基礎。充分而合理地整合現有的生產工藝軟件及網絡開放平臺教學資源[9-10]，可以實現與相關專業主干課程教學的有機聯動，以更好地服務于化工專業課程教學，大幅度提升教師授課質量和學生對專業課學習的熱情與效果。

三、課程體系建設與改革

（一）構建多層次的化工專業課程體系

化工專業課程體系由專業基礎課、專業主干課和專業實踐課3個層次的學習內容組成。在課程設置上，前期構筑寬厚基礎，后期優化專業教育，注重學科交叉培養，加強綜合性和設計性訓練，培養學生創新創業實踐能力。專業基礎課“化工原理”“化工熱力學”“化工分離工程”“化工儀表及自動化”等課程將加強相關虛擬仿真演示與操作實驗；“石油煉制工程”“天然氣化工工藝學”“石油化工工藝學”“精細有機合成”“精細化工產品學與工藝學”等專業主干課程群，將利用學院已建的虛擬仿真軟件與理論課程開展相關內容教學。此外，充分利用學院與產學研合作單位（比如重慶市天然氣凈化廠、四川維尼綸廠等）的友好關系，盡可能多地獲取相關生產工藝的生產資料以及現場案例視頻，充實化工專業課程群的授課內容，實現理論與實踐教學的融合、理論服務于實踐，豐富和延伸化工專業課程群的內涵。當然，不同學校也可以根據自身學科發展以及專業建設的需要新增或完善課程群所需要的相關虛擬仿真教學資源與平臺。新的課程體系將體現出由專業基礎訓練到專業綜合技能提高，再到研究與創新能力培養，最終實現學生“發現問題、分析問題、思考問題、解決問題”等工程實踐綜合能力的提高。

因此，根據新構建的化工專業課程體系及相關內容需求，充分整合并優化現有的相關化工虛擬仿真教學資源[11]，實現教學資源的線上線下全開放，讓化工專業各年級及其他專業的學生都能有更多的學習資源與途徑[12]，強化學生對化工專業課程的學習深度，從而實現高質量化工專業人才的培養。

（二）采用“以學生為主”的教學模式

化工專業課程的教學過程，必須充分調動學習主體的學習主動性。專業教師授課無論多積極，授課質量與水平無論多高，學生如果僅僅是被動地聽從，其最終的學習效果都會大打折扣。虛擬仿真技術的引入，將突破傳統課堂教學模式在學習空間和學時上的限制；虛擬仿真技術結合“互聯網+”和MOOC、MOOE等教學方式[13-14]，將實現“線上線下”教學空間的融合。具體而言，教師通過網絡平臺開放權限，給學生提前熟悉并練習操作相關生產工藝（開停車操作以及常見事故處理等），其后的課堂教學，教師通過多媒體教學平臺運行網絡實驗教學平臺，再加載相關虛擬仿真生產工藝進行理論與實踐綜合教學[15]。學生通過在線教學平臺可以提前了解相關的課程內容、實驗演示和互動操作[16]，也可以預約虛擬仿真實驗教學機房或工廠進行預習式、探究式學習，然后再帶著問題進入課堂學習并由老師釋疑解惑。這種“以學生為主”的個性化、合作化的教學模式，能夠使學生從“要我學”轉變為“我要學”，由“被動聽講”轉變為“主動學習”，由傳統“教材控制”轉變為“學習者控制”，有助于完善學生的知識結構。

（三）引入在線PBL教學模式

PBL教學法（Problem Based Learning，PBL）是以問題為導向的教學方法，是基于現實世界以學生為中心的教育方式。“以學生為中心，以問題為基礎”，也就是由教師引導學生圍繞問題獨立收集資料并能夠發現問題、解決問題，最終達到培養學生具備自主學習能力和創新能力的一種教學模式。

教師在虛擬仿真平臺以及在線教學平臺上采用PBL教學法，需提前針對相關專業課程及實驗操作設置大量的專業問題[17]，讓學生在學習工藝生產及操作的同時進一步明確相關工藝流程、生產目的和關鍵控制崗位，能夠循序漸進地理解相關原理知識，也能夠養成課前預習的良好習慣，更能夠舉一反三。例如，設置“天然氣加工處理過程中為什么必須先脫硫然后再脫水”“為什么原油蒸餾必須適當的過熱”“石油煉制為什么必須進行減壓蒸餾環節”“減壓渣油是否可以直接作為加氫裂化的原料”“醇胺溶液為什么最好進行多級過濾”“柏油馬路上為什么不能晾曬谷物”“為什么小孩子在車流密集的馬路上行走所受環境污染比成年人更為嚴重”“為什么說所有的油品分析都是條件性的”“天然氣甘醇脫水以及醇胺脫硫的工藝原理的異同是什么”“天然氣制合成氣與煤制合成氣的原理及工藝何有異同”等專業問題，讓學生帶著問題與好奇去學習和思考，養成主動學習并積極思考的習慣。

（四）引入翻轉課堂教學模式

翻轉課堂是指通過課內外教學結構的優化，使傳統的以教師為主導的教學模式變為以學生為中心的教學模式，是一種“先學后教”的模式[18]。這類教學新模式打破了單向灌輸的教學模式和被動的學習方式，近年來在各學科教學中得到了廣泛的應用。在化工類教學改革方面，翻轉課堂最初多被授課教師用于理論課程教學方面的改革，近年來在實驗實踐課程方面的運用也逐漸增加[19-21]。課前，學生通過在線教學平臺和虛擬仿真平臺，對相關專業課程進行課前預習，對系統里的專業問題進行思考，在一定程度上掌握相關課程章節的知識點。課堂中，授課教師有選擇性地針對平臺教學資源上的問題進行提問，然后根據學生的回答狀況來判別學生對相關工藝及原理等知識點的掌握情況，再經過討論，拓展學生的思維，發現更多深層次的問題，最后由授課教師進行總結。這種教學模式的優勢在于，教師能夠根據學生課前對相關知識點的掌握程度進行有針對性、有側重的講解，從而提高教學質量；學生有機會成為課堂的“主角”，實現課堂教學的翻轉，從而激發學生對專業知識的學習興趣，對知識點的掌握也更加透徹。

（五）提升專業教師隊伍的綜合能力

化工專業課程群的改革與建設中非常關鍵的是專業教師隊伍綜合能力的提升。這既包括教師本身專業知識水平的提升，更包括教師的教學方法與技能的提升。其中，教師本身的專業水平尤其是工程實踐經歷與能力尤其重要，它意味著教師在授課過程中是否具有將理論知識與生產實際相結合的能力。教師只有聯系實際生動地講授課程內容，才能激發學生的學習興趣，透徹理解相關專業知識。但是，從目前看，絕大部分教師由于教學和科研任務繁重，很難有多余的時間和精力到行業企業進行工程實踐鍛煉和學習。因此，利用校內各種虛擬仿真生產教學資源提升教師自身的工程實踐能力就顯得尤為必要。

重慶科技學院化工虛擬仿真教學團隊首先利用結合了實際工業生產工藝參數開發的各虛擬仿真軟件對化工專業課教師進行培訓和操作練習，然后再利用虛實結合的化工過程及裝備全流程一體化半實物仿真工廠（如丙烯酸甲酯生產線）對教師進行企業上崗培訓，并對仿真工廠進行生產模式化運行，完成了對化工專業課教師團隊成員的工程實踐能力鍛煉，提升了教師的工程知識綜合水平。同時，專業課程群的教學團隊建設，實現了教師間專業知識的交叉與融合、教學技能的互補。此外，教學團隊成員的分工協作，避免了“單兵作戰”的不足。由教學經驗豐富的教學名師負責教學方法指導，教研教改經驗豐富的教師負責教學方法設計，各專業課教師負責課程內容的改革與實施；由專業負責人牽頭對相關專業課程群的虛擬仿真教學資源進行優化整合與實施，在穩定的化工專業教學團隊集體努力下，形成制度化的專業主干課程群的建設與激勵機制；由專業教師隊伍去豐富專業課程資源特別是專業主干課程的素材與內容，極大地提升了化工專業課程群教師的教學水平，從而提升教學質量。

四、結語

針對化學工程與工藝以及能源化工等化工專業現有師資水平、課程內容、教學方式以及學生的學習狀態等方面的問題與不足，探討了利用虛擬仿真資源強化專業課程體系建設、虛擬仿真實習實訓平臺的開放與共享、專業課程教學模式的改革與應用等內容，并結合高水平化工專業教學師資團隊的建設，介紹了重慶科技學院在提高化工專業課程教學質量和效果，實現“教與學”的有機聯動方面的經驗。