五位一體教學模式在化學化工生產實習中的實踐與探索

杜 靜， 馬驍飛， 趙溫濤

（天津大學a.化學化工國家級實驗教學示范中心；b.化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心；c.理學院化學系，天津 300072）

0 引 言

在創新型國家發展戰略大背景下，工程教育是國家創新發展戰略布局的重要支撐，同時為國民經濟做出重大貢獻，為經濟社會發展、改革與創新提供重要的人才保障［1］。

化學化工生產過程中存在“易燃、易爆、易制毒”以及“高危高壓”等危險，具有生產設備復雜、工藝差別大、生產條件苛刻等特點，屬于知識密集型行業［2-3］，通過現代化自動控制生產能夠減少的安全風險，也需要技術人員能夠熟悉自動化生產過程以及熟練操作集成控制系統，因此，急需培養具有安全生產意識、熟練掌握自動控制系統以及解決實際生產問題能力的現代化高水平人才［4-7］。

生產實習是理工科高等教育培養計劃中一個重要的實踐教學環節［8-9］，在培養學生工程意識，提高學生綜合實踐能力方面起著非常重要的作用。傳統的實踐教學模式方式較為單一，且受空間、時間、實訓基地自身問題等限制因素較多，特別是在當下疫情反復的情況下開展實踐教學難度增大。

針對上述問題，以及新工科發展要求對學生工程實踐素養的要求［10-12］，對化學化工生產實習課程進行建設與改革，在不斷實踐中探索新型的實踐教學模式—“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”，為實踐類教學提供了新的方法，更好地提高學生工程操作能力、理論聯系實際能力以及分析解決問題能力，同時對學生進行思政教育，增加課程的立體度。課程中的加壓氫化反應的虛擬仿真實驗在2020年評為國家級虛擬仿真實驗，本課程于2021 年評為天津市一流本科建設課程，并成為新疆塔里木大學2021 年“MOOC西行—同步課堂”課程。

1 五位一體教學模式解決的問題

本校開展生產實習課程已有30 年歷史，主要對應用化學專業開設，實習為期1 周，傳統的開課方式是到石油化工企業下廠實習，隨著化工企業對生產安全以及對學生人身安全越來越重視，下廠實習逐步向參觀實習過度，甚至參觀實習也無法實現，有兩年變成科研訓練替代生產實習。2015 年開始使用虛擬仿真軟件（天津石化一線設備操作軟件，供新入職員工培訓使用）進行生產實習。2017 年開始在應用化學專業開展“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”混合式教學模式探索，通過該教學模式主要解決了3 方面的問題。

（1）解決生產實習基地缺乏的問題。化工廠對生產安全以及對學生人身安全越來越重視，現場實習的方式已經難以實施，用虛擬仿真技術解決化工生產實踐難題［13-15］。

（2）解決生產實習走馬觀花、學生重視不足、課堂效率低的問題。根據教學內容不同采用不同教學方法，不拘泥于單一教學形式，充分利用學習平臺以及線上課程資源，并結合實際生產，能夠將化學化工安全知識、理論知識、實驗內容等進行有機融合，鞏固學生基礎理論知識，培養學生實際操作能力、分析解決問題能力、提升學生自主學習能力和創新能力。

（3）課程育人功能不足的問題。構建信息化資源—虛實結合—校企結合—課程思政結合的教學理念，推進混合式教學改革，把創新思維、課程思政、工程意識（包括環保、可持續發展）及實踐能力培養貫穿于全課程中，充分發揮課程的育人功能。

2 化學化工生產實習課程建設

2.1 信息化資源建設

國家級化學化工虛擬仿真實驗中心（天津大學）于2017 建成化學化工虛擬仿真學習平臺（http：∥ccelab.tju.edu.cn／sas／login.do），平臺包含：無機化學仿真單元、物理化學仿真單元、有機化學仿真單元、大型與貴重儀器仿真、分析化學仿真、化工單元仿真、化工工藝單元仿真、化工原理單元仿真、高分子、化學綜合以及藥物化學，共11 類化學化工仿真軟件總計145項，軟件為本校教師與軟件公司共同開發設計，滿足教學實際、科學前沿以及工程實際的要求。化學化工生產實習課程依托于該平臺開課，選用其中的流體輸送單元、換熱器單元、3D單塔精餾單元、固定床反應器單元、吸收與解吸單元及加壓氫化反應的虛擬仿真軟件作為生產實習課程主要內容。其中加壓氫化反應的虛擬仿真實驗在ilab實驗空間上線。

組織大學MOOC 共享學習資源，于2019 年建立SPOC課程，經過兩年課程改革于2021 年轉為MOOC，課程資源包括課件、課后習題、操作視頻、使用說明等，為學生自學提供豐富的線上資源。

2.2 硬件條件

為了能夠更好地開展課程學習，虛擬仿真中心共建有100 臺微型計算機、高性能計算機集群及服務器，用于仿真實訓與資源的開放共享，其中服務器用于學生學習記錄存儲以便教師對學生學習過程進行分析與評價。學校建設虛擬現實實驗教學教室為課程提供VR設備包括：三維視覺顯示設備3D 展示系統；大型投影系統CAVE、頭顯（頭戴式立體顯示器）等；三維聲音系統；交互設備包括：位置追蹤儀、眼動儀、手柄。實現了工廠“1∶1”搬入學校，學生隨時進入“工廠”實習。

2.3 課程建設

隨著信息化技術的不斷發展，課程從內容到形式上都有較大改變，形式上更具有多樣化，由2015 年前的工廠參觀到現在的利用虛擬現實技術、在線資源結合工廠實際讓學生具有全方面的感知，內容更加豐富，從廠區介紹、沙盤參觀、自動控制系統學習到現在的思政學習、設備學習、工廠學習、理論學習以及實操練習增加了課程的立體度。

國家級化學化工虛擬仿真實驗中心（天津大學）于2015 年開始購買仿真軟件，并聘請天津石化一線工程師作為外聘教師講解操作相關的化工生產案例、緊急事故處理案例以及現代化工企業生產。2019 年引入加壓氫化反應的虛擬仿真實驗（2020 年評為國家級一流虛擬仿真課程）。2020 年生產實習在線課程先后在中國大學MOOC平臺以及超星平臺（供社會學員使用）上線，利用虛擬仿真軟件在應用化學專業開展實踐教學，逐步完善線上線下混合式教學，培養學生實踐探索能力以及自主學習能力。建立的在線課程資源包括微課視頻、課件、演示錄像、習題庫、在線作業與試題等多種形式，并結合思政教育“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”五位一體的教學模式。

目前本校應用化學專業、侯德榜化學英才班的學生都會在虛擬仿真實驗中心進行為期1 周的生產實習課程，共48 學時其中包含16 學時線上課時以及32 學時線下課時，具體課程內容如圖1 所示。

圖1 “在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”五位一體的教學模式

課前觀看工廠實際生產視頻資料，感受生產過程中的震撼，激發學生學習興趣。如圖2 所示，通過3D虛擬仿真教學軟件以及VR 版教學軟件讓學生可以隨時隨地進“工廠”實習，在參觀學習后完成工廠相關知識點測試。通過中國大學MOOC 學習基礎理論知識及相關知識點，學習過程中遇到問題可以在在線課討論區進行師生討論答疑。

圖2 學生利用VR設備進行工廠漫游

課堂圖3 所示為課堂設計，以任務為驅動，問題為連接，串聯理論知識與實際操作。聘請實踐經驗豐富的工程師講述化學化工企業現狀、實訓單元的工業背景以及石油化工行業的職業規劃等，作為課堂引入激發學生興趣，并為學生擇業提供幫助，此環節在疫情過后將改為到工廠實際參觀學習。由教師講解該單元操作的工廠生產實例（引入課程思政元素），對主要設備進行介紹，講述仿真操作原理以及工藝流程。由學生對主要設備結構進行VR 仿真剖析，討論不同工藝參數調節的仿真操作結果以及冷態開車主要操作步驟。老師與學生共同對錯誤步驟進行分析并總結操作注意事項，之后安排學生進行仿真操作訓練、單元操作測試等環節。

圖3 課堂教學設計

課后完成MOOC課后習題，獨立進行冷態開車操作，通過步驟評分項修正錯誤步驟，并及時進行改正，通過查看產品質量調整控制參數，完成PID圖繪制以及實習報告。仿真操作平臺全時段為學生開放。

2.4 課程成績評定方式

課程成績評價方式注重過程評價和多元化評價。課程總評成績（100%）＝在線課程單元測試（10%）＋仿真單元操作（70%）＋實習報告（20%）。其中仿真單元操作（70%）＝3D 精餾塔單元（20%）＋固定床反應器單元（20%）＋吸收與解吸單元（20%）＋加壓氫化反應（10%），在線課程單元測試（10%），主要是學習平臺直接給出成績，對于積極參與在線平臺課堂討論的適當增加該部分分數。

3 新型教學模式應用效果

經過5 年的實踐教學，分別從學生學習成績、學習時長及練習次數進行對比分析。圖4 所示為近5 年學生仿真單元的平均成績，從圖中可見學生學習成績逐年提高，說明新型教學模式有利于學生對相關知識點的掌握。

圖4 2015 ～2020年學生成績變化

根據在線學習平臺學習數據，對每位同學平均每天練習時長進行對比分析。2015 ～2017 年虛擬仿真學習平臺以及線上課程并未建立，學生學習以及做仿真練習僅能通過線下學習，平均每天2 學時課堂講解，學生最多只有6 學時（270 min）練習時間；在2018 年之后隨著化學化工虛擬仿真學習平臺以及線上課程上線后，學生學習時長也隨之增加，2018 年學習平臺資源及功能不夠齊全故學生使用在線資源學習時間較短，大多為線下練習，平均每天線上線下練習時長共312.9 min，2019 年學生平均每天練習時長為534.23 min，2020 年學生平均每天練習時長為552.3 min。

學習平臺設置有學習排行榜，通過統計練習次數最多的同學為77 次，每位同學單個仿真項目練習次數超過10 次，最多單個仿真項目練習次數超過18 次。綜上所述“五位一體”的教學模式在實際教學過程中，有效地提高了學生的學習積極性，增強了學習效果。

4 推廣與示范

2017 年至今，通過天津大學化學化工虛擬仿真平臺進行練習的人數為7 821 人次。其中加壓氫化反應的虛擬仿真實驗，通過實驗空間網站統計目前已有5 416 人次進行練習，其中包括天津、新疆、遼寧、重慶、湖南、山東、湖北、甘肅、黑龍江、上海等10 地區14所高校。

（1）兄弟院校推廣。天津城建大學應用化學專業開設生產實習課程，且課程團隊教師擔任外聘教師、使用本團隊的教學資源和教學模式，已進行5 年累計300 人左右學習。

（2）西部輻射。本課程參與新疆塔里木大學“MOOC西行-同步課堂”，并于2022 年同新疆塔里木大學、石河子大學、新疆工程學院、新疆理工學院、喀什大學、伊犁師范大學、大連理工大學、北京化工大學、山東科技大學、北方民族大學等高校共同成立虛擬教研室建設相關課程。

5 結 語

“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”五位一體的教學模式把創新思維、課程思政、工程意識（包括環保、可持續發展）及實踐能力培養貫穿于生產實習，充分發揮課程的育人功能。將化學化工安全知識、理論知識、實驗內容等進行有機融合，鞏固學生基礎理論知識，培養學生實際操作能力和解決問題能力。教學相長，不斷改進教學方法，將教學模式、教學資源與兄弟院校分享，為實踐類課程提供新的方法。