應用轉型下化學類專業仿真模擬教學體系優化*

于淑媛，王福萍，鄭慧敏，曹 健，李桂花，張成根

(廊坊師范學院化學與材料科學學院，河北 廊坊 065000)

當前，我國已經進入高等教育體系新階段，需要應用型、創新型人才來適應產業升級發展的要求。2015年10月，教育部明確提出部分地方普通本科高校向應用型轉變[1-2]。廊坊師范學院積極推進轉型發展，服務地方經濟社會發展成效顯著，2020年成功入選河北省第二批應用轉型發展試點高校，著力培養實踐能力強、創新能力強、具備競爭力的高素質復合應用型人才。

1 化學類專業仿真模擬教學的必要性

由于受師資、經費等客觀條件的限制，現有化學類專業實驗條件不能滿足學生的實際需求。特別是疫情期間，時間和空間受到很大限制。在培養學生的實驗操作及教學能力方面存在以下問題：(1)化學教學中存在關于放射性、高危險、高污染、有毒有害、易燃易爆、抽象理論難以通過真實實驗完成的瓶頸問題；(2)化學類生產工藝流程復雜、價格昂貴，有的大型儀器和設備只有一套甚至沒有，并且分組實驗開設太少，學生所受訓練不夠充分；(3)不同專業學生的培養目標不同，需要分類對待開設不同實驗項目；(4)疫情期間，學生進實驗室時間和實驗分組人數有限制。這一系列現實困境在很大程度上制約了學生的發展，使其實驗操作達不到應有的水平[3-6]。

化學類仿真模擬實驗無污染、低成本、可多次重復操作，還可培養學生運用現代技術的習慣和理念。化學類仿真模擬實驗教學概念的提出至今已有幾十年的時間，目前國內的一些高校也建立了化學類仿真模擬實驗室[7-14]。仿真模擬實驗教學的開展和優化正是順應了教育信息化的發展趨勢和復合應用型人才培養的現實需要，構建比較完備的化學類專業仿真模擬化學實驗教學體系，是普遍關注的問題。

2 我校仿真模擬教學體系優化探索

我校為河北省第二批應用轉型發展試點高校，化學與材料科學學院現有化學、應用化學和材料化學三個本科專業，其中化學和應用化學專業為河北省一流本科建設專業，虛擬仿真實驗和高分子化學為省級一流本科建設課程。近幾年結合一流本科專業、課程建設和我校應用轉型發展的要求，按照服務地方經濟和培養創新性、應用型人才的培養宗旨，針對化學類專業的教學需求，我院積極探索構建適合地方本科院校化學類專業的仿真模擬教學體系，提高學生的創新應用能力。

表1 化學類分專業分模塊仿真模擬教學體系Table 1 Simulation teaching system of chemistry by specialty and module

2.1 整合優化仿真實驗課程模塊，構建完善的仿真模擬教學體系

針對應用轉型新形勢下地方高校大學化學類實驗教學的特點和需要，以我校信息化平臺和應用計算化學研究所為基礎，依托我院河北省化學實驗教學示范中心，以及應用化學和材料化學兩個廊坊市重點實驗室，與北京歐倍爾軟件技術開發有限公司、安徽省科大奧銳科技有限公司合作開展化學類專業仿真模擬實驗教學中心的建設。如表1所示，中心設計并建設了五個仿真模擬模塊，分別為實驗室安全及考試模塊、大型分析儀器仿真模塊、基礎化學實驗仿真模塊、化工操作仿真模塊和材料化學仿真模塊，并通過仿真模擬實驗教學平臺實現開放共享。通過近幾年的運行實踐，取得了良好的效果。

2.1.1 實驗室安全及考試模塊

安全重于泰山，對于化學類專業，實驗室安全又是重中之重。我校和安徽省科大奧銳科技有限公司合作開展了實驗室安全及考試模塊。所有化學類專業的學生在進實驗室做實驗之前必須進行在線理論和視頻模擬學習，并考試合格后才能進入實驗室做實驗。實驗室安全學習包括用電安全、消防安全、化學危險品、實驗室安全、新手安全、生物醫學、輻射防護、治安防護等方面。學生經過學習培訓并合格后進入實驗室，安全警覺性明顯提高，操作更規范，有利于實驗室安全的長治久安。

2.1.2 大型分析儀器仿真模塊

大型分析儀器仿真模塊，包含氣相色譜儀仿真、氣質聯用儀仿真、液相色譜儀仿真、凝膠滲透色譜儀仿真、X射線單晶衍射儀仿真、核磁共振波譜儀仿真等項目。因為大型儀器價格高，配套少，分組人數太多又不能起到應有的教學效果，而大型分析儀器仿真訓練起到了很好的作用。學生在儀器操作之前，先進行儀器操作仿真訓練，掌握儀器的組成和操作，對后面的儀器實驗起到事半功倍的效果。不同化學類專業的學生，可以根據不同專業的儀器需求進行選擇性的儀器仿真模擬訓練，針對性強，選擇自由，效果良好。

2.1.3 基礎化學實驗仿真模塊

基礎化學實驗仿真模塊，包括無機化學、有機化學、分析化學、物理化學等實驗項目。針對化學專業，開設基礎化學實驗仿真項目，學生學習仿真操作、錄制微課視頻，并分組講解討論。從概念理解、課堂演示、報告撰寫、教學反思等方面加以提高，增強學生的實踐應用能力。在教學過程中，采用翻轉課堂等教學方法，互動性強，提高了學生的課堂積極性和學習效果。

2.1.4 化工操作仿真模塊

化工操作仿真模塊主要為應用化學專業設計，包含精餾塔、填料吸收、恒壓過濾、傳熱等基本單元操作和催化裂化工藝、乙醛氧化制乙酸工藝和葡萄酒生產工藝等綜合實驗項目。葡萄酒生產工藝仿真和乙醛氧化制乙酸工藝仿真實驗克服了學生學習大型生產工藝時進廠參觀和實踐的困難，通過計算機軟件仿真模擬使學生身臨其境，深入學習生產工藝和操作要點，培養學生的應用實踐能力。

2.1.5 材料化學仿真模塊

材料化學仿真模塊主要為材料化學專業設計，包含聚氯乙烯工藝仿真實驗、儲氫材料仿真和聚烯烴反應機理仿真等綜合實驗項目。儲氫材料仿真[15]和聚烯烴反應機理仿真[16]是根據老師們的科研成果轉化的仿真訓練項目，結合最新科研動態，培養學生與時俱進的科研素養。

五個仿真模擬模塊體系相輔相成，對于化學類不同專業選擇自由，重點突出。對于實驗室安全及考試模塊和大型分析儀器仿真兩個模塊，三個專業的學生都需要進行針對性的訓練。而對于其它三個模塊，化學專業側重于基礎化學實驗仿真模塊，應用化學專業側重于化工操作仿真模塊，材料化學專業側重于材料化學仿真模塊。通過實際教學運行，起到了良好的培養效果。

圖1 聚氯乙烯分子結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of molecular structure of polyvinyl chloride

下面以聚氯乙烯工藝仿真為例，介紹仿真模擬實驗的教學過程及效果。氯乙烯的聚合方法在化學工業生產中，目前以懸浮聚合為主，少量采取乳液聚合法，仿真模擬實驗流程采用懸浮聚合仿真法。聚氯乙烯(圖1)具有價格便宜、化學穩定性好等優點，廣泛應用于化工、汽車、日用化學品等行業，與材料化工行業息息相關。聚氯乙烯在生產過程中需要真空條件、大型的實驗設備、生產工藝流程復雜，所以高校實驗室并不具備開展此實驗的條件，學生不能得到充分地訓練，而仿真模擬實驗起到了很好的訓練效果。仿真模擬實驗的組織教學分為實驗前預習、實驗中操作和實驗后總結報告三個階段。

實驗前，先讓學生帶著問題進行預習，例如：“溫度高于多少度時，聚氯乙烯開始降解？”“本次實驗制備聚氯乙烯采用的工藝是什么？”自主學習聚氯乙烯生產工藝、分組討論匯報，并提交預習報告。指導教師根據學生們的預習情況，進行針對性的講解，讓學生了解聚氯乙烯生產的背景、現狀，熟悉聚氯乙烯工藝過程和生產工藝，了解聚氯乙烯工藝主要工作崗位的工作方法、工藝、技術標準要求、質量驗收標準及安全防范措施，為上機實驗做好準備。

實驗中，學生學習聚氯乙烯工藝設備性能參數及操作規程；學會軟件中的操控畫面、閥門啟閉與調節，能根據操作要求對操作參數進行設置；并且能夠獨立操作仿真軟件，完成聚氯乙烯工藝的全過程(圖2)。實驗內容包括開車準備、反應器注料、反應溫度控制、聚料的成品處理、廢水汽提工段、回收工段等過程。實驗過程中，讓學生體會反應器注料的速度、溫度等對實驗結果的影響。為了與實際生產更緊密的結合，實驗過程中模擬突發情況的處理，例如冷卻水中斷、泵故障、停電事故等。讓學生正確分析和處理操作中出現的問題，培養學生分析并解決問題的能力。

圖2 聚氯乙烯工藝仿真圖Fig.2 PVC process simulation diagram

實驗中同學們操作的結果有較大差別，30%以上的同學初次操作得分在80分以上，這些同學預習充分、操作規范，能夠順利得到合格的產品；大部分同學初次操作得分在60～80分之間；也有極個別同學，初次操作得分不及格，這些同學往往預習不充分，操作急躁，由于系統的慣性，使得生產情況超出基本限度，發生報警，最后生產出不合格產品，甚至導致設備故障。初次操作不合格的同學，可以重復操作，改正缺點、減少失誤，直到得到合格的產品。總之，任何一位同學都可以通過重復操作，熟悉工藝流程、模擬探索。

實驗后，學生根據自己實驗操作情況撰寫實驗報告，總結經驗教訓。仿真實驗讓學生們學會了工廠的相關設備的開關車流程，在仿真模擬訓練中總結了生產操作的經驗，吸取失敗的教訓，從思考、失敗、再思考中受到訓練，培養了學生的應用實踐能力，為以后走上生產崗位打下了良好的基礎。通過近幾年的實踐，學生的實驗規范操作和實踐能力明顯增強，實現了從學生到應用實踐人才的轉變，學生們畢業后到相關企業能夠更快更好的進入角色，受到用人單位的好評。

2.2 完善仿真模擬教學體系的考核環節

實驗考核是檢驗學生學習效果的重要手段，仿真模擬教學中采用項目成績綜合測評的方法，根據不同的實驗項目，由實驗預習、上機實驗操作、實驗報告等環節組成。重點關注實驗課前預習效果和實驗預習報告的規范性，仿真設備正確運用程度，實驗操作過程中工藝流程的正確性和規范性，設備操作的規范性，實驗報告的文本格式規范性，實驗結果的討論等。結合課程特點以及目標，增加系統結果輸出、課程設計等多種評價方法，增加考核體系的靈活性，提高考核的效果，注重考察工業實踐能力。

2.3 科研帶動化學仿真模擬實驗教學

結合大學生創新創業項目和畢業論文，開展“仿真模擬創新實踐課”，組織學有余力、有科學研究興趣的同學盡早進入實驗室，接受仿真模擬科研實踐素養培訓。我院有五位老師專門從事化學仿真模擬相關的科研工作，搭建了專門的由高性能計算機組成的仿真模擬實驗和計算化學實驗室，積累了豐富的虛擬仿真網絡實驗教學資源，實現輔助教學和網絡智能管理。老師們申請了多項與化學模擬相關的國家級和省級科研基金項目，也樂于為學生傳授先進的模擬實驗方法和仿真技術手段。在老師們的指導下，近年學生們申請獲批多項與仿真模擬相關的國家級和省級“大學生創新創業項目”，起到了很好的培養效果，增強了學生的科研素養和創新能力，很多學生順利考研到985、211和雙一流等重點院校進一步深造。

3 結 語

通過整合優化原有模擬實驗課程，我院構建了化學類分專業、分模塊的仿真模擬教學體系。在運行過程中把仿真模擬課程教學和大學生創新創業項目、畢業論文有機結合起來，注重創新和實踐能力的培養訓練，不斷提高人才培養的質量。通過近幾年的實踐，特別是疫情期間，化學類仿真模擬教學體系起到了很好的教學效果，學生們多次在大學生創新創業項目、挑戰杯、全國大學生化工設計競賽中取得優異成績，各專業的畢業生就業率都保持在90%以上，在推進專業實踐教學改革、提高教學質量上起到了示范作用。