化工設計基礎課程的虛擬教學研究

胡立兵，時春輝

（塔里木大學 化學化工學院，新疆 阿拉爾 843300）

自我國實施大發展戰略以來，化工行業迅速崛起，因此，化工企業在國家工業中占據不可或缺的重要位置。而大發展戰略的同時，化工企業的前期建設設計蓬勃發展[1-2]。因此，亟須發展化工設計專業以促進我國化工企業的大力發展。化工設計基礎作為塔里木大學化學工程與工藝專業的優勢及特色課程是我校化工專業學生的必修課，更是本專業學生接觸工藝設計的唯一課程。本課程綜合地介紹了化工設計的整體流程和模式，為學生了解化工設計行業提供了一個很好的平臺和契機，更為我校培養具有設計專業知識的人才產生了深遠的影響[3-5]。

作為一門以工藝為主的課程，化工設計基礎課程內容與生產方法及工藝流程息息相關，雖然課堂以案例的講述為主，但是課堂的板書講解及課件演示難以讓學生身臨其境并感同身受[6-8]。因此，學生的課堂認同感及參與程度依然薄弱。目前，在“新工科”的引領和號召下，高校對工科學生的培養不只是紙上談兵，分析問題和解決問題的能力也成為了重點培養的方向和任務，但是從以往的教學情況來看，授課方式的單一化和考核方式的粗暴性使得“合班授課，課上講述，課下練習”成為常態[9]。在這種情況下，學生獨立思考和表達觀點的機會在課堂上并不多見。在目前大環境背景下，“00后”們進入大學校園給大學校園帶了更多的獨立性和自我性，他們積極性高漲，在課堂上也更多地希望表達自己的觀點。因此，教學過程中陳舊、循規蹈矩的教學方式已不適應現在的社會潮流，同時，伴隨互聯網的崛起與虛擬實驗的充分利用，新的教學模式提出勢在必行。

1 虛擬教學新轉變

1.1 課程結構的重新架構

目前，化工設計基礎的課程架構主要是以課堂講授為主，為此，根據虛擬教學的適應性教學與課堂教學的有機結合，更好地體現并發揮最大的教學優勢，需重新將課程結構劃分為基礎常識性、概念性課程與化工設計流程認知以及工程操作三部分。其中，第一部分主要以基本的化工知識為主，講述了化學物質基本的理化性質及工藝流程的簡單描述；第二部分主要以熟悉Aspen 軟件基本框架為主，講述了軟件的各項功能，包括各項有機、無機物質的物性查詢，各種化工設備的操作包含反應器、換熱器、精餾塔等各種重要的化工設備；第三部分主要是以化工理論知識結合軟件應用為目的，將軟件中根據化工專業知識設定的設備參數及特定的工藝流程按照相關的操作要求及準則進行熟悉，以期達到規定的自主操作要求，進行獨立操作演示并講解。為了更好地進行虛擬教學和模擬教學，基礎知識的講解是十分有必要的，而工藝流程類需要與實際相結合，這就需要在模擬工廠操作時以邊講解邊實習的形式進行立體式教學。這種教學方式不僅可以有效地利用本校優質的虛擬仿真教學資源，而且可以使在與基礎知識相互印證的同時達到更具針對性和目的性的教學，同時也可以提高學生對所學知識得到應用的成就感和自豪感。

1.2 新型教學方法的應用

虛擬教學不但可以將工業搬到課堂上身臨其境地進行操作，更是相較于現場安全易于控制，很大程度上提高了學生的吸引力和學習的積極性。對于課下講解與虛擬仿真教學的各項優點，《化工設計基礎》結合本校優質完善的虛擬仿真資源進行多資源多方法的整合，在原有傳統教學的基礎上進行改性和創新，運用多種方式方法對課程內容進行講解。

（1）獨立學習型教學模式

在以往的教學方式授課過程中，形象的工藝流程變成抽象且晦澀難懂的知識，即使可以通過合理的講授依然很難讓學生切身感受到認同感，導致學生無法理解實際生產與所學知識之間的必然聯系，非常容易使學生產生學而無用的想法，進而導致學生喪失學習的信心和興趣。虛擬教學可以有效地彌補傳統教學的抽象認知，使學生對工藝有更加直觀的感受，有利于提高學生的學習興趣，激發學生對解決實際生產的能力認知。所以，在虛擬仿真教學時，利用高清的虛擬環境，學生可以進行模擬現場操作，根據具體情況老師提出相應的問題，并要求學生針對出現的相應生產現象進行解答。課后，學生自主獨立地查閱資料，利用高仿真的操作，確認問題所在并解釋產生此現象的原因。最后，老師總結學生的講述，并運用理論知識對此現象進行講解，最終將此問題由特殊化轉變為普遍化。同時，安排學生總結，使理論知識與實際生產真正有機地結合在一起，由此，不僅使學生真正地了解了問題所在，更使學生對如何運用所學知識解決問題形成自己的理論，真正地實現將理論與實踐相結合授課模式。

（2）動力催動式教學

在以往的教學過程中，教師作為主導者主要以講授理論為主，學生通過圖書館或者互聯網找尋問題的最優答案，如此學生對學習依然停留于理論探索的基礎上，很難讓學生獲得解決問題的代入感和成就感。如果使用虛擬教學，教師就可以根據虛擬操作中碰到的實際問題結合當下熱點問題布置一定量的作業，這些問題與課程知識和實際應用有機結合。這些問題不再是課程知識的簡單表現，而是以使學生更加深刻地理解課程知識為前提，從而達到學以致用的目的。在利用虛擬教學教授《化工設計基礎》過程中，作業問題主要是以工藝流程操作問題和設備構造和特點等工程任務為主，作業作為動力，要求學生通過查詢文獻和模擬操作試錯，以及咨詢老師等形式通過三人小組完成作業，小組成員和老師可以以課件形式進行講解答辯。利用此種教學模式學生可以做到將所學的理論知識與看到的動手操作裝置的特點和操作方式融為一體，從工程工藝的角度重新看待理論知識在工業生產上的應用及應用方式，進而將學生培養為具有優秀理論知識和實踐能力的創新型人才。此外，利用學校優質虛擬仿真資源進行教學，這雖然對傳統教學造成了沖擊，但是提高了學生的積極性和主觀能動性。最后，通過三人一組的形式對作業進行討論，這無疑為學生提供了溝通交流的機會，也增強了學生理解和掌握實踐理論知識的應用能力。

（3）翻轉課堂

在傳統教學中，學生對于知識的掌握主要來源于老師上課時的講述，這種授課方式使得學生在學習時會產生很大的局限性，如學生的自主能動性難以調動起來，導致大部分學生始終以一種被動的形式學習，學習效率非常低。然而，《化工設計基礎》作為一門工科課程，學生必須在理解的基礎上才能有效地學習，因此，如何引導學生更好地理解課程內容是本課程出彩的關鍵。在新的教學模式——虛擬仿真教學下，傳統教學轉變為“動力催動式教學”，在此過程中學生可以對基本的單元操作擁有較清晰的認識。同時，在傳統教學中，講臺授課使得學生與老師之間產生一定的距離感，這導致老師無法真正體會學生在臺下聽課的感受，學生亦無法感受到老師講臺授課時的感受。因此，為了減少師生的距離感并刺激學生的自主能動性，在虛擬仿真教學過程中，通過先模擬后工藝復述的授課方式將主體由老師變為學生。這樣就形成一種學生在臺上講授其在模擬狀況下掌握的工藝知識，老師在臺下評估學生掌握知識的全面性，學生在講授時需注重本工藝所采用的知識點的應用。這種師生角色互換不僅僅局限于本課程，更應掌握對所涉及的工科知識之間的聯系，做到最大程度融會貫通，如此可以對學生掌握知識的多少有了一定了解，并對他們的錯誤認知進行修正；而且通過講述的形式使學生真正地掌握此類知識。

（4）多學科融會貫通

隨著新工科概念的提出并被眾多高校實行，多學科之間的交叉學習及知識的融會貫通已成必然趨勢。當化工專業評估及工程認證時，專業課程教學要求學生需要強化軟件運用的同時，也需涉獵環保、設備機械原理、化工原理、安全操作等方面的相關知識。但是，由于教學課程有限等原因，授課老師在教授相關知識時無法將各個方面進行深入講解，導致理論結合實際時落入下乘。而在虛擬教學中，不同的操作步驟均以專業知識為基礎，學生與相關專業教師及同學間交流解決遇到的問題，這樣學生就可以最大化地利用所學的知識。同時，充分利用學校優質的教學資源和分工明確的優勢，一方面使學生與各專業教師之間增進師生感情，另一方面也使同學之間建立了深厚的同窗友誼。專業老師的講解及同學間知識火花的碰撞營造了一種愛學習、主動學習的真實的學習氛圍，使學生更好地了解各專業之間的內在聯系及側重點，進一步掌握所需技能及知識儲備。

（5）思政融入

在新工科的背景下，思政教育作為當代大學生不可或缺的社會價值觀、國家榮譽感建立的重要途徑，教師在化工設計基礎教學中傳授相關課程知識的同時，更應實現相關的價值觀的引領與督促。在傳統的課堂教學中，教師往往將查詢的資料作為課程思政的教育內容，但是這不可避免地導致思政教育內容與當前課程不協調不一致的情況發生，學生更是缺乏認同感和代入感。因此，本課程將虛擬仿真教學優勢放大，這個過程很大程度上應用了國家在此工藝發展過程中涉及的真人事跡，將國家與個人的榮辱觀緊密地結合在一起，讓學生更加立體地感受國家與個人在工業發展中不畏艱難、艱苦奮斗的精神，使學生了解自己未來所承受的社會責任和社會擔當，進一步提高了學生的家國情懷。以石油的常減壓蒸餾為例，它著重講述了我國從引進基礎工藝到我國自主實現工藝的優化，以及全工段的工藝最優化，實現了對西方的全面趕超，使我國從全依賴國外技術到實現全部國產，這極大程度上增進了學生的民族自豪感并提升了他們對國家高速發展的信心。學生面對近真實的虛擬仿真工藝，身臨其境，將國家興衰與個人利益綁定在一起，對自身在社會發展中所要付出的責任義務，以及必需的職業道德有了更深的理解。

2 虛擬教學考核評價

為契合虛擬教學方式，全方位地考查虛擬教學效果及學生的掌握程度復雜而艱巨，考慮開設以下幾種方式對其進行考核。

2.1 主觀式考題的設計考查理論知識及思政融入性效果

依據課程虛擬化教學的設計，考核方式也做出相應的改變，將具有唯一答案考試進行重新編制，采用主觀式考題，通過開放性的論文形式，使學生通過自己組團的方式，形成3～5人小組，將知識應用于實踐中，成為涉及多學科、多知識點的綜合應用型考核方式。以“請確定年產10萬t 聚乙烯生產過程工藝的具體參數及設備，并講述我國聚乙烯生產的發展歷史與自己的社會責任”為例，論文沒有統一的答案，每個小組將自己的設計思路通過所學知識的形式表現出來即可，考核方式由記憶性的客觀考題變為更多應用性的主觀測試，著重考查學生對所學知識的鞏固程度、理解應用的能力、學科間知識聯系的內在關系，并在一定程度上將課程融入思政的效果進行評價。

2.2 軟件操作性測試考查應用性軟件的熟練度

化工設計基礎作為一個以軟件操作為基礎的課程，通過與各專業教師的交流溝通，在授課過程中增加了軟件的操作性測試。其中，Aspen 操作是本課程教授的重點，軟件操作的熟練程度決定了化工設計過程中的準確度及速度。操作考試均采用主觀題進行考查，題目主要以簡單的工藝組合為主，工藝參數在題目中給出。在操作考試過程中，學生通過所學知識自行設計整個工藝使之達到題目中所需的工藝參數需求及結果即合格。同樣的，操作考試沒有統一的標準答案，但是在應用軟件過程中如果操作出現錯誤，軟件就會報錯，在有限時間內未報錯并可以得到相應的結果即算合格。軟件操作測試不僅提高了學生對軟件應用的熟練度，更是在一定程度上使學生了解了設計的基本規律和流程。

3 課程改革成效

2021年開始，本校對學生的自主學習能力、知識的綜合應用能力、對工藝問題的研究和創新方面的培養卓有成效，鞏固了學生對化工行業的工作熱情、職業素養，以及安全方面、環境方面等知識。結果表明，通過教學改革措施的實施，采用虛擬仿真教學改革后，雖然開始時學生適應較困難，但是學生對于學校要求的各項指標均已達標且達成度每年逐步上升。本專業學生的均衡設計路線及企業生產實習對學校的反饋情況體現出虛擬仿真教學帶來的顯著優勢。同時，虛擬教學中思政元素的靈活融入對于學生了解當下社會化工行業的發展現狀及未來的工作方式有了清晰的認識，這極大地提高了學生對本專業的認同感和自豪感，更是為企業培養了行業的專業人才，提高了化工企業對于學校的信任，推動了校企合作的新征程，翻開了校企合作的新篇章，為企業減短了前期培訓時間和精力，提供了一定的經濟效益。

4 結束語

化工設計基礎課程是化工專業培養面向工廠實踐應用的最重要課程，運用本校特色的虛擬仿真作為授課背景，將實踐應用于多學科知識有機結合起來，把實踐碰到的問題轉變為真實的教學樣本，把實踐中的工藝轉變為真實的教學大綱材料，把被動課堂授課轉變為生動有趣的主動學習，同時使思政元素更自然更貼切地融入，從而實現了知識與應用、思想與道德的雙向奔赴，更是提高了學生的主觀能動性，加深了學生對工廠實踐工作的認識，提升了學生的職業敏感性和社會責任感，極大程度上反映了當下教學的新方向，為接下來大學的人才培養提供了寶貴的經驗。