基于虛擬仿真和項目教學的化工工藝學教學實踐改革

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(三峽大學 材料與化工學院，湖北 宜昌 443002)

根據《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》以及《教育部關于中央部門所屬高校深化教育教學改革指導意見》，對于課程教學應強化實踐育人環節，加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設，重點建設一批國家級實驗教學示范中心、國家大學生校外實踐教學基地。同時，在加強綜合實訓中心建設基礎上，兼顧基礎教學與前沿課題引導，構建功能多樣化、前沿化、資源共享、充分開放的專業類或跨專業類的實驗教學平臺，全面推進信息化實踐教學平臺建設，充分利用信息技術實現各學科實驗教學資源的開放共享。化工工藝學，內容涉及廣，許多都是沒法在真正的實踐課程中實現的。因此，針對化工工藝學課程教學存在的問題，結合當代大學生學習特點，依托現代信息技術和先進教學方法，設計實踐教學改革的有效途徑。在實際教學過程中通過虛擬仿真和項目教學對教學效果進行探索。期望通過此方法，充分吸收課程知識，充分發揮學生的能動性，提高動手實踐能力和職業素養。

1 虛擬仿真教學

根據近年來高等工程教育改革的要求，依托于高速發展的信息技術和虛擬仿真技術，在涉及高危和極端環境、高成本、高消耗的工藝流程教學過程中，從單一的課堂教學，利用虛擬仿真部分替代實踐教學。提供可靠、安全和經濟的實驗項目。對于化工學院，虛擬仿真實驗教學是將會成為實驗教學不可或缺的重要組成部分，承擔輔助教學的任務，致力于解決“做不到”“做不好”“做不了”等日常實驗教學中的難點、痛點問題[1-2]。

虛擬仿真在傳統平面仿真的基礎上引入三維圖形、多媒體技術、虛擬現實技術，使得仿真界面、仿真內容更加立體生動，達到身臨其境的效果是一種近年來被提倡推廣的教學模式，至今已推廣至VR技術，可以在計算機的幫助下，設置教學場景，對高危工藝進行手動操作，具有情境性強、內容豐富等優勢。以“尿素工廠仿真生產實訓”為例，實際工藝流程基本包括7個工藝單元，原料二氧化碳、氨的壓縮，尿素的高壓合成，含尿素溶液的分離過程，未反應氨和二氧化碳的循環回收，尿素溶液的濃縮，造粒與產品輸送，工藝冷凝液處理。實踐教學是不可能實現的。借助仿真軟件，通過DCS控制系統，在計算機界面構建與生產實際高度相似的仿真模型，同時縮小設備體積，搭建仿真設備模型，完全模擬工廠的遠程操控模型。設置多種實訓操作項目，如裝置開車、裝置正常停工、緊急停車、事故處理、現場巡查等項目，學生根據不同的操作項目，可以直面實物現場，對工廠布置有直觀的認識、對現場儀表、設備進行了解。同時通過現場和計算機界面調控結合，了解自動化控制系統，以及相關參數整定的方法。此種教學模式的改革，豐富了課外實踐學習方式，整合實踐教學平臺和資源條件，推動實踐教學模式的轉變，提升實踐教學質量。同時，互聯網技術的發展為學生全天候接收信息提供了條件，使虛擬實驗教學能夠在全天候、全空間的范圍內實現。可以解決實踐教學不能解決的實驗問題，實現實驗和虛擬仿真教學的虛實結合，相互補充，能實不虛，以促進大學生的全面發展和適應社會需要為宗旨，以培養創新精神和實踐能力為核心，提高高等教育人才培養質量。

2 項目教學

以提高學生的工程勝任能力為目標，開展化工工藝學的課堂教學改革。化工工藝學基于化工原理、化工熱力學、化學反應工程、傳遞、分離、制圖、軟件模擬、機械、儀表自控、安全等等，進行化工過程分析與合成、化工設計，是以前所學知識的集成，教學中應注重融匯貫通，對化工專業的發展起到承上啟下的作用。工藝學設計內容廣泛，如原料資源，化工過程的物料衡算和熱量衡算，化工過程的基礎知識等等，因為課時有限，應對課堂內容和課后內容做好選擇。部分教學內容采用教師教課形式，部分內容采用項目教學形式[3-4]。

傳統化工工藝學為課堂理論教學模式，以當今化工行業，無機化工、有機化工、石油煉制、煤化工等典型產品生產工藝為線，以合成器制備工藝和甲醇的生產工藝為主線，建立了有機化工-煤化工的橋梁，并注重環保、清潔和可持續發展的理念。各產品均從原料處理、反應、分離等多方面對工藝流程進行優化。為了提高教學質量，本論文從項目教學出發，教學過程中，注重過程工程和產品工程的科學及應用技術，同時注重于其他過程相關課程緊密結合。結合工業案例，要求學生從需求分析、方案海選、科學選擇和生產過程設計四個方面對產品生產工藝進行設計。首先對教師給定題目，分組并收集相關資料；一定時間后，各小組匯報自己的實習方案，任課教師、邀請工廠相關工段工程師及其他同學對其方案進行評價和分析，對存在問題提出意見和建議；根據研究方案，進行物料衡算、能量衡算、經濟分析，并得出工藝流程圖；在工藝流程基礎上，設計帶控制點的工藝流程圖；最后進行學術自評、小組互評、教師評價，并進行相互交流。

3 結語

本論文結合高校信息化建設和實踐教學的需要，開展建設工作，從虛擬仿真和項目教學兩個方面推動化工工藝學教學，實現知識、能力、素質協調發展、理論、實踐、創新全面提高。