化工實驗課程“線上線下”教學模式思考

段亨攀 胡承波 劉紅盼 王維勛 楊和山 黃孟軍

摘? ?要：化工實驗以化工設備為依托，對設備的正確認知和操作是化工實驗課程開展的重要內容。由于化工設備結構龐雜，傳統的圖文教學資料對設備表達不夠清晰、抽象難懂，難以滿足初學者對化工實驗的學習需求。提出了化工實驗“線上線下”教學模式，即以“線上”設備認知、軟件仿真和“線下”現場實驗教學為一體的教學方式，幫助學生深入理解化工設備結構、裝配原理及實驗運行過程。以此提高學生對化工實驗的學習興趣和教學效率。

關鍵詞：化工實驗;線上線下;教學;虛擬仿真

化工實驗是對化工原理知識的檢驗和實踐，是化學、化工制藥類專業的基礎實驗課程之一。化工實驗課程主要涉及流體輸送、傳熱、過濾、吸收和精餾等單元操作，這些單元操作均以化工設備為載體，而化工設備裝配復雜、控制點繁多，正確的設備操作是實驗過程安全性和教學效用最大化的保證。隨著計算機技術的發展，以“線上-軟件模擬”結合“線下-硬件操作”的實驗課程教學模式正在被廣泛研究[1]，基于這一背景，并結合化工實驗課程的特點，本課題提出了化工實驗“線上線下”課程教學的開展思路。

1? ? 化工實驗特點及教學實施情況

1.1? 化工設備特點

不同于基礎化學實驗，化工實驗的開展需要借助大型的化工儀器設備，如精餾塔、過濾機、吸收裝置等，這些設備尺寸規模較大，零部件裝配復雜，管道連接交錯，控制對象涉及溫度、流量、壓力等多個變量，控制點繁多，實驗操作容錯率較低[2]，而且為了實現連續運轉和精準操控，許多化工設備還配備了各種控制器和顯示儀表，使得設備結構更為復雜。因此，在化工實驗開展之前，對化工設備的正確認知和熟悉十分重要。

由于化工設備規模大，在實驗過程中處理的物料相對較多，加之這些物料大多易燃易爆或有毒有害，實驗操作不當容易導致物料泄漏，危險性增加。有些實驗甚至還需要在較高的溫度和壓力下進行，如精餾、超臨界萃取等實驗，實驗條件相對苛刻，不正確的操作可能導致嚴重的安全事故。此外，化工儀器設備通常是金屬材質，在實驗過程中難以看清設備的內部結構以及物料運行情況，不可控因素增加，這些情況不免使得初學者對這群“龐然大物”望而生畏。

1.2? 傳統化工實驗課程開展情況

為了提高化工實驗課程的教學效率，課程教師一般會在實驗前提供化工設備的說明書及實驗操作規程等資料，以供學生預習。但由于化工設備裝配的復雜性，這些看似詳盡的二維圖紙材料對于初學者來說仍然生澀難懂，在看到儀器設備實物之前，還是難以想象出完整的設備立體裝配結構和物料的控制及流向，實驗預習效果不佳。化工設備價格昂貴，維修成本高，大多數院校實驗教學中心可提供的化工設備臺套數較少，實驗教學過程中難以讓每個學生都得到充分的操作學習機會[3]。由于對化工設備及實驗運行缺乏全面的了解，加之現實生活中各種化工企業生產車間爆炸的負面新聞時有報道，容易使學生對化工實驗產生恐懼、抗拒心理，導致在實驗過程中過于謹慎，甚至不敢操作設備，實驗教學效率低、學習效果差強人意。另外，有些化工設備長期處于老化待修狀態，為防止實驗教學事故，有些教師在教學過程中只做演示講解，而將化工設備作為模型擺設，學生參與化工實驗操作程度低，沒有達到實驗實踐教學的目的。

2? ? 現代化教學手段在化工實驗教學中的優勢

2.1? 化工實驗設備表達方式的多樣化

在計算機軟、硬件及互聯網技術蓬勃發展的今天，教學模式已經從傳統的口述和單一的文字視覺傳遞過渡到現在以多媒體為主的多元化課堂，教學資源也更加豐富[4]。化工實驗課程的教學資料不再只是傳統生澀難懂的平面圖文，化工設備還可以借助三維視圖、動畫模擬和設備實物錄像等多種手段表達，細微的部件組成、復雜的裝配方式和隱蔽的內部結構等都可以通過先進的視圖和軟件模擬技術解析呈現。同時，以手機為代表的移動互聯網終端使教學更加便利，學生可以隨時隨地獲取和在線瀏覽化工設備的音視頻和動畫模擬等資料，這些豐富的教學資源可以幫助他們更容易地讀懂化工單元設備，提高學習興趣。

2.2? 仿真模擬與實驗實踐的有機結合

課堂的教與學正在享受著科技進步帶來的紅利，教學方式不斷朝著多元、高效、便捷的方向發展，諸如可視化教學、云課堂等模式日益成熟[5-6]。目前，以理工科為代表的計算機軟件仿真課程與實驗實踐課程相結合的理實一體教學模式正在步入高速發展的階段[7]。基于上述化工設備和實驗運行的特點，化工實驗教學的開展如果只是完全依靠實驗現場教學，教學效率低，而且實驗過程安全性難以保證。為此，在化工實驗室現場教學實施之前，可先通過“在線”的設備動畫模擬認知，熟悉設備的操作流程，同時，利用虛擬仿真軟件進行實驗操作練習，優化實驗條件。這種“線下”現場操作前的“線上”虛擬演練，可以大大提高實驗現場教學的效率和實驗過程的安全性。

3? ? 化工實驗“線上線下”課程建設

3.1? “線上”教學資源的開發

化工實驗“線上線下”教學的開展關鍵在于“線上”教學資源的開發和運用。首先，任課教師作為課程的主導者，應該主動承擔起化工實驗課程改革和建設的重任，在“線上”教學資源的挖掘和課程準備方面投入時間精力，多方爭取主管單位對課程建設的支持，推進課程教研教改。對于化工設備結構的線上認知教學，目前，許多網站已經共享了各類設備的圖文、動畫和視頻等教學資源，教師在備課的過程中應充分挖掘和收集，避免重復建設。值得注意的是，由于不同設備廠商提供的化工設備結構、功能有所差異，籌備的視圖資料應盡量與實際教學設備相匹配，當然也可以根據這些現有的視圖資源進行二次開發，制作符合自己教學實際情況的教學資料。此外，還可借助計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、3d Max等專業繪圖軟件，師生合作共同制作化工設備的視圖教學資料;特別是CAD工程制圖作為化工專業的必修課程之一，將不同課程知識交叉融合、活學活用，可以有效提高學生的綜合能力。當然，教師還可以通過提前錄制化工設備現場教學視頻，以供學生在“線上”對實驗課程進行預習和視覺學習。

學校層面應該加大對實驗“線上”課程的建設和改革力度，支持沖破學科界線，跨專業、跨學科組建教研教改課程團隊，打造在線精品課程。一般來說，化工專業的教師缺乏計算機軟件技術，而計算機專業的老師又不懂化工知識，如果將兩個專業的老師交叉聯合，組建化工仿真軟件開發隊伍，可以開發出符合自己學校特色、學科特點的設備模擬仿真軟件，打造教學示范課程。

此外，通過推動產學研融合，搭建校企合作的橋梁，校企雙方互惠共贏建設化工實驗課程的軟硬件精品資源[8]。如在現有的硬件設備基礎上，化工實驗教學中心和設備供應商合作開發配套的設備動畫圖，通過透視、解剖和局部放大等表現方法展現設備完整內外結構、裝配關系和物料運行過程。同時，根據實驗課程設計目標，開發配套的虛擬仿真軟件，軟件功能包括設備操作模擬練習模塊、實驗條件控制和設備響應模塊以及實驗數據輸出和結果分析模塊等。

3.2? 設備認知-虛擬仿真-現場實驗三位一體的線上線下教學模式實踐

與傳統的化工實驗教學相比，“線上線下”實驗教學模式增加了“線上”化工設備的多媒體認知和虛擬仿真實驗。化工實驗教學可以從設備認知、虛擬仿真到現場實驗3個層次遞進開展，讓學生在預習時能“看”懂設備，模擬仿真時能熟悉操作步驟、把握實驗規律，現場實驗時能正確操作并達成預期實驗目標。

實驗前，先要求學生通過手機或電腦端在線學習化工設備結構，通過動畫圖示充分理解設備裝配關系、實驗原理和物料控制方式;然后，利用虛擬仿真軟件在線練習實驗操作步驟，研究實驗條件改變對實驗結果的影響關系，探索實驗規律，為“線下”的現場實驗操作條件設置提供依據。此外，利用仿真軟件在線模擬錯誤操作引發的各種實驗后果，通過反面案例闡述實驗正確操作規程的重要性。只有經過在線仿真實驗練習并考核通過后，學生才可以進行實驗現場設備操作，這種“線上”的可視化實驗仿真訓練可以為“線下”的現場實驗教學的有序開展提供保障，同時，還可以通過“線上”、“線下”的實驗結果對比，研究造成理論與實踐數據偏差的原因，提高學生對知識的綜合運用能力。

4? ? 結語

化工實驗的“線上”課程主要涉及化工設備的可視化認知和仿真實驗過程，意在打造生動、詳細、易讀的化工實驗課程教學指南，幫助學生在脫離儀器設備實物時也能夠容易地進行設備認知和實驗學習。通過“線上實驗模擬”和“線下實踐操作”的結合提高化工實驗教學的效率。

[參考文獻]

[1]李? ?巍，朱家偉.基于線上線下混合模式的“通信原理”課程教學改革研究[J].無線互聯科技，2019，16（19）：5-7.

[2]朱志君.化工原理實驗的特點及重要性[J].化學工程與裝備，2008（2）：123.

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[4]喻興華.淺析“互聯網+”在高校化學實驗教學中的運用[J].化學工程與裝備，2019（10）：342-343.

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[8]劉厚堂.產學研一體化的化工教學實踐探析[J].現代經濟信息，2019（21）：441.