新工科背景下化工原理實驗虛擬仿真金課建設——以綜合設計型虛擬仿真精餾實驗項目為例

孫 德 刁振恒 李冰冰 李 偉 葛彥俠

（長春工業大學化學工程學院 吉林·長春 130012）

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，2017年教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1]。2017年7月，教育部印發《教育部辦公廳2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》。2018年4月，教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，推進信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程[2]。2018年8月,教育部《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》(教高函〔2018〕8號)中要求淘汰“水課”、打造“金課”[3，4]。從此高校五大“金課”建設正式拉開了序幕。虛擬仿真實驗教學實現學科與信息技術的深度融合，是金課建設計劃中的重要部分。

化學工程與工藝專業屬于技術性、綜合性、通用性很強的專業，主要培養從事化工類型過程和設備的生產、研究、開發、設計等工作的高級工程技術人才。化工原理實驗是化工類及其他相關專業的一門基礎技術課程，是化工原理課程的一個重要實踐教學環節，該課程具有工程性、實踐性強等特點[5]。在吉林省“雙一流”建設政策背景下，長春工業大學化學工程學院建設了吉林省化工原理實驗虛擬仿真實驗金課，對于提高提升學科綜合實力和人才質量發揮了重要作用。

1 化工原理實驗虛擬仿真金課建設的必要性

傳統化工原理實驗有些實驗項目需時間長，學習效率低；有的藥品昂貴，成本高；有的對環境和身心都造成嚴重傷害，不安全；有的儀器設備非常昂貴，需要細心維護，不適合學生操作；有的實驗項目在藥品和實驗過程的安全隱患方面的特殊性，一般需要特定時間和地點進行實驗，受時空限制大等等。另外，如果因風災、洪水、地震、傳染病疫情等因素要求學校停課不停學時，真實實驗就不能夠開展。有的地方高校受經費和企業實踐基地資源的限制，實踐性教學環節在實際操作中顯得很薄弱，學生長期駐企業實踐存在困難，在生產實習期間，學生進入工廠實踐的次數和時間少、工程設計得不到訓練，其基本工程能力、動手能力明顯不足。即使進入企業，學生只能跟隨師傅參觀設備和中央控制室，時間短，難以近距離觀察，學生不能親自進行相關操作，如工業裝置的開車、停車和事故處理等重要操作。以上等等無法滿足新工科人才培養要求。虛擬仿真利用計算機真實地再現實驗操作和化工生產流程，全部真實的實際生產過程基本都可以在虛擬仿真軟件上實現，可以實現化工相關專業傳統實驗實踐教學無法完成的教學功能。

2 化工原理實驗虛擬仿真金課建設的原則

虛擬仿真金課建設要求：（1）高階性，課程目標堅持知識、能力、素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；（2）創新性，教學內容體現前沿性與時代性，及時將學術研究、科技發展前沿成果引入課程；（3）挑戰度，課程設計增加研究性、創新性、綜合性內容，加大學生學習投入。基于此，圍繞化學化工及相關專業，我們建設了“四層次、四平臺、四結合”化工原理虛擬仿真實驗金課教學體系。“四層次”將實驗教學內容劃分為教學演示型、仿真操作型、實訓綜合型、設計型；“四平臺”按專業知識體系與工程實踐規律搭建，包括專業基礎仿真平臺、實訓裝置仿真平臺、化工工藝仿真平臺、綜合設計仿真平臺；“四結合”是與理論課程相結合、與實體實驗相結合、與實際工程相結合及與企業實踐相結合。這里我們以綜合設計型虛擬仿真精餾實驗項目為例，談談化工原理實驗虛擬仿真金課建設。

3 化工原理實驗虛擬仿真金課建設

3.1 實驗目標體現“兩性一度”

虛擬仿真實驗題目的設計要區別于真實實驗，需要體現出前沿性和創新性。我們開發的精餾塔3D設計型實驗仿真軟件要求學生對實驗中涉及的主要設備進行設計和選型，根據實驗題目，自主查詢資料、設計計算、選購設備，使學生建立完整的設計理念，同時設置了危險源辨識場景與評判并能對實驗涉及的能耗、物耗等經濟指標進行綜合評估。

通過化工原理精餾實驗裝置設計和虛擬操作仿真軟件，培養學生深入學習化工基本過程原理，驗證公式、原理定理等知識。通過對設備及工藝的發現問題、分析問題、解決問題能力的培養，提高學生實際動手操作調試能力，實現化工原理傳動、傳質、傳熱和單元操作的典型實驗模擬及實踐。培養學生對于實驗事故發現和處理的能力。立德樹人，培養社會實踐能力，提高綜合素質，為畢業專題實習和就業打下基礎。

3.2 實驗內容要具有挑戰度

虛擬仿真實驗內容設計應選擇有一定難度和有一定挑戰性的題目，體現綜合性和設計性。使學生產生我想做、我要做、我能做的想法，促使學生克服困難、挑戰難度、收獲技能。

精餾塔3D設計型實驗仿真軟件主要包括以下模塊：（1）危險源辨識模塊，主要用于實驗室危險源辨識，通過場景漫游，查找不同的危險源，并選擇相應的方法處理危險源。要求危險源識別功能現場演示。（2）實驗設計，主要根據設計條件，手動計算得到精餾段及提餾段的操作線方程、氣相、回流的質量流量、摩爾流量及相應摩爾分率、精餾段理論塔板數、提餾段理論塔板數、精餾段實際塔板數、提餾段實際塔板數、全塔實際塔板數、加料板實際位置、塔身面積等實驗參數，并配合軟件形成設計方案。（3）設備選型模塊，設計結束后，進入設備商城選擇設備。設備商城由固定選型和可變選型兩部分。固定選型包括塔身、塔板、冷凝器；可變選型包括回流泵、回流罐、電加熱器，分別有若干型號可供選擇，勾選并輸入相應數量后加入購物車。（4）經濟核算模塊：購物車應自動加載設計得到的電量、冷卻水、原料的數量、單價及總成本，同時加載選型過程中加入購物車的各設備，自動計算得到總成本。仿真操作結束后，對操作過程中的電耗、水耗、原料等各項成本進行經濟核算，計算得到生成單位質量產品所需成本。

3.3 實驗教學評價要有科學性

能夠代表學生真實理論和實驗水平的評價體系是科學的評價體系。軟件設有學員站，教師站及智能評分系統。學員站與教師站通過局域網連接通訊，實時上傳當前軟件操作成績；教師站基于互聯網達到與學員站的控制與通信，可以進行統一的啟動和控制，實時顯示學員得分，查看和統計成績；可以查看每個學員的當前操作的工藝指標；主要功能是管理學員機及工序設定，組織考試、收集成績等管理功能。通過智能評分系統，每一個評分指標都可以設置嚴格起始、終止條件；工藝質量參數評定曲線。軟件依據實驗熟練情況、實驗過程評價、問題解答情況、數據處理情況、實驗方案設計情況、實驗報告撰寫情況給出能夠體現學生各方面真實能力的實驗成績，體現公平公正，營造良好的學習氛圍。

4 結語

化工原理實驗虛擬仿真金課建設將虛擬仿真實驗作為輔助手段，與傳統實驗形式結合，彌補了傳統實驗的不足，豐富了實驗教學的內容，提升了實驗教學的效果，使虛擬仿真實驗更好地服務于實驗教學任務。學生通過虛擬仿真實驗得到綜合能力的提升，從而更好地實現人才培養目標，為社會培養出更多符合社會發展需求的高素質人才。