“新工科”背景下融合信息化技術的化工專業理論與實踐教學探討

徐 威 渠吉發 胡麗華 丁良輝

(南京工程學院 環境工程學院，江蘇 南京 211167)

步入新時代，信息就如同“血液”一樣流淌在社會各行各業中，現代信息技術已經廣泛滲透并影響著于人們的生活、學習和工作。高等教育也不例外，從國家層面的教育發展規劃到學校一線教師的探索應用實踐，從現代信息技術輔助教學，到信息技術與教育教學深度融合發展，現代信息技術必將使得教育教學產生較大的變革[1]。中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》明確指出“加快信息化時代教育變革”“利用現代技術加快推動人才培養模式改革，實現規模化教育與個性化培養的有機結合”等具體的方針及措施。化工作為傳統的基礎學科，在領域技術的快速發展、教學設備以及個人認知理念的更新的背景下，傳統化工課程教學體系和教學方式呈現出諸多不足，不但限制了課程建設的發展，也影響了化工專業學生的就業、創新創業能力。現代信息化建設為化工專業教學注入了新的靈魂，提供了新的驅動力[2]。

1 信息技術化解理論教學難題

1.1 抽象知識的可視化與動態化

化工課程，特別是專業基礎、專業核心課程，具有綜合性強、知識涉及面廣等特點，往往需要綜合數學、物理等基礎學科知識與技能，課程中需要涉及大量的數理符號、復雜公式，導致學生理解起來非常困難，甚至會產生厭學情緒。

以化工傳遞過程為例，它是對化工核心“三傳一反”中“三傳”現象和問題進行更一般化的分析，建立更一般化的數學模型。由于其看待問題的一般化及談論的是共性，所以是抽象的，導致學生和老師普遍感覺傳遞現象難懂、難學。利用現代模擬與仿真技術則可以將流動、傳熱、傳質過程生動地呈現在學生眼前，讓書本上“黑白”、“靜止”的公式“色彩紛呈”、“生動活潑”起來。例如，圖1就是基于傳質過程理論通過軟件仿真得到的結晶器中不同時刻顆粒濃度的濃度分布云圖，在課程相應章節的開展過程將這些內容以圖片、動圖、視頻的形式展現給學生，可以極大提升學生的學習興趣，促進理論知識的理解與掌握。

圖1 結晶器中不同時刻顆粒濃度分布云圖(單位：kg/m3，(a) 50 s，(b) 100 s)

1.2 師生交流的常態化與便捷化

師生交流互動是教學的重要組成部分，好的交流互動是提高教學質量的有效保障。然而，由于授課模式的進一步轉變、師生性格與思維方式的差異等多方面的原因，近些年來，師生普遍感覺相互交流不夠頻繁、不夠深入。這一方面導致教師在教學過程中難以收到及時、真實有效的反饋，使得“因材施教”、差異化教學工作實施困難，效果不顯著；另一方面，學生在學習過程中要么不求甚解，要么苦思不得其解后放棄，走入“誤區”，鉆進“牛角尖”，甚至誘發或加劇心理健康問題。

在信息技術的支持下，師生的交流方式更加多元化，并具有交流通道上的可視化和痕跡化、交流內容上超鏈化和多元化、交流形式上的點對點化、交流對象的多層次化等特點。在課堂維度上，通過課程網站、課程平臺、班級QQ群、微信群或者云課堂布置作業，發布課外拓展的學習內容。在課外維度上，通過及時通訊、論壇等形式實現師生間實時或留言式的互動溝通交流，解決學生學習中的困惑、探討課程及學科中的問題[3]。

2 信息技術提高實踐環節效率

2.1 “線上線下”“虛實結合”的實踐教學

化工專業實習與實踐是實現高等院校工程教育專業人才培養目標和畢業要求的重要教學環節，是工程教育與企業生產工藝及社會實踐相結合的重要環節。傳統實習都是工人師傅講、學生看和聽，沒有實際操作的機會；同時，由于化工廠區、生產的安全與環保要求，很難安排大量學生、集中時間的實習，導致實習工作開展不順暢、預期效果很難達到[4]。

借助虛擬現實、5G通訊等信息化手段，通過構建全網規劃部署虛擬仿真教學系統，可通過VR頭盔、體感設備實現與系統間的體感交互，可以解決實習過程中存在的困難、彌補了實習質量的短板。以筆者所在教研室前期組織的畢業實習為例，在實施過程中一方面利用南京工業大學化工學院“環氧乙烷生產工藝實訓虛擬仿真”，另一方面聯系南京化工實訓基地。通過校內仿真、現場仿真+實操的方式，推動了畢業實習工作的高質量完成，特別是在2020年疫情期間，融合信息技術的實踐教學為人才培養方案的執行發揮了重要的作用。

2.2 基于現代信息技術的課程設計體系

化工課程設計中融入信息技術，改革傳統的教學模式，可以充分體現學生的主體作用。如構建信息技術支撐的理實一體項目教學模式，將各種信息化手段貫穿于課前、課中和課后等教學的各個環節，從而改變了以往以教師為中心的學習方式，教師由知識的傳授者變為指導者或咨詢者。同時，現代信息手段通過圖像、渲染等方式，能夠更加生動活潑地展現課程設計的作品，增加學生的成就感與獲得感。

以化工原理課程的實施過程舉例：首先依據學情，布置任務、創設教學情境，再將教學內容、案例資料發放到課程網站等網絡平臺上。然后通過課程網站、班級QQ群、微信群或者云課堂布置作業、任務，發布課外拓展的學習內容。同時，再濕濕的全過程中，利用網絡實現及時溝通、交流、答疑，促進課程設計及時、高質量地完成。此外，化工原理課程設計中涉及的設備結構、工作原理可通過flash動畫和虛擬仿真展示，幫助學生充分理解；涉及到的設備結構及裝配圖借助三維軟件繪制三維立體圖，讓學生感受、理解從二維平面流程圖，轉換為三維立體實際效果，幫助學生掌握知識點，極大提升了授課效果。

3 信息技術推動創新創業發展

3.1 貫穿全過程的專業競賽與課外實踐

隨著信息化的發展，化工過程的智能化設計、運營程度越來越高，相應地，為專業人才培養設置的各類競賽與課外實踐對信息化工具的運行、智能化思維的體現愈發凸顯。傳統計算方法已經不能夠很好的滿足日益復雜的化工技術數據計算要求[5]。

以全國高校化工專業級別最高、參賽隊伍最多、影響力最大的全國大學生化工設計競賽為例，在作品的實施和評價過程中，就涉及流程模擬、設備計算與校核、管道三維布置、廠區三維漫游等一系列的專業軟件和平臺，特別是近些年來，在作品的評價中更是增加了人工智能、大數據等新興概念的引導。可以說，在整個競賽的全過程中信息化技術是其中重要的核心環節。在競賽的過程中，指導學生掌握計算機聯合繪圖、模擬、數據分析等軟件的思維和技能，引導其關注并運用信息化、智能化技術的前沿，不僅可以大幅度提高競賽作品的質，還為畢業生走向現代自動化、智能化的工作崗位做好鋪墊。

3.2 面向工業4.0的創新創業教育

“工業4.0”描繪了制造業的未來愿景，提出繼蒸汽機的應用、規模化生產和電子信息技術等三次工業革命后，人類將迎來以信息物理融合系統(CPS)為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業革命，化工行業的發展和未來也必將落入“工業4.0”的范疇。特別是在“大眾創業、萬眾創新”指導思想的引領下，對化工專業培養的信息化需求更加強烈。

以影響力最大的“中國“互聯網+”大學生創新創業大賽”為例，它要求參賽項目能夠將移動互聯網、云計算、大數據、人工智能、物聯網、下一代通訊技術、區塊鏈等新一代信息技術與經濟社會各領域緊密結合，服務新型基礎設施建設，培育新產品、新服務、新業態、新模式。這些要求無一不指向了信息化技術，關于創新創業的出發點和落腳點都體現了信息技術與教育教學的深度融合。以面向工業4.0的創新創業教育為抓手，把信息化技術糅合到教育教學過程中，將相關理念銘刻在學生心里，是培養具有創新創業眼界和實力的學生的重要手段。

4 結束語

信息化教學已成為“互聯網+”時代提高教學質量與效率的關鍵。如何培養出國家、社會真正需要的化工類人才是教育教學的重點和難點[6]。針對化工學科、行業的特點，教育工作者應合理利用各種信息化技術，培養企業需要的化工類人才，培養獨當一面的新時代創業人才。廣大的教學工作者要繼續強化“現代信息技術與學科教學融合”的教育理念，從教學模式、教學內容等多方面探索并構建新型的教學結構，探索符合學生認識發展規律的教學方法，卓有成效地開展現代化的教學。