新工科背景下化工原理理論、實驗、仿真三位一體教學模式研究

劉 輝 楊 鷹 曹占芳 孔江榕 王 帥

(中南大學 化學化工學院，湖南 長沙 410083)

教育部在新時代全國高等學校本科教育工作會議上強調，全面貫徹落實習近平總書記在全國教育大會上的講話精神，堅持“以本為本”[1]，推進“四個回歸”[2]，加快建設高水平本科教育、全面提高人才培養能力，造就堪當民族復興大任的時代新人。同時，新工科建設又是一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃[3，4]，主要是為了應對新型經濟發展要求的挑戰，服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展。化學工業是國家經濟發展的重要支柱產業[5]，作為高校教育工作者，從基礎上貫徹好化工專業知識的教學顯得尤為重要。其中化工原理作為一門專業學科基礎課程，該課程以傳遞過程基礎理論與工程方法為兩條主線，系統闡述了化工生產過程中各種單元操作的基本原理、物料衡算、過程計算、典型設備等內容，是介于自然科學理論與工業生產實踐之間的一門“橋梁”學科。從教學細節來說，化工原理教學涉及理論教學、實驗教學、仿真教學三個環節，三個環節環環相扣、緊密聯系、缺一不可。

基于此，本文面向當前新工科建設的需要，提出化工原理理論、實驗、仿真三位一體教學模式，讓理論與實踐密切結合，讓理論指導實踐，結合中南大學化工原理教學團隊的一些做法，希望為提高學生的綜合素養、促進課程教學改革提供一定的幫助和參考。

1 當前化工原理理論、實驗、仿真教學中存在的問題

當前中南大學化工原理的實際教學過程，是將化工原理理論專門設課，分為化工原理(上)與化工原理(下)，同時將實驗與仿真環節合并設課為化工原理實驗，并且將化工原理實驗與化工原理(下)同時放在大學第五學期。這樣設置課程的初衷是為了最大程度地發揮理論對實踐環節的指導作用，確實也起到了一定的效果。然而在實際操作中，這樣的課程設置仍然存在一些亟待解決的問題。首先，化工原理實驗的內容包括化工原理(上)中的四個實體實驗與兩個仿真實驗，開課時不少學生對上一學期的課程內容有一定程度的生疏，讓教學環節稍有脫節；其次，由于實驗裝置臺套數的限制，在整體鋪開實驗的前提下，在開設實操實驗時，化工原理(下)中某些單元操作章節如萃取、干燥可能還沒學到，不可避免地導致“理論未學、實驗先行”的現象，不利于學生知識點的銜接；最后，實驗課程的考試環節又涉及上一學期理論課的某些內容，容易造成學生在復習備考過程中的顧此失彼，不利于理論聯系實際，更不利于學生集中精力將整個化工原理知識點融會貫通成為一個整體。筆者走訪了一些兄弟院校化工原理實驗情況，大部分高校化工原理教學也面臨著類似的問題，因此這也是各個國內高校需要解決的共性問題。

2 面對新工科建設的化工原理理論課程教學改革與課程思政

化工原理目前是中南大學校級一流課程(金課)，中南大學化工原理教學團隊目前有12名專任教師，近些年積極投入課程教學改革實踐，注重更新教學理念，強化工程觀點；改進教學方法，利用現代教育手段、促進教育教學質量的提高；注重各門學科之間的交叉融合，適應社會發展需要；不斷更新知識體系，探索實施產學研一體化的教學模式。特別是在2020年突如其來的新冠疫情期間，教學團隊采取SPOC與網絡直播教學同步進行的方式，做到與平時課堂教學的實質等效，同時更多地引入案例教學，導入工程實例以提高學生的工程意識與工程觀點。

當前課程思政日益受到重視[6]，在注重專業理論知識傳授的同時，中南大學化工原理教學團隊也十分重視課程思政的建設，在課堂教學中循循善誘，結合化工原理知識點及思政內容進行拓展與開發。例如在講到液液萃取章節時，及時結合中南大學前身中南礦冶學院首任院長陳新民的事跡以及他在冶金萃取領域的重大貢獻，培養學生更多的家校情懷，感受老一輩化工專家及教育家的愛國情操；再如講到沉降過濾，涉及水處理方面的知識點時，適時結合重視化工環保，建設碧水藍天生態環境的大背景，讓學生更加深刻領會習近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的重要講話精神，培養學生更多的綠色環保意識與職業操守規范。在2021年全國高等學校本科化工類專業優秀課程思政案例評選中，中南大學化工原理教學團隊有四個優秀課程思政案例獲獎，實現了化工原理課程與思想政治教育的協同育人，大力促進了學生的全面發展，充分發揮了教育教書育人的作用。

3 新工科背景下化工原理實驗的強化與實訓的開展

近年來，中南大學化工原理實驗硬件設備得到了很大的提升。近兩年新購置了天津大學基礎化工實驗中心制造的流體流動綜合實驗設備、對流傳熱實驗設備、板式精餾塔實驗設備、二氧化碳傳質吸收實驗裝置、恒壓過濾實驗設備(每個設備四臺套)。同時為了模擬實際工廠的生產情景，又購置了甲醇催化轉化、純堿濃縮提純、鹽酸催化轉化等幾套實習實訓裝置，通過中試用量的生產規模去模擬化學反應過程的中間放大，讓學生更加深刻領會化工生產與化學實驗的差異，有利于學生工程意識的養成，促進復合型綜合專業人才的培養。

在提高實驗設備硬件條件的同時，中南大學也十分注重實驗指導教師的素質培訓。化工原理教研團隊主任與課程教授，經常參加高等學校化工類專業教學指導委員會、中國化工教育協會主辦的各種教育教學會議，把握最新的教學理念與教學導向，如參加中國化工教育年會、化工類專業實驗教學研討會、化工類專業實習實踐教育研討會，通過他們再將最新的化工教育形勢與動態傳遞給專業教師。同時，化學化工學院采取“外培內訓”，以“送出去，請進來”的方式加強對教師隊伍的建設。通過堅持對青年教師的崗前培訓，采取老帶新結對的方法，保證教學質量，促進青年教師快速成長；為適應工程專業的建設，提升教師工程教育能力，學院以請進來的方式，聘請相關企業具有豐富工程經驗的工程師為團隊專業教師開設化工實驗設計類課程。

4 仿真教學適應新工科發展的新要求與新任務

近年來，教育部十分重視虛擬仿真教育教學的開展推進，中南大學化工原理教學團隊也極其注重通過虛擬仿真來強化學生對化工原理課程理論知識點的理解。學院機房擁有東方仿真與歐倍爾兩家軟件公司的大部分3D仿真軟件，學生可以自主在學院機房進行仿真練習，同時還開放了相關的遠程訪問登錄賬號，讓學生足不出戶、在家也能進行仿真學習。特別是新冠肺炎疫情防控期間，學生的實驗課、實習課均通過遠程虛擬仿真的形式進行，指導教師在后臺能實時掌控學生的仿真學習進度與得分情況，很大程度上解決了學生無法到校參加實驗實習課的難題。

除了購置軟件公司的相關仿真軟件外，自2015年起中南大學國家級虛擬仿真教學中心與化工原理教學團隊每年舉辦校級礦冶工程化學虛擬仿真大賽，緊密結合中南大學礦物、冶金、化學、化工、能源、環境類專業實驗、實踐教學培養方案、化學基礎課程及專業課程的教學大綱，利用現代網絡通信技術、多媒體技術和虛擬現實技術，設計高度仿真的虛擬實驗環境和虛擬實驗項目，特別是高污染、高危險、高能耗、高溫、高壓下的實驗項目，滿足學生在虛擬環境中開展交互式仿真實驗的需求，比賽所提交的項目反過來又可以作為今后本科學生進行虛擬仿真教學的素材，做到以賽促學、以賽促建。

2020年12月18～20日，湖南省化學化工虛擬仿真邀請賽暨教學研討會召開(如圖1)，共有來自全省22所高校的90余名教師及150余名學生參加。大會由湖南省化學化工學會和湖南省大學生化學化工學科競賽委員會主辦，中南大學創新與創業教育辦公室和化學化工學院協辦，中南大學礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心(國家級)與中南大學化工原理教學團隊承辦。與會代表積極參與了虛擬仿真競賽及實驗教學研討，共同探討化學化工虛擬仿真資源的共建共享，中南大學礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心(國家級)教師對校外師生進行了虛擬仿真項目開發培訓，并舉辦了邀請賽，大會的召開對于進一步提升湖南省化學化工虛擬仿真一流本科課程建設及學科水平，培養創新型人才意義重大。

圖1 湖南省化學化工虛擬仿真邀請賽暨教學研討會現場

2021年，中南大學化工原理教學團隊將此項比賽推廣到湖南省教育廳，舉行了湖南省第一屆大學生化學化工虛擬仿真競賽(如圖2)，賽事由湖南省化學化工學會主辦，湖南省大學生化學化工學科競賽委員會承辦，參賽學生團隊在規定的時間內提交完整的、與項目完全一致的源代碼及數據庫(含密碼)以及安裝、使用說明文檔，湖南省高校均積極參賽，極大地促進了湖南省化工虛擬仿真技術水平的提高。

圖2 湖南省第一屆大學生化學化工虛擬仿真競賽(初賽)通知截圖

5 化工原理理論、實驗、仿真教學三位一體教學模式

中南大學面向當前新工科建設的需要，采用化工原理理論、實驗、仿真三位一體教學模式，讓理論與實踐密切結合，讓理論指導實踐，在實踐中進一步使理論知識得到升華。

理論教學方面，更新教學理念，強化工程觀點；改進教學方法，利用現代教育手段、促進教育教學質量的提高；注重各門學科之間的交叉融合；適應社會發展需要，不斷更新知識體系；探索實施產學研一體化的教學模式；課堂教學采用SPOC+翻轉課堂，促進教學質量提高；更多地引入案例教學，導入工程實例，提高學生工程意識，建設化工原理一流課程。實驗教學方面，將實體操作適時安排在相應的內容章節教學之后，讓學生能及時將理論知識與實驗實踐相結合、融會貫通。仿真教學方面，采取虛擬仿真的方式加強學生對于化學化工單元操作的理解，通過學科競賽提高學生虛擬仿真操作的動手能力。化工原理理論、實驗與仿真教學在學科交叉平臺、科研訓練平臺、創新實踐平臺、校企聯合平臺、學科競賽平臺、高校共建平臺、國際交流平臺中得到開拓與發展。

2017年，教育部高等學校化工類教學指導委員會與中國化工教育協會共同開始主辦全國大學生化工實驗大賽，比賽內容包括(A)化工原理筆試、(B)化工單元仿真操作和分析、(C)化工原理實驗三部分內容，此項賽事內容結合了理論、實驗、仿真三個環節，因此中南大學化工實驗教學團隊提出理論、實驗、仿真三位一體教學模式，正好具有與化工實驗大賽相同的理念。近年來，中南大學積極參賽，代表隊在前四屆全國大學生化工實驗大賽全國總決賽中取得特等獎1項、一等獎3項的優異成績，這也正是三位一體教學模式成功實踐的重要體現。

6 結語

高等學校化工類專業“新工科”建設對化工原理及實驗等化工類專業核心課程教學提出了更高的要求，中南大學化工原理教學團隊堅持理論、實驗、仿真三位一體教學模式，做到三者融為一體、相互貫通，真正實現理論聯系實際，提高大學生的動手操作能力與信息化虛擬仿真能力，極大地促進了大學生專業基礎素質的全面發展，用行動踏實踐行了“以本為本”的教學理念。