應(yīng)用轉(zhuǎn)型下化學(xué)類專業(yè)仿真模擬教學(xué)體系優(yōu)化*

于淑媛，王福萍，鄭慧敏，曹 健，李桂花，張成根

(廊坊師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

當(dāng)前，我國已經(jīng)進(jìn)入高等教育體系新階段，需要應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才來適應(yīng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展的要求。2015年10月，教育部明確提出部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變[1-2]。廊坊師范學(xué)院積極推進(jìn)轉(zhuǎn)型發(fā)展，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成效顯著，2020年成功入選河北省第二批應(yīng)用轉(zhuǎn)型發(fā)展試點(diǎn)高校，著力培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型人才。

1 化學(xué)類專業(yè)仿真模擬教學(xué)的必要性

由于受師資、經(jīng)費(fèi)等客觀條件的限制，現(xiàn)有化學(xué)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)條件不能滿足學(xué)生的實(shí)際需求。特別是疫情期間，時(shí)間和空間受到很大限制。在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作及教學(xué)能力方面存在以下問題：(1)化學(xué)教學(xué)中存在關(guān)于放射性、高危險(xiǎn)、高污染、有毒有害、易燃易爆、抽象理論難以通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)完成的瓶頸問題；(2)化學(xué)類生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜、價(jià)格昂貴，有的大型儀器和設(shè)備只有一套甚至沒有，并且分組實(shí)驗(yàn)開設(shè)太少，學(xué)生所受訓(xùn)練不夠充分；(3)不同專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)不同，需要分類對(duì)待開設(shè)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；(4)疫情期間，學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)間和實(shí)驗(yàn)分組人數(shù)有限制。這一系列現(xiàn)實(shí)困境在很大程度上制約了學(xué)生的發(fā)展，使其實(shí)驗(yàn)操作達(dá)不到應(yīng)有的水平[3-6]。

化學(xué)類仿真模擬實(shí)驗(yàn)無污染、低成本、可多次重復(fù)操作，還可培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)的習(xí)慣和理念。化學(xué)類仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)概念的提出至今已有幾十年的時(shí)間，目前國內(nèi)的一些高校也建立了化學(xué)類仿真模擬實(shí)驗(yàn)室[7-14]。仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和優(yōu)化正是順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和復(fù)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的現(xiàn)實(shí)需要，構(gòu)建比較完備的化學(xué)類專業(yè)仿真模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，是普遍關(guān)注的問題。

2 我校仿真模擬教學(xué)體系優(yōu)化探索

我校為河北省第二批應(yīng)用轉(zhuǎn)型發(fā)展試點(diǎn)高校，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院現(xiàn)有化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)和材料化學(xué)三個(gè)本科專業(yè)，其中化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)為河北省一流本科建設(shè)專業(yè)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和高分子化學(xué)為省級(jí)一流本科建設(shè)課程。近幾年結(jié)合一流本科專業(yè)、課程建設(shè)和我校應(yīng)用轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，按照服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)和培養(yǎng)創(chuàng)新性、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)宗旨，針對(duì)化學(xué)類專業(yè)的教學(xué)需求，我院積極探索構(gòu)建適合地方本科院校化學(xué)類專業(yè)的仿真模擬教學(xué)體系，提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

表1 化學(xué)類分專業(yè)分模塊仿真模擬教學(xué)體系Table 1 Simulation teaching system of chemistry by specialty and module

2.1 整合優(yōu)化仿真實(shí)驗(yàn)課程模塊，構(gòu)建完善的仿真模擬教學(xué)體系

針對(duì)應(yīng)用轉(zhuǎn)型新形勢(shì)下地方高校大學(xué)化學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和需要，以我校信息化平臺(tái)和應(yīng)用計(jì)算化學(xué)研究所為基礎(chǔ)，依托我院河北省化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，以及應(yīng)用化學(xué)和材料化學(xué)兩個(gè)廊坊市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，與北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司、安徽省科大奧銳科技有限公司合作開展化學(xué)類專業(yè)仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)。如表1所示，中心設(shè)計(jì)并建設(shè)了五個(gè)仿真模擬模塊，分別為實(shí)驗(yàn)室安全及考試模塊、大型分析儀器仿真模塊、基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真模塊、化工操作仿真模塊和材料化學(xué)仿真模塊，并通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)開放共享。通過近幾年的運(yùn)行實(shí)踐，取得了良好的效果。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室安全及考試模塊

安全重于泰山，對(duì)于化學(xué)類專業(yè)，實(shí)驗(yàn)室安全又是重中之重。我校和安徽省科大奧銳科技有限公司合作開展了實(shí)驗(yàn)室安全及考試模塊。所有化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生在進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)之前必須進(jìn)行在線理論和視頻模擬學(xué)習(xí)，并考試合格后才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室安全學(xué)習(xí)包括用電安全、消防安全、化學(xué)危險(xiǎn)品、實(shí)驗(yàn)室安全、新手安全、生物醫(yī)學(xué)、輻射防護(hù)、治安防護(hù)等方面。學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)培訓(xùn)并合格后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，安全警覺性明顯提高，操作更規(guī)范，有利于實(shí)驗(yàn)室安全的長(zhǎng)治久安。

2.1.2 大型分析儀器仿真模塊

大型分析儀器仿真模塊，包含氣相色譜儀仿真、氣質(zhì)聯(lián)用儀仿真、液相色譜儀仿真、凝膠滲透色譜儀仿真、X射線單晶衍射儀仿真、核磁共振波譜儀仿真等項(xiàng)目。因?yàn)榇笮蛢x器價(jià)格高，配套少，分組人數(shù)太多又不能起到應(yīng)有的教學(xué)效果，而大型分析儀器仿真訓(xùn)練起到了很好的作用。學(xué)生在儀器操作之前，先進(jìn)行儀器操作仿真訓(xùn)練，掌握儀器的組成和操作，對(duì)后面的儀器實(shí)驗(yàn)起到事半功倍的效果。不同化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生，可以根據(jù)不同專業(yè)的儀器需求進(jìn)行選擇性的儀器仿真模擬訓(xùn)練，針對(duì)性強(qiáng)，選擇自由，效果良好。

2.1.3 基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真模塊

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真模塊，包括無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。針對(duì)化學(xué)專業(yè)，開設(shè)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目，學(xué)生學(xué)習(xí)仿真操作、錄制微課視頻，并分組講解討論。從概念理解、課堂演示、報(bào)告撰寫、教學(xué)反思等方面加以提高，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。在教學(xué)過程中，采用翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，互動(dòng)性強(qiáng)，提高了學(xué)生的課堂積極性和學(xué)習(xí)效果。

2.1.4 化工操作仿真模塊

化工操作仿真模塊主要為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)，包含精餾塔、填料吸收、恒壓過濾、傳熱等基本單元操作和催化裂化工藝、乙醛氧化制乙酸工藝和葡萄酒生產(chǎn)工藝等綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。葡萄酒生產(chǎn)工藝仿真和乙醛氧化制乙酸工藝仿真實(shí)驗(yàn)克服了學(xué)生學(xué)習(xí)大型生產(chǎn)工藝時(shí)進(jìn)廠參觀和實(shí)踐的困難，通過計(jì)算機(jī)軟件仿真模擬使學(xué)生身臨其境，深入學(xué)習(xí)生產(chǎn)工藝和操作要點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力。

2.1.5 材料化學(xué)仿真模塊

材料化學(xué)仿真模塊主要為材料化學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)，包含聚氯乙烯工藝仿真實(shí)驗(yàn)、儲(chǔ)氫材料仿真和聚烯烴反應(yīng)機(jī)理仿真等綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。儲(chǔ)氫材料仿真[15]和聚烯烴反應(yīng)機(jī)理仿真[16]是根據(jù)老師們的科研成果轉(zhuǎn)化的仿真訓(xùn)練項(xiàng)目，結(jié)合最新科研動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)的科研素養(yǎng)。

五個(gè)仿真模擬模塊體系相輔相成，對(duì)于化學(xué)類不同專業(yè)選擇自由，重點(diǎn)突出。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室安全及考試模塊和大型分析儀器仿真兩個(gè)模塊，三個(gè)專業(yè)的學(xué)生都需要進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練。而對(duì)于其它三個(gè)模塊，化學(xué)專業(yè)側(cè)重于基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真模塊，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)側(cè)重于化工操作仿真模塊，材料化學(xué)專業(yè)側(cè)重于材料化學(xué)仿真模塊。通過實(shí)際教學(xué)運(yùn)行，起到了良好的培養(yǎng)效果。

圖1 聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of molecular structure of polyvinyl chloride

下面以聚氯乙烯工藝仿真為例，介紹仿真模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程及效果。氯乙烯的聚合方法在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，目前以懸浮聚合為主，少量采取乳液聚合法，仿真模擬實(shí)驗(yàn)流程采用懸浮聚合仿真法。聚氯乙烯(圖1)具有價(jià)格便宜、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、汽車、日用化學(xué)品等行業(yè)，與材料化工行業(yè)息息相關(guān)。聚氯乙烯在生產(chǎn)過程中需要真空條件、大型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，所以高校實(shí)驗(yàn)室并不具備開展此實(shí)驗(yàn)的條件，學(xué)生不能得到充分地訓(xùn)練，而仿真模擬實(shí)驗(yàn)起到了很好的訓(xùn)練效果。仿真模擬實(shí)驗(yàn)的組織教學(xué)分為實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)中操作和實(shí)驗(yàn)后總結(jié)報(bào)告三個(gè)階段。

實(shí)驗(yàn)前，先讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行預(yù)習(xí)，例如：“溫度高于多少度時(shí)，聚氯乙烯開始降解？”“本次實(shí)驗(yàn)制備聚氯乙烯采用的工藝是什么？”自主學(xué)習(xí)聚氯乙烯生產(chǎn)工藝、分組討論匯報(bào)，并提交預(yù)習(xí)報(bào)告。指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生們的預(yù)習(xí)情況，進(jìn)行針對(duì)性的講解，讓學(xué)生了解聚氯乙烯生產(chǎn)的背景、現(xiàn)狀，熟悉聚氯乙烯工藝過程和生產(chǎn)工藝，了解聚氯乙烯工藝主要工作崗位的工作方法、工藝、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及安全防范措施，為上機(jī)實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生學(xué)習(xí)聚氯乙烯工藝設(shè)備性能參數(shù)及操作規(guī)程；學(xué)會(huì)軟件中的操控畫面、閥門啟閉與調(diào)節(jié)，能根據(jù)操作要求對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；并且能夠獨(dú)立操作仿真軟件，完成聚氯乙烯工藝的全過程(圖2)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括開車準(zhǔn)備、反應(yīng)器注料、反應(yīng)溫度控制、聚料的成品處理、廢水汽提工段、回收工段等過程。實(shí)驗(yàn)過程中，讓學(xué)生體會(huì)反應(yīng)器注料的速度、溫度等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。為了與實(shí)際生產(chǎn)更緊密的結(jié)合，實(shí)驗(yàn)過程中模擬突發(fā)情況的處理，例如冷卻水中斷、泵故障、停電事故等。讓學(xué)生正確分析和處理操作中出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)學(xué)生分析并解決問題的能力。

圖2 聚氯乙烯工藝仿真圖Fig.2 PVC process simulation diagram

實(shí)驗(yàn)中同學(xué)們操作的結(jié)果有較大差別，30%以上的同學(xué)初次操作得分在80分以上，這些同學(xué)預(yù)習(xí)充分、操作規(guī)范，能夠順利得到合格的產(chǎn)品；大部分同學(xué)初次操作得分在60～80分之間；也有極個(gè)別同學(xué)，初次操作得分不及格，這些同學(xué)往往預(yù)習(xí)不充分，操作急躁，由于系統(tǒng)的慣性，使得生產(chǎn)情況超出基本限度，發(fā)生報(bào)警，最后生產(chǎn)出不合格產(chǎn)品，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。初次操作不合格的同學(xué)，可以重復(fù)操作，改正缺點(diǎn)、減少失誤，直到得到合格的產(chǎn)品。總之，任何一位同學(xué)都可以通過重復(fù)操作，熟悉工藝流程、模擬探索。

實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生根據(jù)自己實(shí)驗(yàn)操作情況撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生們學(xué)會(huì)了工廠的相關(guān)設(shè)備的開關(guān)車流程，在仿真模擬訓(xùn)練中總結(jié)了生產(chǎn)操作的經(jīng)驗(yàn)，吸取失敗的教訓(xùn)，從思考、失敗、再思考中受到訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力，為以后走上生產(chǎn)崗位打下了良好的基礎(chǔ)。通過近幾年的實(shí)踐，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作和實(shí)踐能力明顯增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了從學(xué)生到應(yīng)用實(shí)踐人才的轉(zhuǎn)變，學(xué)生們畢業(yè)后到相關(guān)企業(yè)能夠更快更好的進(jìn)入角色，受到用人單位的好評(píng)。

2.2 完善仿真模擬教學(xué)體系的考核環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)考核是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要手段，仿真模擬教學(xué)中采用項(xiàng)目成績(jī)綜合測(cè)評(píng)的方法，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)組成。重點(diǎn)關(guān)注實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)效果和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告的規(guī)范性，仿真設(shè)備正確運(yùn)用程度，實(shí)驗(yàn)操作過程中工藝流程的正確性和規(guī)范性，設(shè)備操作的規(guī)范性，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的文本格式規(guī)范性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論等。結(jié)合課程特點(diǎn)以及目標(biāo)，增加系統(tǒng)結(jié)果輸出、課程設(shè)計(jì)等多種評(píng)價(jià)方法，增加考核體系的靈活性，提高考核的效果，注重考察工業(yè)實(shí)踐能力。

2.3 科研帶動(dòng)化學(xué)仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和畢業(yè)論文，開展“仿真模擬創(chuàng)新實(shí)踐課”，組織學(xué)有余力、有科學(xué)研究興趣的同學(xué)盡早進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，接受仿真模擬科研實(shí)踐素養(yǎng)培訓(xùn)。我院有五位老師專門從事化學(xué)仿真模擬相關(guān)的科研工作，搭建了專門的由高性能計(jì)算機(jī)組成的仿真模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，積累了豐富的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)智能管理。老師們申請(qǐng)了多項(xiàng)與化學(xué)模擬相關(guān)的國家級(jí)和省級(jí)科研基金項(xiàng)目，也樂于為學(xué)生傳授先進(jìn)的模擬實(shí)驗(yàn)方法和仿真技術(shù)手段。在老師們的指導(dǎo)下，近年學(xué)生們申請(qǐng)獲批多項(xiàng)與仿真模擬相關(guān)的國家級(jí)和省級(jí)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目”，起到了很好的培養(yǎng)效果，增強(qiáng)了學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，很多學(xué)生順利考研到985、211和雙一流等重點(diǎn)院校進(jìn)一步深造。

3 結(jié) 語

通過整合優(yōu)化原有模擬實(shí)驗(yàn)課程，我院構(gòu)建了化學(xué)類分專業(yè)、分模塊的仿真模擬教學(xué)體系。在運(yùn)行過程中把仿真模擬課程教學(xué)和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、畢業(yè)論文有機(jī)結(jié)合起來，注重創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)訓(xùn)練，不斷提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。通過近幾年的實(shí)踐，特別是疫情期間，化學(xué)類仿真模擬教學(xué)體系起到了很好的教學(xué)效果，學(xué)生們多次在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、挑戰(zhàn)杯、全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)，各專業(yè)的畢業(yè)生就業(yè)率都保持在90%以上，在推進(jìn)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量上起到了示范作用。