新工科背景下化工虛擬仿真實踐教學體系的構建

＊李仲 夏旭東 孫丹 田維亮

（塔里木大學化學化工學院 新疆 843300）

“新工科”是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1]。而實踐教學環節是高校人才培養過程的重要組成部分，是培養具有實踐創新能力人才的重要環節，是理論教學的重要補充[2]。普通本科院校尤其是西部偏遠地區本科院校，受教學資源有限和教育經費不足等影響，其人才培養側重理論知識傳授，而輕視實踐創新能力培養的教學，從而培養的學生實踐創新能力不強、培養出來的技術人才與實際行業人才要求存在不匹配現象。特別是化工行業因工藝復雜，其生產過程存在高溫、高壓、易燃易爆、有毒有害等高危險性[3]，同時企業基于安全方面的因素，不樂于讓學生走進現場開展實踐操作實習，學生實習流于形式，實踐實習效果不明顯、實習質量不高[4-6]。因此，需要我們探索構建新的實踐教學體系以滿足“新工科”建設的新要求。

隨著計算機網絡技術的飛速發展，虛擬仿真技術也逐漸成熟和完善，這使得在實踐教學中引入虛擬仿真技術成為現實，虛擬仿真技術具有良好的互動性，學生可以在虛擬仿真的環境下體驗真實的場景，這對于學生的實踐能力鍛煉非常便利，尤其是對于條件受限的化工實踐教學，化工虛擬仿真技術能夠使學生不用走進工廠，在學校就可以模擬操作化工生產中流量、溫度、壓力、液位、組分等數據的生成及變化[7-9]。因此，將虛擬仿真技術與化工實踐教學有機融合，能夠有效提高化工實踐教學質量和效果，而且該教學方式不受教學場地與教學設備的制約，同時具有安全系數高、教學成本低等優勢，這對于普通本科院校快速提升實踐教學質量具有重要的現實意義。

1.化工虛擬仿真實踐教學體系的構建思路

化工虛擬仿真實踐教學體系的構建旨在將虛擬仿真模塊與實踐教學環節有機結合起來，搭建出符合 “新工科”要求的實踐教學人才培養方案，同時在最大化節約教學硬件設備的基礎上，創設出更接近企業現實的化工虛擬仿真實踐教學場景，使學生能夠在虛擬仿真實踐學習中，體驗到實際的工廠場景以及具體生產工藝過程，培養出更多具有扎實理論知識、實踐能力、創新能力的“新工科”化工人才[10]。

本文按照“新工科”建設要求，結合普通高校化工專業實際，提出借助虛擬仿真教學具有高效率、低成本、內容豐富和安全可靠等特點，將其融入到具體教學實踐過程，構建化工虛擬仿真場景與實際化工過程相匹配的化工虛擬仿真實踐教學體系，打破傳統實踐教學的時空界限，將虛擬的化工工藝引入到教學中，實現生產工藝與課堂的零距離，進而培養學生的創造力、設計能力和工程實踐能力。通過實踐教學模塊與虛擬仿真的有機結合，構建由理論教學、仿真操作、實訓操作等有機結合的化工虛擬仿真實踐教學體系（圖1），探索化工虛擬仿真實踐教學新思路、新理念，不斷提高學生的實踐和創新能力，有效解決化工實踐教學被弱化的問題，以推動化工實踐教學改革，為新工科建設注入新內涵。

圖1 化工虛擬仿真實踐教學體系的構建思路Figure 1 Construction ideas of the virtual simulation practice teaching system of chemical engineering

2.化工虛擬仿真實踐教學體系的路徑設計

作為地處新疆大地一所普通本科院校，塔里木大學秉承紅色傳統、不忘初心，以培養下得去、留得住、用得上、干得好的應用型人才為歷史責任。塔里木化工虛擬仿真實踐教學體系的構建旨在克服學校辦學設備不足，企業實踐流于形式等條件限制，挖掘出更為合適的實踐教學體系。本文依托塔里木大學現有化工教學資源，并結合塔里木大學化工專業人才培養方案，將虛擬仿真技術引入到實踐教學的各個環節，通過將實驗課程、實習課程、專業認知、生產實習以及創新訓練等實踐教學模塊與虛擬仿真模塊的有機融合，構建出符合普通本科院校人才培養要求的化工虛擬仿真實踐教學體系，如圖2所示，不斷提升學生實踐創新能力，其具體實施路徑如下：

圖2 化工虛擬仿真實踐教學體系的路徑設計Figure 2 Construction path of virtual simulation practice teaching system of chemical engineering

(1)專業實驗與虛擬仿真的有機結合模塊

本模塊主要涉及化工原理實驗和化工專業實驗等兩門課程，主要包括理論知識、虛擬仿真操作和實訓操作三部分內容，理論知識主要借助超星學習通翻轉課程實施，包括電子教材、教學課件、教學視頻以及實驗項目演示視頻等基礎知識內容，此部分為學生自學完成。學生自學完成理論知識后才能進行虛擬仿真部分練習，虛擬仿真部分包括虛擬仿真基本操作演示和虛擬仿真考核兩部分組成，只有虛擬仿真考核通過的學生才能進入下一步實訓操作，虛擬仿真實驗項目和實訓操作實驗項目一一對應，一虛一實。通過這種虛擬結合操作練習，增強學生學習效果和提高實驗教學實踐教學質量。

(2)課程實習與虛擬仿真的有機結合模塊

本模塊主要涉化工原理、化工制圖、化工工藝學、精細化工工藝學以及化工設計等5門專業課程實習，此類課程實習主要考察學生化工專業知識掌握能力，是強化學生專業能力的課程。本模塊主要運用虛擬仿真技術構建典型化工單元操作和工藝操作流程、化工工藝過程、化工產品生產過程等虛擬情境，使學生體會到實際的化工工藝操作環境及工藝流程，學生通過這種沉浸式虛擬仿真操作練習，能夠強化其對化工理論知識、化工單元和工藝流程的理解，也能夠有效解決了普通高等院校教學資源不足和實驗室安全問題。

(3)化工認知實習與虛擬仿真的有機結合模塊

認知實習是學生從了解化工生產知識到親自動手操作的理論與實踐基礎，認知實習可以使學生從煩瑣的專業理論中迅速走向實踐，以適應當今化工行業發展的技術人才需要。本模塊主要構建化工設備拆裝3D仿真、化工儀表3D裝置以及化工危險源認知等虛擬仿真平臺，首先讓學生通過虛擬仿真平臺對化工常見生產設備的結構和性能特別是大型設備、化工安全等進行熟悉和了解，然后再帶領學生進行化工廠開展實地認識實習，以增加學生在工廠認知實習中的興趣和熱情，提升認知實習效果和化工安全意識。

(4)化工生產實習與虛擬仿真平臺的有機結合模塊

化工生產實習主要是使專業學生熟悉化工廠的生產場景和生產工藝，了解化工單元過程和實際化工設備，在實習中獲取對化工生產過程及工藝的感性認識，提高學生的專業素養和實踐能力。本模塊主要構建包括石油化工3D工廠仿真、煤化工3D工廠仿真、氯堿化工3D工廠仿真、合成氨3D工廠仿真以及安全事故演練3D仿真等虛擬仿真平臺，根據學生生產實習企業不同，有針對性地開展不少于10天的虛擬仿真實訓，以鞏固學生化工專業知識，熟悉化工廠相關工藝流程和環境等。通過這種虛擬仿真工廠實訓，以克服傳統生產實習存在的安全風險高等諸多問題。學生也只有通過相應工廠仿真考核尤其安全事故演練仿真后，才能進入實際化工廠開展生產實習，以降低安全風險和提升生產實習效果。

(5)創新創業訓練與虛擬仿真平臺的有機結合

創新創業實踐教學主要有化工設計競賽、化工實驗競賽、科研實踐項目、創業實踐項目等。主要面向學有余力的學生，通過本模塊的學習，提高其創新實踐能力，培養其創新思維，根據本學科若干具有挑戰性的問題，激勵學生結合專業知識開展創新訓練，鼓勵和支持學生參加化工類各類學科競賽以及開展大學生創新創業訓練項目。針對創新創業實踐教學特點，本模塊主要構建虛擬仿真自主設計模塊以及結合化工模擬軟件比如Aspen plus等，為學生自主探索提供平臺和理論模擬支撐。借助虛擬仿真技術開展創新實驗，能夠彌補實驗條件不足的缺陷，同時還可以節約成本，提高實驗效率，通過虛實結合的創新實驗，能夠很好提高學生們的創新能力和科研水平。

3.化工虛擬仿真實踐教學的建設與成效

目前，塔里木大學聯合石河子大學、新疆理工學院等新疆高校借助虛擬仿真技術，開展了一系列化工實驗實踐虛擬仿真教學探索，主要在化工原理實驗、化工專業實驗等實驗課程建設方面取得了成效。2010年成立塔里木大學院級化工虛擬仿真實驗室，2019年塔里木大學牽頭的“傳熱3D &VR虛擬仿真綜合實驗”獲批國家虛擬仿真實驗教學項目，2021年獲批組建校級化工虛擬仿真實驗教學團隊（教學中心），2022年以化工虛擬仿真實踐教學體系為思路組建的“化工實驗課程虛擬教研室”入選教育部第二批虛擬教研室建設試點名單。

自2010年化工虛擬仿真實驗（室）教學中心開展建設至今，該中心現具有教學場所150多平方米，具有化工虛擬仿真系列軟件60余套，基本能夠滿足全校化工虛擬仿真教學需求。該中心面向應用化學、化學工程與工藝、化學生物工程等專業，開設了物理化學實驗、化工原理實驗、應用化學綜合實驗、化工工藝學課程實習、高分子化學課程實習、專業實驗、化工認識實習、化工生產實習、化工實驗競賽以及化工設計競賽等實踐實習課程，每年受益師生約1500人次，每年培養培訓教師隊伍100余人次。近五年來，借助該平臺體系，獲批校級以上教改項目9項，發表教改論文11篇，出版教材4部，獲得校級教學成果獎二等獎1項，獲批國家級一流本科課程1門。但在省部級及以上教學成果獎的申報和建設上，還需要進一步創新實踐，為區域發展培養應用型創新化工人才繼續加大努力。

4.結語

新工科建設不僅需要樹立創新性、綜合化、全周期的工程教育新理念，而且需要構建新興工科與傳統工科相結合的學科新結構，而虛擬仿真教學正好適應于這種學科新結構，是推動新工科建設的新技術、新方法，但虛擬仿真技術不是萬能手段，它不能取代真實實踐教學，具有自身的局限性。因此各高校在構建化工虛擬仿真實踐教學體系時，要結合自身實際，立足現有資源，構建適合于普通本科院校要求的化工虛擬仿真教學體系，從而提升實踐教學效果，提升人才培養質量。