化工设计基础课程的虚拟教学研究

胡立兵，时春辉

（塔里木大学 化学化工学院，新疆 阿拉尔 843300）

自我国实施大发展战略以来，化工行业迅速崛起，因此，化工企业在国家工业中占据不可或缺的重要位置。而大发展战略的同时，化工企业的前期建设设计蓬勃发展[1-2]。因此，亟须发展化工设计专业以促进我国化工企业的大力发展。化工设计基础作为塔里木大学化学工程与工艺专业的优势及特色课程是我校化工专业学生的必修课，更是本专业学生接触工艺设计的唯一课程。本课程综合地介绍了化工设计的整体流程和模式，为学生了解化工设计行业提供了一个很好的平台和契机，更为我校培养具有设计专业知识的人才产生了深远的影响[3-5]。

作为一门以工艺为主的课程，化工设计基础课程内容与生产方法及工艺流程息息相关，虽然课堂以案例的讲述为主，但是课堂的板书讲解及课件演示难以让学生身临其境并感同身受[6-8]。因此，学生的课堂认同感及参与程度依然薄弱。目前，在“新工科”的引领和号召下，高校对工科学生的培养不只是纸上谈兵，分析问题和解决问题的能力也成为了重点培养的方向和任务，但是从以往的教学情况来看，授课方式的单一化和考核方式的粗暴性使得“合班授课，课上讲述，课下练习”成为常态[9]。在这种情况下，学生独立思考和表达观点的机会在课堂上并不多见。在目前大环境背景下，“00后”们进入大学校园给大学校园带了更多的独立性和自我性，他们积极性高涨，在课堂上也更多地希望表达自己的观点。因此，教学过程中陈旧、循规蹈矩的教学方式已不适应现在的社会潮流，同时，伴随互联网的崛起与虚拟实验的充分利用，新的教学模式提出势在必行。

1 虚拟教学新转变

1.1 课程结构的重新架构

目前，化工设计基础的课程架构主要是以课堂讲授为主，为此，根据虚拟教学的适应性教学与课堂教学的有机结合，更好地体现并发挥最大的教学优势，需重新将课程结构划分为基础常识性、概念性课程与化工设计流程认知以及工程操作三部分。其中，第一部分主要以基本的化工知识为主，讲述了化学物质基本的理化性质及工艺流程的简单描述；第二部分主要以熟悉Aspen 软件基本框架为主，讲述了软件的各项功能，包括各项有机、无机物质的物性查询，各种化工设备的操作包含反应器、换热器、精馏塔等各种重要的化工设备；第三部分主要是以化工理论知识结合软件应用为目的，将软件中根据化工专业知识设定的设备参数及特定的工艺流程按照相关的操作要求及准则进行熟悉，以期达到规定的自主操作要求，进行独立操作演示并讲解。为了更好地进行虚拟教学和模拟教学，基础知识的讲解是十分有必要的，而工艺流程类需要与实际相结合，这就需要在模拟工厂操作时以边讲解边实习的形式进行立体式教学。这种教学方式不仅可以有效地利用本校优质的虚拟仿真教学资源，而且可以使在与基础知识相互印证的同时达到更具针对性和目的性的教学，同时也可以提高学生对所学知识得到应用的成就感和自豪感。

1.2 新型教学方法的应用

虚拟教学不但可以将工业搬到课堂上身临其境地进行操作，更是相较于现场安全易于控制，很大程度上提高了学生的吸引力和学习的积极性。对于课下讲解与虚拟仿真教学的各项优点，《化工设计基础》结合本校优质完善的虚拟仿真资源进行多资源多方法的整合，在原有传统教学的基础上进行改性和创新，运用多种方式方法对课程内容进行讲解。

（1）独立学习型教学模式

在以往的教学方式授课过程中，形象的工艺流程变成抽象且晦涩难懂的知识，即使可以通过合理的讲授依然很难让学生切身感受到认同感，导致学生无法理解实际生产与所学知识之间的必然联系，非常容易使学生产生学而无用的想法，进而导致学生丧失学习的信心和兴趣。虚拟教学可以有效地弥补传统教学的抽象认知，使学生对工艺有更加直观的感受，有利于提高学生的学习兴趣，激发学生对解决实际生产的能力认知。所以，在虚拟仿真教学时，利用高清的虚拟环境，学生可以进行模拟现场操作，根据具体情况老师提出相应的问题，并要求学生针对出现的相应生产现象进行解答。课后，学生自主独立地查阅资料，利用高仿真的操作，确认问题所在并解释产生此现象的原因。最后，老师总结学生的讲述，并运用理论知识对此现象进行讲解，最终将此问题由特殊化转变为普遍化。同时，安排学生总结，使理论知识与实际生产真正有机地结合在一起，由此，不仅使学生真正地了解了问题所在，更使学生对如何运用所学知识解决问题形成自己的理论，真正地实现将理论与实践相结合授课模式。

（2）动力催动式教学

在以往的教学过程中，教师作为主导者主要以讲授理论为主，学生通过图书馆或者互联网找寻问题的最优答案，如此学生对学习依然停留于理论探索的基础上，很难让学生获得解决问题的代入感和成就感。如果使用虚拟教学，教师就可以根据虚拟操作中碰到的实际问题结合当下热点问题布置一定量的作业，这些问题与课程知识和实际应用有机结合。这些问题不再是课程知识的简单表现，而是以使学生更加深刻地理解课程知识为前提，从而达到学以致用的目的。在利用虚拟教学教授《化工设计基础》过程中，作业问题主要是以工艺流程操作问题和设备构造和特点等工程任务为主，作业作为动力，要求学生通过查询文献和模拟操作试错，以及咨询老师等形式通过三人小组完成作业，小组成员和老师可以以课件形式进行讲解答辩。利用此种教学模式学生可以做到将所学的理论知识与看到的动手操作装置的特点和操作方式融为一体，从工程工艺的角度重新看待理论知识在工业生产上的应用及应用方式，进而将学生培养为具有优秀理论知识和实践能力的创新型人才。此外，利用学校优质虚拟仿真资源进行教学，这虽然对传统教学造成了冲击，但是提高了学生的积极性和主观能动性。最后，通过三人一组的形式对作业进行讨论，这无疑为学生提供了沟通交流的机会，也增强了学生理解和掌握实践理论知识的应用能力。

（3）翻转课堂

在传统教学中，学生对于知识的掌握主要来源于老师上课时的讲述，这种授课方式使得学生在学习时会产生很大的局限性，如学生的自主能动性难以调动起来，导致大部分学生始终以一种被动的形式学习，学习效率非常低。然而，《化工设计基础》作为一门工科课程，学生必须在理解的基础上才能有效地学习，因此，如何引导学生更好地理解课程内容是本课程出彩的关键。在新的教学模式——虚拟仿真教学下，传统教学转变为“动力催动式教学”，在此过程中学生可以对基本的单元操作拥有较清晰的认识。同时，在传统教学中，讲台授课使得学生与老师之间产生一定的距离感，这导致老师无法真正体会学生在台下听课的感受，学生亦无法感受到老师讲台授课时的感受。因此，为了减少师生的距离感并刺激学生的自主能动性，在虚拟仿真教学过程中，通过先模拟后工艺复述的授课方式将主体由老师变为学生。这样就形成一种学生在台上讲授其在模拟状况下掌握的工艺知识，老师在台下评估学生掌握知识的全面性，学生在讲授时需注重本工艺所采用的知识点的应用。这种师生角色互换不仅仅局限于本课程，更应掌握对所涉及的工科知识之间的联系，做到最大程度融会贯通，如此可以对学生掌握知识的多少有了一定了解，并对他们的错误认知进行修正；而且通过讲述的形式使学生真正地掌握此类知识。

（4）多学科融会贯通

随着新工科概念的提出并被众多高校实行，多学科之间的交叉学习及知识的融会贯通已成必然趋势。当化工专业评估及工程认证时，专业课程教学要求学生需要强化软件运用的同时，也需涉猎环保、设备机械原理、化工原理、安全操作等方面的相关知识。但是，由于教学课程有限等原因，授课老师在教授相关知识时无法将各个方面进行深入讲解，导致理论结合实际时落入下乘。而在虚拟教学中，不同的操作步骤均以专业知识为基础，学生与相关专业教师及同学间交流解决遇到的问题，这样学生就可以最大化地利用所学的知识。同时，充分利用学校优质的教学资源和分工明确的优势，一方面使学生与各专业教师之间增进师生感情，另一方面也使同学之间建立了深厚的同窗友谊。专业老师的讲解及同学间知识火花的碰撞营造了一种爱学习、主动学习的真实的学习氛围，使学生更好地了解各专业之间的内在联系及侧重点，进一步掌握所需技能及知识储备。

（5）思政融入

在新工科的背景下，思政教育作为当代大学生不可或缺的社会价值观、国家荣誉感建立的重要途径，教师在化工设计基础教学中传授相关课程知识的同时，更应实现相关的价值观的引领与督促。在传统的课堂教学中，教师往往将查询的资料作为课程思政的教育内容，但是这不可避免地导致思政教育内容与当前课程不协调不一致的情况发生，学生更是缺乏认同感和代入感。因此，本课程将虚拟仿真教学优势放大，这个过程很大程度上应用了国家在此工艺发展过程中涉及的真人事迹，将国家与个人的荣辱观紧密地结合在一起，让学生更加立体地感受国家与个人在工业发展中不畏艰难、艰苦奋斗的精神，使学生了解自己未来所承受的社会责任和社会担当，进一步提高了学生的家国情怀。以石油的常减压蒸馏为例，它着重讲述了我国从引进基础工艺到我国自主实现工艺的优化，以及全工段的工艺最优化，实现了对西方的全面赶超，使我国从全依赖国外技术到实现全部国产，这极大程度上增进了学生的民族自豪感并提升了他们对国家高速发展的信心。学生面对近真实的虚拟仿真工艺，身临其境，将国家兴衰与个人利益绑定在一起，对自身在社会发展中所要付出的责任义务，以及必需的职业道德有了更深的理解。

2 虚拟教学考核评价

为契合虚拟教学方式，全方位地考查虚拟教学效果及学生的掌握程度复杂而艰巨，考虑开设以下几种方式对其进行考核。

2.1 主观式考题的设计考查理论知识及思政融入性效果

依据课程虚拟化教学的设计，考核方式也做出相应的改变，将具有唯一答案考试进行重新编制，采用主观式考题，通过开放性的论文形式，使学生通过自己组团的方式，形成3～5人小组，将知识应用于实践中，成为涉及多学科、多知识点的综合应用型考核方式。以“请确定年产10万t 聚乙烯生产过程工艺的具体参数及设备，并讲述我国聚乙烯生产的发展历史与自己的社会责任”为例，论文没有统一的答案，每个小组将自己的设计思路通过所学知识的形式表现出来即可，考核方式由记忆性的客观考题变为更多应用性的主观测试，着重考查学生对所学知识的巩固程度、理解应用的能力、学科间知识联系的内在关系，并在一定程度上将课程融入思政的效果进行评价。

2.2 软件操作性测试考查应用性软件的熟练度

化工设计基础作为一个以软件操作为基础的课程，通过与各专业教师的交流沟通，在授课过程中增加了软件的操作性测试。其中，Aspen 操作是本课程教授的重点，软件操作的熟练程度决定了化工设计过程中的准确度及速度。操作考试均采用主观题进行考查，题目主要以简单的工艺组合为主，工艺参数在题目中给出。在操作考试过程中，学生通过所学知识自行设计整个工艺使之达到题目中所需的工艺参数需求及结果即合格。同样的，操作考试没有统一的标准答案，但是在应用软件过程中如果操作出现错误，软件就会报错，在有限时间内未报错并可以得到相应的结果即算合格。软件操作测试不仅提高了学生对软件应用的熟练度，更是在一定程度上使学生了解了设计的基本规律和流程。

3 课程改革成效

2021年开始，本校对学生的自主学习能力、知识的综合应用能力、对工艺问题的研究和创新方面的培养卓有成效，巩固了学生对化工行业的工作热情、职业素养，以及安全方面、环境方面等知识。结果表明，通过教学改革措施的实施，采用虚拟仿真教学改革后，虽然开始时学生适应较困难，但是学生对于学校要求的各项指标均已达标且达成度每年逐步上升。本专业学生的均衡设计路线及企业生产实习对学校的反馈情况体现出虚拟仿真教学带来的显著优势。同时，虚拟教学中思政元素的灵活融入对于学生了解当下社会化工行业的发展现状及未来的工作方式有了清晰的认识，这极大地提高了学生对本专业的认同感和自豪感，更是为企业培养了行业的专业人才，提高了化工企业对于学校的信任，推动了校企合作的新征程，翻开了校企合作的新篇章，为企业减短了前期培训时间和精力，提供了一定的经济效益。

4 结束语

化工设计基础课程是化工专业培养面向工厂实践应用的最重要课程，运用本校特色的虚拟仿真作为授课背景，将实践应用于多学科知识有机结合起来，把实践碰到的问题转变为真实的教学样本，把实践中的工艺转变为真实的教学大纲材料，把被动课堂授课转变为生动有趣的主动学习，同时使思政元素更自然更贴切地融入，从而实现了知识与应用、思想与道德的双向奔赴，更是提高了学生的主观能动性，加深了学生对工厂实践工作的认识，提升了学生的职业敏感性和社会责任感，极大程度上反映了当下教学的新方向，为接下来大学的人才培养提供了宝贵的经验。