基于虚拟仿真的化工安全与环保课程教学改革

田文德 赵 军 陈秋阳

(青岛科技大学化工学院,山东 青岛 266042)

青岛科技大学化学工程与工艺专业为国家级特色专业和教育部卓越工程师计划专业，拥有国家级实验教学示范中心和国家级虚拟仿真实验教学中心，两次通过中国工程教育专业认证，2019年被教育部认定为首批国家级一流本科专业建设点(教高厅函〔2019〕46号)。本专业于2006年开设了专业必修课《化工安全与环保》，用于支撑化工工艺对人、环境和社会影响的专项指标点，使学生能在工艺设计和工程实践中考虑社会和谐和可持续发展因素。10余年来，课程组从教材建设、教学资源开发和课堂教学等方面进行了深入的改革与实践。

1 课程与教学改革要解决的重点问题

化工专业作为传统工科专业，距新工科要求的工程实践能力强、创新能力强的卓越拔尖人才培养目标还有一定差距，具体表现为[1]：

⑴工程设计中安全与环保意识弱化。化工设计环节让学生在解决现实化工问题的过程中得到锻炼，但对外界扰动、误操作等条件下的装置安全和环境问题考虑较少，缺乏相应的本质安全设计方法指导和环境影响后果分析。

⑵化工安全与环保实践不足。出于企业现场安全要求和设备条件限制，学生实习中只能了解化工装置的正常运行参数，无法获取化工安全与环保方面的实践机会，导致学生化工安全生产和环护意识不足。

课程组依托化工过程与装备国家级虚拟仿真实验教学中心，基于OBE理念对化工专业中的理论设计和实践教学环节进行安全与环保方向的改革与实践，在夯实典型化工单元操作和工艺流程理论教学的同时，突出化工专业本质安全设计及虚拟仿真安全实训功能，实现新工科背景下卓越拔尖人才的培养[2]。

2 课程内容与资源建设及应用情况

化工专业的培养目标要求学生不仅要能进行正常工况下的工艺设计，为企业赢得更多的利润空间，还要求能考虑异常工况下的安全问题、解决措施，并考虑设计方案对生态环境的影响，为企业赢得更多的社会效益。所以，本课程以化工安全基本理论、化工单元安全分析、化工工艺安全分析、化工本质安全设计、化工安全与环境防护为主线，从装置生命周期角度融汇化工装置本质安全设计、安全操作、清洁生产等内容，提高学生解决复杂化工过程安全问题的能力。教学过程中，注意深度挖掘案例教学中蕴含的思政教育要素与所承载的育人功能，将启发学生探究安全与环保问题和爱国主义教育结合起来，让学生理解化工从业中应承担的社会责任[3,4]。

在课程教学资源建设方面，自主研发了大型化工过程动态虚拟仿真商品化软件DSAS，开发了合成氨、甲醇、氯乙烯等一系列复杂工艺仿真软件[5]。这些优质的教学资源为化工类专业学生构建了高度仿真的3D化工厂虚拟操作环境，帮助学生在化工过程装置的事故训练和环保分析中了解化工工艺操作原理和控制系统的动态特性，提高对工艺过程的安全运行和防控能力，符合当前化工安全与环保以预防为主的国家方针。

3 课程评价及改革成效情况

教学过程采用形成性评价体系，在70%的理论考试外，还包括：读书报告占10%，要求学生根据课程教学任务查阅化工安全与环保方面的最新文献，以规范报告形式对课程有所创新思考；仿真操作占10%，根据分组进行仿真操作，系统自动评分，考查学生探索式学习和容错性实验的能力，以及分析解决复杂化工问题的能力；平时测验和考勤占10%，通过课程网络教学平台加强对学生的过程性评价。

课程组自主研发了创新性化工仿真软件9套，实现了以学生为中心的自主性学习，目前已在7所兄弟院校推广使用。同时利用学校站群系统平台、超星泛雅平台及教育部产学合作协同育人项目，建设系列虚拟仿真教学资源，构建网络共享资源下的探究式教学新模式，成功获批国家虚拟仿真实验教学项目1项，出版教材9部，获中国石油与化学工业优秀教材奖一等奖1项、二等奖2项。

比如，为增强学生对化工反应器温度失控危险的体验感，课题组开发了甲苯氧化反应器虚拟仿真软件。该软件模拟了实际工业甲苯法生产己内酰胺装置的反应单元，作用是将原料甲苯用空气氧化，生产苯甲酸。仿真软件基于化工机理模型开发，能准确模拟因换热、进料等故障而导致的反应温度失控现象，便于学生直接观察异常状态发展趋势和制定应急措施。

课程特色与创新有如下几个方面。

3.1 建立了理论与虚拟仿真相融合的多层次化工安全与环保教学新模式

彻底打破传统单一的常规理论教学方式，探索灵活多样的化工异常工况及环境影响分析教学模式，针对不同类型事故采取“案例再现+异常工况分析+环境影响评价+虚拟仿真处置+安全设计”的知识链有机穿插教学重点，融合网络课程、新形态教材、虚拟仿真实验等多层次教学资源，强化师生、生生互动，提高学生应对异常工况的自主分析能力。2018年，课程组的“面向应急能力提升的化工安全虚拟仿真实践教学模式的研究”项目获批为山东省本科教改重点项目。

3.2 构建了探究容错式化工安全与环保虚拟仿真实验教学新情景

自主研发了DSAS动态模拟与分析软件平台，在30余家化工企业成功应用。产教融合，搭建高度仿真的化工异常工况虚拟实验环境，解决由时间、空间、设备等条件限制而导致的化工安全与环保实验“做不好、做不了、做不上”的难题，形成以学生为本、知识培养与能力培养并重、实验与理论教学互通的新型教学模式。2015年，课程组获批化工过程与装备国家级虚拟仿真实验教学中心(教高厅函[2015] 3号)。2019年，课程的“催化裂化吸收单元3D虚拟仿真综合实验”项目被教育部认定为国家虚拟仿真实验教学项目(教高函〔2019〕6号)。2020年，该课程被山东省教育厅认定为山东省一流本科课程。

4 结论

《化工安全与环保》课程对工程实践知识点讲授和能力提升具有较高的要求，虚拟仿真是弥补校内教学资源不足的有效手段，对学生提高安全和环保意识具有重要的补充作用。在课程后续的建设中，将持续更新课程的在线开放平台，不断丰富案例分析、问题分析与解答资源库，提高学生课前、课中和课后的线上自主学习学时，与线下面授有机结合开展翻转课堂、混合式教学，创新“互联网+”环境下以教师为主导、学生为中心和基于问题求证的多元化教学模式，实现课程教学资源的共享与开放。