化工实验课程“线上线下”教学模式思考

段亨攀 胡承波 刘红盼 王维勋 杨和山 黄孟军

摘   要：化工实验以化工设备为依托，对设备的正确认知和操作是化工实验课程开展的重要内容。由于化工设备结构庞杂，传统的图文教学资料对设备表达不够清晰、抽象难懂，难以满足初学者对化工实验的学习需求。提出了化工实验“线上线下”教学模式，即以“线上”设备认知、软件仿真和“线下”现场实验教学为一体的教学方式，帮助学生深入理解化工设备结构、装配原理及实验运行过程。以此提高学生对化工实验的学习兴趣和教学效率。

关键词：化工实验;线上线下;教学;虚拟仿真

化工实验是对化工原理知识的检验和实践，是化学、化工制药类专业的基础实验课程之一。化工实验课程主要涉及流体输送、传热、过滤、吸收和精馏等单元操作，这些单元操作均以化工设备为载体，而化工设备装配复杂、控制点繁多，正确的设备操作是实验过程安全性和教学效用最大化的保证。随着计算机技术的发展，以“线上-软件模拟”结合“线下-硬件操作”的实验课程教学模式正在被广泛研究[1]，基于这一背景，并结合化工实验课程的特点，本课题提出了化工实验“线上线下”课程教学的开展思路。

1    化工实验特点及教学实施情况

1.1  化工设备特点

不同于基础化学实验，化工实验的开展需要借助大型的化工仪器设备，如精馏塔、过滤机、吸收装置等，这些设备尺寸规模较大，零部件装配复杂，管道连接交错，控制对象涉及温度、流量、压力等多个变量，控制点繁多，实验操作容错率较低[2]，而且为了实现连续运转和精准操控，许多化工设备还配备了各种控制器和显示仪表，使得设备结构更为复杂。因此，在化工实验开展之前，对化工设备的正确认知和熟悉十分重要。

由于化工设备规模大，在实验过程中处理的物料相对较多，加之这些物料大多易燃易爆或有毒有害，实验操作不当容易导致物料泄漏，危险性增加。有些实验甚至还需要在较高的温度和压力下进行，如精馏、超临界萃取等实验，实验条件相对苛刻，不正确的操作可能导致严重的安全事故。此外，化工仪器设备通常是金属材质，在实验过程中难以看清设备的内部结构以及物料运行情况，不可控因素增加，这些情况不免使得初学者对这群“庞然大物”望而生畏。

1.2  传统化工实验课程开展情况

为了提高化工实验课程的教学效率，课程教师一般会在实验前提供化工设备的说明书及实验操作规程等资料，以供学生预习。但由于化工设备装配的复杂性，这些看似详尽的二维图纸材料对于初学者来说仍然生涩难懂，在看到仪器设备实物之前，还是难以想象出完整的设备立体装配结构和物料的控制及流向，实验预习效果不佳。化工设备价格昂贵，维修成本高，大多数院校实验教学中心可提供的化工设备台套数较少，实验教学过程中难以让每个学生都得到充分的操作学习机会[3]。由于对化工设备及实验运行缺乏全面的了解，加之现实生活中各种化工企业生产车间爆炸的负面新闻时有报道，容易使学生对化工实验产生恐惧、抗拒心理，导致在实验过程中过于谨慎，甚至不敢操作设备，实验教学效率低、学习效果差强人意。另外，有些化工设备长期处于老化待修状态，为防止实验教学事故，有些教师在教学过程中只做演示讲解，而将化工设备作为模型摆设，学生参与化工实验操作程度低，没有达到实验实践教学的目的。

2    现代化教学手段在化工实验教学中的优势

2.1  化工实验设备表达方式的多样化

在计算机软、硬件及互联网技术蓬勃发展的今天，教学模式已经从传统的口述和单一的文字视觉传递过渡到现在以多媒体为主的多元化课堂，教学资源也更加丰富[4]。化工实验课程的教学资料不再只是传统生涩难懂的平面图文，化工设备还可以借助三维视图、动画模拟和设备实物录像等多种手段表达，细微的部件组成、复杂的装配方式和隐蔽的内部结构等都可以通过先进的视图和软件模拟技术解析呈现。同时，以手机为代表的移动互联网终端使教学更加便利，学生可以随时随地获取和在线浏览化工设备的音视频和动画模拟等资料，这些丰富的教学资源可以帮助他们更容易地读懂化工单元设备，提高学习兴趣。

2.2  仿真模拟与实验实践的有机结合

课堂的教与学正在享受着科技进步带来的红利，教学方式不断朝着多元、高效、便捷的方向发展，诸如可视化教学、云课堂等模式日益成熟[5-6]。目前，以理工科为代表的计算机软件仿真课程与实验实践课程相结合的理实一体教学模式正在步入高速发展的阶段[7]。基于上述化工设备和实验运行的特点，化工实验教学的开展如果只是完全依靠实验现场教学，教学效率低，而且实验过程安全性难以保证。为此，在化工实验室现场教学实施之前，可先通过“在线”的设备动画模拟认知，熟悉设备的操作流程，同时，利用虚拟仿真軟件进行实验操作练习，优化实验条件。这种“线下”现场操作前的“线上”虚拟演练，可以大大提高实验现场教学的效率和实验过程的安全性。

3    化工实验“线上线下”课程建设

3.1  “线上”教学资源的开发

化工实验“线上线下”教学的开展关键在于“线上”教学资源的开发和运用。首先，任课教师作为课程的主导者，应该主动承担起化工实验课程改革和建设的重任，在“线上”教学资源的挖掘和课程准备方面投入时间精力，多方争取主管单位对课程建设的支持，推进课程教研教改。对于化工设备结构的线上认知教学，目前，许多网站已经共享了各类设备的图文、动画和视频等教学资源，教师在备课的过程中应充分挖掘和收集，避免重复建设。值得注意的是，由于不同设备厂商提供的化工设备结构、功能有所差异，筹备的视图资料应尽量与实际教学设备相匹配，当然也可以根据这些现有的视图资源进行二次开发，制作符合自己教学实际情况的教学资料。此外，还可借助计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、3d Max等专业绘图软件，师生合作共同制作化工设备的视图教学资料;特别是CAD工程制图作为化工专业的必修课程之一，将不同课程知识交叉融合、活学活用，可以有效提高学生的综合能力。当然，教师还可以通过提前录制化工设备现场教学视频，以供学生在“线上”对实验课程进行预习和视觉学习。

学校层面应该加大对实验“线上”课程的建设和改革力度，支持冲破学科界线，跨专业、跨学科组建教研教改课程团队，打造在线精品课程。一般来说，化工专业的教师缺乏计算机软件技术，而计算机专业的老师又不懂化工知识，如果将两个专业的老师交叉联合，组建化工仿真软件开发队伍，可以开发出符合自己学校特色、学科特点的设备模拟仿真软件，打造教学示范课程。

此外，通过推动产学研融合，搭建校企合作的桥梁，校企双方互惠共赢建设化工实验课程的软硬件精品资源[8]。如在现有的硬件设备基础上，化工实验教学中心和设备供应商合作开发配套的设备动画图，通过透视、解剖和局部放大等表现方法展现设备完整内外结构、装配关系和物料运行过程。同时，根据实验课程设计目标，开发配套的虚拟仿真软件，软件功能包括设备操作模拟练习模块、实验条件控制和设备响应模块以及实验数据输出和结果分析模块等。

3.2  设备认知-虚拟仿真-现场实验三位一体的线上线下教学模式实践

与传统的化工实验教学相比，“线上线下”实验教学模式增加了“线上”化工设备的多媒体认知和虚拟仿真实验。化工实验教学可以从设备认知、虚拟仿真到现场实验3个层次递进开展，让学生在预习时能“看”懂设备，模拟仿真时能熟悉操作步骤、把握实验规律，现场实验时能正确操作并达成预期实验目标。

实验前，先要求学生通过手机或电脑端在线学习化工设备结构，通过动画图示充分理解设备装配关系、实验原理和物料控制方式;然后，利用虚拟仿真软件在线练习实验操作步骤，研究实验条件改变对实验结果的影响关系，探索实验规律，为“线下”的现场实验操作条件设置提供依据。此外，利用仿真软件在线模拟错误操作引发的各种实验后果，通过反面案例阐述实验正确操作规程的重要性。只有经过在线仿真实验练习并考核通过后，学生才可以进行实验现场设备操作，这种“线上”的可视化实验仿真训练可以为“线下”的现场实验教学的有序开展提供保障，同时，还可以通过“线上”、“线下”的实验结果对比，研究造成理论与实践数据偏差的原因，提高学生对知识的综合运用能力。

4    结语

化工实验的“线上”课程主要涉及化工设备的可视化认知和仿真实验过程，意在打造生动、详细、易读的化工实验课程教学指南，帮助学生在脱离仪器设备实物时也能够容易地进行设备认知和实验学习。通过“线上实验模拟”和“线下实践操作”的结合提高化工实验教学的效率。

[参考文献]

[1]李   巍，朱家伟.基于线上线下混合模式的“通信原理”课程教学改革研究[J].无线互联科技，2019，16（19）：5-7.

[2]朱志君.化工原理实验的特点及重要性[J].化学工程与装备，2008（2）：123.

[3]尚冬梅.应用型高校化工类实验教学改革探讨[J].化工管理，2019（32）：21-22.

[4]喻興华.浅析“互联网+”在高校化学实验教学中的运用[J].化学工程与装备，2019（10）：342-343.

[5]郭玲玲，田   枫，梁吉胜，等.基于个性化学习的云课堂混合式教学模式的研究[J].教育教学论坛，2019（41）：190-191.

[6]李黔蜀.高职化工原理实验教学改革与实践[J].化学工程与装备，2019（11）：282-283.

[7]宋   莎.基于虚拟仿真实验教学平台的化工类专业应用创新型人才培养模式[J].化学教育：中英文，2019，40（22）：74-78.

[8]刘厚堂.产学研一体化的化工教学实践探析[J].现代经济信息，2019（21）：441.