“新工科”背景下融合信息化技术的化工专业理论与实践教学探讨

徐 威 渠吉发 胡丽华 丁良辉

(南京工程学院 环境工程学院，江苏 南京 211167)

步入新时代，信息就如同“血液”一样流淌在社会各行各业中，现代信息技术已经广泛渗透并影响着于人们的生活、学习和工作。高等教育也不例外，从国家层面的教育发展规划到学校一线教师的探索应用实践，从现代信息技术辅助教学，到信息技术与教育教学深度融合发展，现代信息技术必将使得教育教学产生较大的变革[1]。中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》明确指出“加快信息化时代教育变革”“利用现代技术加快推动人才培养模式改革，实现规模化教育与个性化培养的有机结合”等具体的方针及措施。化工作为传统的基础学科，在领域技术的快速发展、教学设备以及个人认知理念的更新的背景下，传统化工课程教学体系和教学方式呈现出诸多不足，不但限制了课程建设的发展，也影响了化工专业学生的就业、创新创业能力。现代信息化建设为化工专业教学注入了新的灵魂，提供了新的驱动力[2]。

1 信息技术化解理论教学难题

1.1 抽象知识的可视化与动态化

化工课程，特别是专业基础、专业核心课程，具有综合性强、知识涉及面广等特点，往往需要综合数学、物理等基础学科知识与技能，课程中需要涉及大量的数理符号、复杂公式，导致学生理解起来非常困难，甚至会产生厌学情绪。

以化工传递过程为例，它是对化工核心“三传一反”中“三传”现象和问题进行更一般化的分析，建立更一般化的数学模型。由于其看待问题的一般化及谈论的是共性，所以是抽象的，导致学生和老师普遍感觉传递现象难懂、难学。利用现代模拟与仿真技术则可以将流动、传热、传质过程生动地呈现在学生眼前，让书本上“黑白”、“静止”的公式“色彩纷呈”、“生动活泼”起来。例如，图1就是基于传质过程理论通过软件仿真得到的结晶器中不同时刻颗粒浓度的浓度分布云图，在课程相应章节的开展过程将这些内容以图片、动图、视频的形式展现给学生，可以极大提升学生的学习兴趣，促进理论知识的理解与掌握。

图1 结晶器中不同时刻颗粒浓度分布云图(单位：kg/m3，(a) 50 s，(b) 100 s)

1.2 师生交流的常态化与便捷化

师生交流互动是教学的重要组成部分，好的交流互动是提高教学质量的有效保障。然而，由于授课模式的进一步转变、师生性格与思维方式的差异等多方面的原因，近些年来，师生普遍感觉相互交流不够频繁、不够深入。这一方面导致教师在教学过程中难以收到及时、真实有效的反馈，使得“因材施教”、差异化教学工作实施困难，效果不显著；另一方面，学生在学习过程中要么不求甚解，要么苦思不得其解后放弃，走入“误区”，钻进“牛角尖”，甚至诱发或加剧心理健康问题。

在信息技术的支持下，师生的交流方式更加多元化，并具有交流通道上的可视化和痕迹化、交流内容上超链化和多元化、交流形式上的点对点化、交流对象的多层次化等特点。在课堂维度上，通过课程网站、课程平台、班级QQ群、微信群或者云课堂布置作业，发布课外拓展的学习内容。在课外维度上，通过及时通讯、论坛等形式实现师生间实时或留言式的互动沟通交流，解决学生学习中的困惑、探讨课程及学科中的问题[3]。

2 信息技术提高实践环节效率

2.1 “线上线下”“虚实结合”的实践教学

化工专业实习与实践是实现高等院校工程教育专业人才培养目标和毕业要求的重要教学环节，是工程教育与企业生产工艺及社会实践相结合的重要环节。传统实习都是工人师傅讲、学生看和听，没有实际操作的机会；同时，由于化工厂区、生产的安全与环保要求，很难安排大量学生、集中时间的实习，导致实习工作开展不顺畅、预期效果很难达到[4]。

借助虚拟现实、5G通讯等信息化手段，通过构建全网规划部署虚拟仿真教学系统，可通过VR头盔、体感设备实现与系统间的体感交互，可以解决实习过程中存在的困难、弥补了实习质量的短板。以笔者所在教研室前期组织的毕业实习为例，在实施过程中一方面利用南京工业大学化工学院“环氧乙烷生产工艺实训虚拟仿真”，另一方面联系南京化工实训基地。通过校内仿真、现场仿真+实操的方式，推动了毕业实习工作的高质量完成，特别是在2020年疫情期间，融合信息技术的实践教学为人才培养方案的执行发挥了重要的作用。

2.2 基于现代信息技术的课程设计体系

化工课程设计中融入信息技术，改革传统的教学模式，可以充分体现学生的主体作用。如构建信息技术支撑的理实一体项目教学模式，将各种信息化手段贯穿于课前、课中和课后等教学的各个环节，从而改变了以往以教师为中心的学习方式，教师由知识的传授者变为指导者或咨询者。同时，现代信息手段通过图像、渲染等方式，能够更加生动活泼地展现课程设计的作品，增加学生的成就感与获得感。

以化工原理课程的实施过程举例：首先依据学情，布置任务、创设教学情境，再将教学内容、案例资料发放到课程网站等网络平台上。然后通过课程网站、班级QQ群、微信群或者云课堂布置作业、任务，发布课外拓展的学习内容。同时，再湿湿的全过程中，利用网络实现及时沟通、交流、答疑，促进课程设计及时、高质量地完成。此外，化工原理课程设计中涉及的设备结构、工作原理可通过flash动画和虚拟仿真展示，帮助学生充分理解；涉及到的设备结构及装配图借助三维软件绘制三维立体图，让学生感受、理解从二维平面流程图，转换为三维立体实际效果，帮助学生掌握知识点，极大提升了授课效果。

3 信息技术推动创新创业发展

3.1 贯穿全过程的专业竞赛与课外实践

随着信息化的发展，化工过程的智能化设计、运营程度越来越高，相应地，为专业人才培养设置的各类竞赛与课外实践对信息化工具的运行、智能化思维的体现愈发凸显。传统计算方法已经不能够很好的满足日益复杂的化工技术数据计算要求[5]。

以全国高校化工专业级别最高、参赛队伍最多、影响力最大的全国大学生化工设计竞赛为例，在作品的实施和评价过程中，就涉及流程模拟、设备计算与校核、管道三维布置、厂区三维漫游等一系列的专业软件和平台，特别是近些年来，在作品的评价中更是增加了人工智能、大数据等新兴概念的引导。可以说，在整个竞赛的全过程中信息化技术是其中重要的核心环节。在竞赛的过程中，指导学生掌握计算机联合绘图、模拟、数据分析等软件的思维和技能，引导其关注并运用信息化、智能化技术的前沿，不仅可以大幅度提高竞赛作品的质，还为毕业生走向现代自动化、智能化的工作岗位做好铺垫。

3.2 面向工业4.0的创新创业教育

“工业4.0”描绘了制造业的未来愿景，提出继蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术等三次工业革命后，人类将迎来以信息物理融合系统(CPS)为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命，化工行业的发展和未来也必将落入“工业4.0”的范畴。特别是在“大众创业、万众创新”指导思想的引领下，对化工专业培养的信息化需求更加强烈。

以影响力最大的“中国“互联网+”大学生创新创业大赛”为例，它要求参赛项目能够将移动互联网、云计算、大数据、人工智能、物联网、下一代通讯技术、区块链等新一代信息技术与经济社会各领域紧密结合，服务新型基础设施建设，培育新产品、新服务、新业态、新模式。这些要求无一不指向了信息化技术，关于创新创业的出发点和落脚点都体现了信息技术与教育教学的深度融合。以面向工业4.0的创新创业教育为抓手，把信息化技术糅合到教育教学过程中，将相关理念铭刻在学生心里，是培养具有创新创业眼界和实力的学生的重要手段。

4 结束语

信息化教学已成为“互联网+”时代提高教学质量与效率的关键。如何培养出国家、社会真正需要的化工类人才是教育教学的重点和难点[6]。针对化工学科、行业的特点，教育工作者应合理利用各种信息化技术，培养企业需要的化工类人才，培养独当一面的新时代创业人才。广大的教学工作者要继续强化“现代信息技术与学科教学融合”的教育理念，从教学模式、教学内容等多方面探索并构建新型的教学结构，探索符合学生认识发展规律的教学方法，卓有成效地开展现代化的教学。