虚拟仿真混合式实验教学在应用型本科院校化工专业的探索

刘小娟 吴锋景 颜东

(湖南工程学院材料与化工学院 湖南湘潭 411104)

根据《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），自2019—2021年期间，将认定万门左右国家级一流本科课程，其中，需要完成6 000 门左右国家级线上线下混合式一流课程和1 500 门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程的认定工作，目的是消灭“水课”，打造“金课”，让课程内容优起来、教学能力强起来、学生学习忙起来、学习效果实起来，形成具有专业特色的一流本科课程体系，构建更高水平的人才培养体系。

本着在应用型本科院校建立综合能力的培养目标，需要加强对学生实践能力，动手能力和工程设计能力的培养。化学化工课程一般是以实验和实践为基础的，但相关理论知识较为抽象，学生对知识的理解较为困难，加之提高学生解决问题和动手能力，均要依托于实验和实践教学[1-2]。针对当前学生对化学化工实验课程的学习方式的单一，学习过程的枯燥，因此对化学化工相关的实验课程进行了基于虚拟仿真的混合式教学模式的探索，以便提高学习的效果。

1 基于虚拟仿真的混合式实验教学开展的必要性

在2020年初爆发的新冠病毒疫情下，多数高校不能及时开学，理论课程的线上教学平台得以迅速发展，而相对于实验课程却没有较为成熟可用的教学平台，虚拟仿真实验教学资源便成为教师授课、学生学习的有效途径之一[3-5]。当前很多高校根据学科特点，开设了具有专业特色的虚拟仿真实验，作为实验教学的有益补充，或者作为实验教学的一部分。而湖南工程学院材料与化工学院针对学科特点，也相继在化工专业中进行虚拟仿真实验教学。

在传统的化工课程实验教学中，涉及的设备繁多且结构复杂，比如反应釜、干燥器、换热器、精馏塔和吸收塔等。在实验教学过程中，由于化工设备多为金属材质，设备的内部结构、仪器的运行状态、换热过程、液体流动情况等无法及时观察及检测，不利于学生直观了解仪器内部流体流动情况。在实验教学中需要进行的一些化工实验，由于原料价格昂贵，仪器设备不易获得，生产环节可能会产生挥发性有机物，以及酸、碱、重金属等有毒有害物质[6]，需要提供专业的环保设施进行处理，由于实验条件的缺乏，是不利于在学校实验室环境下完成实验的。此外，局限于设备台套问题，只能开展一些演示性实验和经典的验证性实验。比如：在该校开展的关于筛板塔塔板效率测定实验，上课时教师会讲述精馏塔实验的原理和目的，以及操作方法，然后进行原料酒精与水的混合溶液的部分回流，以及全回流的实验。实验过程中，学生按照讲义中提到的操作参数，比如进料流量、冷却水流量、回流比等进行设置，然后采集数据，编写实验报告。而关于实验过程中出现的操作问题，比如漏液、液泛和雾沫夹带等问题，少有机会进行实操，毕竟以后去企业工作，该实操经验的积累是远远不够的，不利于工程思维的培养。另外，由于化工企业生产的复杂性和危险性，像以天然气为原料的合成氨反应，原料易燃、易爆，反应常伴随高温高压，学生去企业实习，是不允许动手操作，且生产现场自动化程度高，很多工段通过DCS系统控制，对部分生产过程学生是看不到、摸不着的，不能得到有效的学习效果。

在教学开展过程中，课前教师需要手动签到，课中也需要手动记录操作情况、批改报告、总结成绩等，需要耗费大量精力来完成实验教学任务。因此，基于虚拟仿真的混合式实验教学方法探索是十分必要的。

鉴于此，结合改校化工专业实验教学情况，融合多种教学手段，对教学内容、教学方法及手段进行改革及创新，构建了基于虚拟仿真的混合式的化工实验教学模式，将优质虚拟仿真教学资源搬进实验教学课堂，开展形式丰富的实验教学，调动学生的学习兴趣，提升学习效果。

2 基于虚拟仿真的混合式实验教学模式的实施

2.1 基于虚拟仿真的混合式实验教学模式的建立

根据该院化工实验教学特点，实验教学模式采用“线上线下”混合式教学，虚拟实验和实体实验相结合，以及学生自主操作和教师在线辅导相结合的方法开展教学。关于“线上线下”混合式教学模式，涉及课前、课中和课后单个环节学生与教师的互动。课前导学阶段，学生通过登录学习通平台，进行虚拟仿真课程的“实验预习”，并完成思考题；课中学生在学习通上签到，老师讲授重难点内容，注意事项，提出问题，学生进行自由讨论，在实验过程中老师指导学生自主完成实验操作，分析数据；课后老师布置作业，提出问题，学生在学习通平台上完成作业，参与讨论。

而虚拟仿真与实体实验相结合，是学生在虚拟仿真实验结束后，需要开展实体实验，达到虚实结合。在完成部分实体实验后，进行学生自主操作和教师在线辅导相结合：学生在虚拟仿真实验中可以自主完成全部实验过程，对实验过程中出现的疑难问题，在线上教师可以给予及时指导。

2.2 实验教学内容

根据应用型本科高校的特点和虚拟仿真教学能实不虚、虚实结合的特点，结合专业特色和化工行业需求，现该院化工虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真软件主要设置有化工原理实验单元、化工操作实验单元和化工设计实验单元等虚拟仿真实验教学内容，并通过教学实践活动持续改进和完善教学内容。鉴于精馏实验开展存在诸多弊端，比如操作周期长、成本高、实验过程安全性差、部分极端条件无法展示等，该院利用精馏塔3D 仿真技术，主要包括精馏塔3D 设计型实验仿真软件，精馏塔工艺（脱丁烷）3D 仿真软件和精馏（水-乙醇）实验仿真软件。该系列精馏塔3D仿真软件内容主要有：精馏塔3D 设计型实验仿真软件，内容包括实验室预设危险源，设计任务，精馏塔实验设备以及相应的仪器、仪表和阀门等；精馏塔工艺（脱丁烷）3D仿真软件，涉及精馏塔冷态开车、正常运行、停车，精馏塔热蒸汽压力过高、过低事故，精馏塔冷凝水中断事故，停电事故，精馏塔回流泵故障事故和精馏塔回流控制阀阀卡事故等；精馏（水-乙醇）实验仿真软件，涉及塔釜加热升温，全回流、部分回流过程及数据处理等。

学生通过利用仿真软件设计精馏塔，并对设计进行实验验证，建立学生完整的设计理念，培养学生的创造力和实践能力，使学生深入系统地掌握精馏的工作原理及工艺流程，了解精馏过程的动态特性，提高学生对于精馏过程的认识，结合工程实践进行教学，能有效提高教学效果，促进学生的有效学习。

3 基于虚拟仿真的混合式实验教学模式的特点

基于虚拟仿真的混合式实验教学模式的特点主要采用线上线下教学，虚拟现实3D 仿真实验，“虚实互补”实验教学和教师在线辅导相结合的方法开展教学。

3.1 “线上线下”教学

为了使学生在课堂上能够更加高效率地理解所学知识，上课前老师通过学习通平台给学生发送学习任务清单和拓展资料，比如：在精馏塔仿真实验开展前，让学生了解精馏塔化工实验的原理、工艺流程和主要设备，并要求学生利用互联网了解精馏塔的工业应用及操作注意事项，了解相关虚拟仿真软件的主要内容，记录精馏工艺难点等。老师针对学生课前的学习情况，讲解实验的难点和核心内容。布置任务，让学生在仿真软件上自主完成任务，在完成任务过程中学生会发现问题，讨论问题，解决问题。在这样的学习模式下学生能够更专注、更主动地学习。当学习过程中遇到困难时，学生可以相互讨论，也可以与老师探讨。老师应尽量以启发式方式跟学生进行探讨交流，并在最后针对学生遇到的常见问题进行总结。在这种教学模式下，学生通过自主学习，与他人交流，学习能动性将会得到较大的提高。而老师的主要任务是通过讲授知识和协助学生解决问题的方式来促成他们的个性化学习。这种由学生主导，老师协助的教学模式可以活跃课堂，锻炼学生的综合能力，提高教学质量。为了让学生能够更加深入地理解和运用所学知识，巩固关键知识点，课后可结合老师课堂所讲内容再次操作软件，并总结自己操作失分的原因，完成仿真在线测试题目（老师在后台可以看到学生的测试情况）和实验报告，以及教师在线答疑辅导的方法开展课后教学[7]。

3.2 虚拟现实3D仿真实验教学

学生在虚拟仿真软件上自主学习。虚拟仿真软件模拟化学生产过程中的流量、温度、液位等数据，学生通过电脑输入各种参数来控制精馏过程，使学生在近似真实的环境中去了解、熟悉，并操作其中的虚拟设备，体验实验的真实过程，比如漏液、液泛和雾沫夹带等现象。这种类似于“玩游戏”的学习方法增加了学习趣味性，有利于提高学生的学习兴趣。特别是在一些实物实验难以呈现的特殊情况下的学习，如极端条件（如超高温、超高压等）和异常情况（停电、停水、泵故障等），虚拟仿真实验有着不可替代的优势。

3.3 “虚实互补”实验教学

比如：在虚拟仿真软件上的学习能使学生深入的了解精馏的原理、工艺流程，掌握精馏塔的操作步骤及异常情况处理方法，但是虚拟仿真实验过程中不能接触实物，无法真实感受化工的生产或实验过程，因此仿真实验对于学生动手能力的培养方面有所欠缺，而且容易引起学生学习理论与实践的脱节。在工程实践环节，学生在精馏塔实训装置上进行现场操作，完成在精馏塔的开车、正常运行、停车等实践步骤，做到虚实互补。

4 基于虚拟仿真的混合式实验教学模式的教学研究方法

4.1 排查法

虚拟仿真实验教学要求“能实不虚”，因此首先应该对化工专业的实验实践课程进行仔细排查，按“四高”（高能耗、高消耗、高污染、高危险）程度给实验课程依次排序，为后续实验内容的选择提供依据。

4.2 数据分析法

实施实验教学项目后，收集所有参加学习的同学的实验操作数据，包括操作错误点、实验时间、测试分数等，并分析学生的实验操作数据，为实验项目的持续改进提供依据。

4.3 访谈法

与学生进行交谈，了解学生对于虚拟仿真实验教学项目的意见，包括项目的难度、问题点、兴趣点、课程成绩的评定等，为后续项目的完善提供参考。

4.4 创新多样的教学方式方法

按照信息化时代背景下学生的需求特点，探索在虚拟仿真实验教学中应用不同的教学方法，重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学方法，对于学生倡导自主式、合作式、探究式学习方法。

5 基于虚拟仿真的混合式实验教学模式的教学效果

5.1 线上线下教学效果

课前，教师通过学习通教学平台发放预习资料，并预设几个问题。学生通过手机端便捷找到将要学习的内容，并带着问题去学习，这样以设问促教学，能有效提高学生的学习积极性。课后如果遇到问题，通过学习通讨论板块，跟他人积极交流，并且教师能在线进行答疑，可以提高学生的学习兴趣。

5.2 虚拟现实3D仿真实验教学效果

虚拟仿真实验的开展，能有效解决传统化工实验占地面积大，原料、设备采购成本高，以及仪器维护，三废处理困难等问题。在虚拟现实3D仿真实验教学中，学生通过在虚拟仿真软件平台上输入各种参数来操作其中的虚拟设备，体验实验的真实过程。这种类似于“玩游戏”的学习方法增加了学习趣味性，有利于提高学生的学习兴趣。

5.3 “虚实互补”实验教学效果

在化工实验教学中，在前期采用了线上线下混合式教学，以及虚拟仿真实验教学，学生对实验目的和原理很清楚，对化工操作单元也很熟悉，在进行真实的实验操作时，可以略讲相关的理论知识，侧重于设备的认知，以及操作单元的熟悉，体验实验的真实过程，比如漏液、液泛和雾沫夹带等现象。这样可以提高学生的操作能力，以及工程实践能力。

6 基于虚拟仿真的混合式实验教学模式的应用及意义

基于虚拟仿真的混合式实验教学主要面向我院化学工程与工艺、应用化学、生物工程、材料化学等专业学生。在开设仿真实验时，充分考虑到学生在校实验条件的缺乏，工厂参观实习的困难，通过逼真的仿真场景，了解并熟悉化工生产流程，并能结合工程实践，设计出合理的工艺路线。

教学效果评价办法方面，将虚拟仿真混合式实验教学纳入化工专业培养方案和教学课程中，制定相关的教学效果评价办法，并根据学生和教师的反馈，持续改进教学评价机制。目前，实验采用线上线下相结合的评价体系对学生的实验情况进行评价，实验采用百分制，线上题目数量和分值比例由老师提前预设。课前预习通过线上闯关答题检验，预习成绩按照10%计入最终实验成绩；课堂上以任务引导性操作为主，要求在规定时间内完成线上任务，按照30%计入最终实验成绩；而在实体实验操作环节，设置的成绩占30%；课后在规定时间内完成总结性检验试题，按照10%计入最终成绩；实验报告上交后，由老师批改，按照20%计入。

通过虚拟仿真的混合式实验教学模式学习，增加了学生的学习兴趣，提高了学生的实验技能和科研创新能力，有利于对学生工程设计能力和综合实践能力的培养。近几年来，该院学生成立实验创新及设计兴趣小组，积极参加化学化工实验与创新设计竞赛，均取得较好的成绩。

7 结语

开展虚拟仿真的混合式实验教学，即线上线下模式学习，以学生自主学习为主，老师讲授和指导为辅，有效促进了学生的个性化学习，学生通过实践获得知识，印象更深刻，学习效果更好；虚拟现实3D 仿真实验，这种类似于“玩游戏”的学习方式极大地激起了学生的学习兴趣，增添了实验教学的活力和动力，教学效果显著提升，教学质量明显提高。“工艺设计+仿真操作+工程实践””的这种“三位一体”和“虚实结合”的实验教学模式能有效地培养学生的工程设计能力和综合实践能力。