新工科背景下化工虚拟仿真实践教学体系的构建

＊李仲 夏旭东 孙丹 田维亮

（塔里木大学化学化工学院 新疆 843300）

“新工科”是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向[1]。而实践教学环节是高校人才培养过程的重要组成部分，是培养具有实践创新能力人才的重要环节，是理论教学的重要补充[2]。普通本科院校尤其是西部偏远地区本科院校，受教学资源有限和教育经费不足等影响，其人才培养侧重理论知识传授，而轻视实践创新能力培养的教学，从而培养的学生实践创新能力不强、培养出来的技术人才与实际行业人才要求存在不匹配现象。特别是化工行业因工艺复杂，其生产过程存在高温、高压、易燃易爆、有毒有害等高危险性[3]，同时企业基于安全方面的因素，不乐于让学生走进现场开展实践操作实习，学生实习流于形式，实践实习效果不明显、实习质量不高[4-6]。因此，需要我们探索构建新的实践教学体系以满足“新工科”建设的新要求。

随着计算机网络技术的飞速发展，虚拟仿真技术也逐渐成熟和完善，这使得在实践教学中引入虚拟仿真技术成为现实，虚拟仿真技术具有良好的互动性，学生可以在虚拟仿真的环境下体验真实的场景，这对于学生的实践能力锻炼非常便利，尤其是对于条件受限的化工实践教学，化工虚拟仿真技术能够使学生不用走进工厂，在学校就可以模拟操作化工生产中流量、温度、压力、液位、组分等数据的生成及变化[7-9]。因此，将虚拟仿真技术与化工实践教学有机融合，能够有效提高化工实践教学质量和效果，而且该教学方式不受教学场地与教学设备的制约，同时具有安全系数高、教学成本低等优势，这对于普通本科院校快速提升实践教学质量具有重要的现实意义。

1.化工虚拟仿真实践教学体系的构建思路

化工虚拟仿真实践教学体系的构建旨在将虚拟仿真模块与实践教学环节有机结合起来，搭建出符合 “新工科”要求的实践教学人才培养方案，同时在最大化节约教学硬件设备的基础上，创设出更接近企业现实的化工虚拟仿真实践教学场景，使学生能够在虚拟仿真实践学习中，体验到实际的工厂场景以及具体生产工艺过程，培养出更多具有扎实理论知识、实践能力、创新能力的“新工科”化工人才[10]。

本文按照“新工科”建设要求，结合普通高校化工专业实际，提出借助虚拟仿真教学具有高效率、低成本、内容丰富和安全可靠等特点，将其融入到具体教学实践过程，构建化工虚拟仿真场景与实际化工过程相匹配的化工虚拟仿真实践教学体系，打破传统实践教学的时空界限，将虚拟的化工工艺引入到教学中，实现生产工艺与课堂的零距离，进而培养学生的创造力、设计能力和工程实践能力。通过实践教学模块与虚拟仿真的有机结合，构建由理论教学、仿真操作、实训操作等有机结合的化工虚拟仿真实践教学体系（图1），探索化工虚拟仿真实践教学新思路、新理念，不断提高学生的实践和创新能力，有效解决化工实践教学被弱化的问题，以推动化工实践教学改革，为新工科建设注入新内涵。

图1 化工虚拟仿真实践教学体系的构建思路Figure 1 Construction ideas of the virtual simulation practice teaching system of chemical engineering

2.化工虚拟仿真实践教学体系的路径设计

作为地处新疆大地一所普通本科院校，塔里木大学秉承红色传统、不忘初心，以培养下得去、留得住、用得上、干得好的应用型人才为历史责任。塔里木化工虚拟仿真实践教学体系的构建旨在克服学校办学设备不足，企业实践流于形式等条件限制，挖掘出更为合适的实践教学体系。本文依托塔里木大学现有化工教学资源，并结合塔里木大学化工专业人才培养方案，将虚拟仿真技术引入到实践教学的各个环节，通过将实验课程、实习课程、专业认知、生产实习以及创新训练等实践教学模块与虚拟仿真模块的有机融合，构建出符合普通本科院校人才培养要求的化工虚拟仿真实践教学体系，如图2所示，不断提升学生实践创新能力，其具体实施路径如下：

图2 化工虚拟仿真实践教学体系的路径设计Figure 2 Construction path of virtual simulation practice teaching system of chemical engineering

(1)专业实验与虚拟仿真的有机结合模块

本模块主要涉及化工原理实验和化工专业实验等两门课程，主要包括理论知识、虚拟仿真操作和实训操作三部分内容，理论知识主要借助超星学习通翻转课程实施，包括电子教材、教学课件、教学视频以及实验项目演示视频等基础知识内容，此部分为学生自学完成。学生自学完成理论知识后才能进行虚拟仿真部分练习，虚拟仿真部分包括虚拟仿真基本操作演示和虚拟仿真考核两部分组成，只有虚拟仿真考核通过的学生才能进入下一步实训操作，虚拟仿真实验项目和实训操作实验项目一一对应，一虚一实。通过这种虚拟结合操作练习，增强学生学习效果和提高实验教学实践教学质量。

(2)课程实习与虚拟仿真的有机结合模块

本模块主要涉化工原理、化工制图、化工工艺学、精细化工工艺学以及化工设计等5门专业课程实习，此类课程实习主要考察学生化工专业知识掌握能力，是强化学生专业能力的课程。本模块主要运用虚拟仿真技术构建典型化工单元操作和工艺操作流程、化工工艺过程、化工产品生产过程等虚拟情境，使学生体会到实际的化工工艺操作环境及工艺流程，学生通过这种沉浸式虚拟仿真操作练习，能够强化其对化工理论知识、化工单元和工艺流程的理解，也能够有效解决了普通高等院校教学资源不足和实验室安全问题。

(3)化工认知实习与虚拟仿真的有机结合模块

认知实习是学生从了解化工生产知识到亲自动手操作的理论与实践基础，认知实习可以使学生从烦琐的专业理论中迅速走向实践，以适应当今化工行业发展的技术人才需要。本模块主要构建化工设备拆装3D仿真、化工仪表3D装置以及化工危险源认知等虚拟仿真平台，首先让学生通过虚拟仿真平台对化工常见生产设备的结构和性能特别是大型设备、化工安全等进行熟悉和了解，然后再带领学生进行化工厂开展实地认识实习，以增加学生在工厂认知实习中的兴趣和热情，提升认知实习效果和化工安全意识。

(4)化工生产实习与虚拟仿真平台的有机结合模块

化工生产实习主要是使专业学生熟悉化工厂的生产场景和生产工艺，了解化工单元过程和实际化工设备，在实习中获取对化工生产过程及工艺的感性认识，提高学生的专业素养和实践能力。本模块主要构建包括石油化工3D工厂仿真、煤化工3D工厂仿真、氯碱化工3D工厂仿真、合成氨3D工厂仿真以及安全事故演练3D仿真等虚拟仿真平台，根据学生生产实习企业不同，有针对性地开展不少于10天的虚拟仿真实训，以巩固学生化工专业知识，熟悉化工厂相关工艺流程和环境等。通过这种虚拟仿真工厂实训，以克服传统生产实习存在的安全风险高等诸多问题。学生也只有通过相应工厂仿真考核尤其安全事故演练仿真后，才能进入实际化工厂开展生产实习，以降低安全风险和提升生产实习效果。

(5)创新创业训练与虚拟仿真平台的有机结合

创新创业实践教学主要有化工设计竞赛、化工实验竞赛、科研实践项目、创业实践项目等。主要面向学有余力的学生，通过本模块的学习，提高其创新实践能力，培养其创新思维，根据本学科若干具有挑战性的问题，激励学生结合专业知识开展创新训练，鼓励和支持学生参加化工类各类学科竞赛以及开展大学生创新创业训练项目。针对创新创业实践教学特点，本模块主要构建虚拟仿真自主设计模块以及结合化工模拟软件比如Aspen plus等，为学生自主探索提供平台和理论模拟支撑。借助虚拟仿真技术开展创新实验，能够弥补实验条件不足的缺陷，同时还可以节约成本，提高实验效率，通过虚实结合的创新实验，能够很好提高学生们的创新能力和科研水平。

3.化工虚拟仿真实践教学的建设与成效

目前，塔里木大学联合石河子大学、新疆理工学院等新疆高校借助虚拟仿真技术，开展了一系列化工实验实践虚拟仿真教学探索，主要在化工原理实验、化工专业实验等实验课程建设方面取得了成效。2010年成立塔里木大学院级化工虚拟仿真实验室，2019年塔里木大学牵头的“传热3D &VR虚拟仿真综合实验”获批国家虚拟仿真实验教学项目，2021年获批组建校级化工虚拟仿真实验教学团队（教学中心），2022年以化工虚拟仿真实践教学体系为思路组建的“化工实验课程虚拟教研室”入选教育部第二批虚拟教研室建设试点名单。

自2010年化工虚拟仿真实验（室）教学中心开展建设至今，该中心现具有教学场所150多平方米，具有化工虚拟仿真系列软件60余套，基本能够满足全校化工虚拟仿真教学需求。该中心面向应用化学、化学工程与工艺、化学生物工程等专业，开设了物理化学实验、化工原理实验、应用化学综合实验、化工工艺学课程实习、高分子化学课程实习、专业实验、化工认识实习、化工生产实习、化工实验竞赛以及化工设计竞赛等实践实习课程，每年受益师生约1500人次，每年培养培训教师队伍100余人次。近五年来，借助该平台体系，获批校级以上教改项目9项，发表教改论文11篇，出版教材4部，获得校级教学成果奖二等奖1项，获批国家级一流本科课程1门。但在省部级及以上教学成果奖的申报和建设上，还需要进一步创新实践，为区域发展培养应用型创新化工人才继续加大努力。

4.结语

新工科建设不仅需要树立创新性、综合化、全周期的工程教育新理念，而且需要构建新兴工科与传统工科相结合的学科新结构，而虚拟仿真教学正好适应于这种学科新结构，是推动新工科建设的新技术、新方法，但虚拟仿真技术不是万能手段，它不能取代真实实践教学，具有自身的局限性。因此各高校在构建化工虚拟仿真实践教学体系时，要结合自身实际，立足现有资源，构建适合于普通本科院校要求的化工虚拟仿真教学体系，从而提升实践教学效果，提升人才培养质量。