新工科背景下虚拟仿真技术在化工专业实践课程中的建设与应用

王 筠 杨 可 陈泳兴

(周口师范学院 化学化工学院,河南 周口 466001)

自2017年以来,为主动应对新一轮科技革命与产业变革,教育部先后发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等建设导向文件,积极推进新工科建设,探索中国特色工程教育模式,助力高等教育强国建设。在全国高校中开展新工科建设是深入贯彻党的十九大精神,全面落实新时代全国高校本科教育工作会议有关要求的重要举措。新工科更注重学科的实用性、交叉性与综合性,符合未来人才发展方向,其中人工智能类、大数据类和智能制造类等专业备受关注[1]。那么,对于传统工科来说,如何把握机遇,挖掘出与新工科建设的契合点并形成协同发展就成了下一步研究的工作重点。

随着计算机图形技术的迅速发展,计算机仿真软件在交互性、生动性、直观性等方面取得了巨大的进步。先后出现了动画仿真、可视交互仿真、虚拟环境仿真、虚拟现实仿真等一系列新的仿真技术和虚拟技术[2]。展示形式从二维到三维,从单纯演示到互动操作,从屏幕显示到场景沉浸。从而可完成真实实验中由于资金不足、场地有限、不可重现、操作中存在危险、有毒环境等条件限制而无法完成的实验教学项目[3]。信息技术、智能技术与实验实践教学的深度融合破解了高校实验、实习、实训中的老大难问题,解决了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题[4]。

1 目前化工专业实践教学的突出问题

1.1 教材更新慢,教材内容与实际生产脱节

化工行业发展随着科技进步日新月异,再加上国家的环保标准和安全生产要求日趋严格,新工艺、新技术、新设备不断应用于化工生产。而化工教材讲义大多是几年甚至十几年前的,没有及时更新。特别是教学内容缺失了对新工艺新技术的讲解,使得学生在课程学习中未能及时学习到当前化工领域的新知识。例如书本上介绍硫酸生产工艺,仍然以煅烧硫铁矿为例,而实际生产中由于环保要求日趋严格,而硫铁矿制酸有周期长、污染较多、排污处理成本高等缺陷,目前采用硫铁矿制酸产量已经下降至20%以下,冶炼气制酸、硫磺制酸工艺得到广泛应用。这充分反映出教材更新慢、教材内容与实际生产脱节的矛盾。

1.2 课内实验仪器数量不足、实训设备落后老化

由于高校扩招及新建专业的增设,学生数量越来越多,但是实验仪器数量却没有跟上。另外受实验室面积所限,无法容纳更多的设备台套数和更多学生开展实验。此外,一些设备陈旧老化严重,甚至使用年限已到达报废标准,却还在用于教学。这些问题不仅影响实践教学质量,更有可能会造成安全隐患。

1.3 校外实习经费不足,企业生产实习效果不理想

因为校外实习经费不足,学生实习工作难免捉襟见肘。考虑到化工企业的生产特点,具有一定的危险性,学生参与实习的积极性不高。大部分化工生产工作岗位须严格培训和持证上岗,企业出于对生产和实习学生安全的考虑,禁止学生在生产现场操作和贴近生产流程观察,因此学生们常常走马观花,难以深入了解企业的工艺原理和操作流程,实习质量无法保证。

基于以上原因,近年来我院化工专业在开展实践课程教学中,不断总结教学经验,探索利用虚拟仿真技术来填补实践教学中的一些空白,取得了一定的教学成果。

2 新工科背景下虚拟仿真技术在我院化工专业实践课程中的建设与应用

2018年我院化学工程与工艺专业数位老师组建了虚拟仿真教学团队,研讨实验项目选题,设计实验教学目标,丰富知识点内容。联合北京东方仿真公司进行技术开发,实现教学软件界面友好、响应快捷、操作简单等功能。经过近3年的建设积累,取得了一些成绩。建成校级虚拟仿真教学中心平台,立项主持1项省级虚拟仿真实验教学项目、1项省级虚拟仿真一流课程、1项校级虚拟仿真实验教学项目、2项校级教学改革项目。依托该教学中心,3年来服务学生总数约1 200人,60余名学生参与全国大学生化工设计大赛、省级大学生创新创业训练项目、“互联网+”大赛、化工原理实验大赛、大学生化学实验创新设计竞赛,获得各级奖项。在建设中我们团队主要围绕以下3点开展工作。

2.1 创新虚拟仿真实验教学模式

为了申请化工专业工程教育专业认证,团队在项目启动时,突出创新实验教学设计,建设满足“两性一度”标准的实验实践课程,构建综合性、研究性仿真问题情境,开展基于问题、案例的互动式、研讨式教学,倡导自主式、探究式学习,探索智能化实验教学新模式。开发了基于超导核磁共振氢谱仪Bruker400教学操作与日常维护3D虚拟仿真实验教学项目、化工实验室安全管理与事故处理3D虚拟仿真等实验项目。

2.2 注重现代教育技术手段的应用

虚拟仿真项目的建设注重信息技术与实验实训教学深度融合,充分利用多媒体音视频、Virtual Reality、Augmented Reality等各种媒介。按照智能实验设计理念,规范设计虚拟仿真实验教学的实验过程、算法、场景呈现、多维度实验数据记录、知识点考核等要素,提升实验教学效果。基于此,我院与东方仿真公司、杭州百子尖科技股份有限公司共建现代智能化工厂VR教学体验系统和桌面智能仿真工厂精馏工艺,用于大一新生的专业导论课程体验和大四专业实习中校内实训阶段教学。

2.3 持续改进实验教学评价体系

根据工程教育专业认证标准,修订了2020版人才培养方案,将虚拟仿真实验教学项目纳入人才培养方案,制订教学质量评价办法。依据《周口师范学院化学化工学院课程目标达成度评价指导意见》要求,达成度评价小组成员讨论并设置了该课程目标达成评价机制。确定和审查课程体系与毕业要求的关联度矩阵;确定和审查各课程的教学大纲;开展课程目标达成度评价;收集数据,实施评估,撰写报告,提出持续改进要求。在评价过程中把教学条件作为课程建设的基础,把过程管理作为课程建设的保证,把实际效果作为课程建设的根本,三者结合起来,进行综合评价。

3 结语

综上所述,虚拟仿真软件解决了实验实践项目条件中涉及高危环境、高成本、高消耗、高费用等问题,提供可靠、安全和经济的实验实践项目。后续我们将持续建设线上教学平台,依靠稳定安全、开放共享的可持续运行模式,进一步向省内外各高校化工专业学生、企事业单位等推广项目教学成果。