虚拟仿真融合化工专业课程群探讨*

2023-10-20 06:32:49韩要丛薛兴勇苏俏俏周泽广谭学才

广州化工 2023年10期

韩要丛，薛兴勇，苏俏俏，周泽广，蓝平，谭学才

(1 广西民族大学化学化工学院，广西南宁 530006；2 广西多糖材料与改性重点实验室，广西南宁 530006)

化工泛指以化学方法为主、涉及物质转化和分离的过程工业，渗透到能源、医药、食品、材料、生物和环境等国民经济发展的众多领域，是不断满足人类对丰富多彩物质需求的基础产业，也是支撑国家14% GDP的支柱产业。高校化工专业主要培养学生学习化工行业中物质转化和分离的一般规律，并能够进行产品和工艺开发、装置设计和过程优化，化工专业承担着为化工行业输送高素质工程技术人才的任务，是服务国家战略的重要工科专业[1]。化工专业属于厚基础、宽口径通用型交叉专业，课程设置除化学课程外，还涵盖物理、机械、电子、自动化、管理等课程。课程设置交叉，学习时间跨度大，使各课程形成一个个孤立的点，如不进行有效衔接和融合，容易模糊学生的培养目标，降低学生的培养质量，弱化学生的获得感。

随着传感器、人机交互、三维建模和虚拟现实等信息技术的飞速发展，虚拟仿真在教育教学中的应用和发展成为现实，虚拟仿真除可以呈现文字、图片和视频外，最重要的是可以为学生提供互动沉浸式体验，它的出现突破了传统课堂的时间和空间限制，改变了知识的传授方式，这种知识获取方式的转变顺应了信息化时代背景下现代大学生的内在需要，有效提高了学生学习的乐趣和兴趣，可以激发学生的创新能力，并且为强化实践育人提供了新的平台。化工是典型的重实践、强能力的工科专业，实践教学是化工人才培养过程中的重要环节，贯穿人才培养的全过程。按照“虚实结合”的原则，很多高校化工专业除建立化工原理实验室和专业实验室外，还建立了化工虚拟仿真实验室，以方便为学生提供一些真实环境不容易开展的高危、高成本或不可逆的实践项目，当然虚拟仿真实验室还可提供常规的化工单元操作虚拟仿真和工艺虚拟仿真。目前虚拟仿真在化工专业人才培养中的具体体现方式还较为单一，一般存在于仪器分析、化工原理实验和专业实验等单一课程中。如何充分挖掘虚拟仿真在化工人才培养中的价值是一个非常值得研究的课题，本文仅就探讨虚拟仿真在化工专业课程群中的融合作用。

1 化工专业课程群融合存在的问题

为加快推进工程教育的改革和国际互认，我国于2016年加入《华盛顿协议》，成为其第18个正式成员，在这之后，国内申请工程教育认证的高校和专业数量快速攀升。工程教育认证的核心理念是成果导向(OBE)，OBE理念要求反向设计教学设计，即由外部行业、企业或岗位的需求制定人才培养目标，由培养目标制定学生的毕业要求，进而由毕业要求制定相应的课程体系[2]。化工专业教育的课程体系分为三个层次，第一层次是化工原理、分离工程和反应工程等“三传一反”学科基础课程，支撑的毕业要求是生产工艺结构和参数的工程设计；第二层次是化工设备机械基础、工程制图和化工仪表及自动化等机械电子和计算机类工程基础课程，支撑的毕业要求是过程装备、仪表及控制系统的选型和设计；第三层次是化工设计类课程，支撑的毕业要求是分析及解决化工复杂工程问题[3]。在化工专业教育的课程体系中，化工设计综合了工程原理、设备、工艺以及控制系统等，是一门从理论到实际工程应用的综合实践课程，以其为主线，可将其它专业课程有机融合成一个整体，但在实际教学过程中仍然存在问题[4]。

首先，长期以来，受限于体制和学科壁垒以及专任教师自身的知识结构和教育理念，课程体系松散且实施缺乏系统性，教师在讲授时未能理清所授课程在课程体系中的地位以及对毕业要求达成度的支撑作用，所授知识缺乏完整性，为教而教，各课程各自为政，致使学生对培养方案课程体系的了解犹如盲人摸象，不得全局[5]。再者，专业课程大多从第四学期就开始陆续开设，虽然在第六或第七学期开设化工设计类课程，以期能够将之前所学的专业课程进行有机融合，但专业课程学习时间跨度这么大，仅通过化工设计进行融合，手段单一，效果堪忧。因此，专业课程融合必须加强顶层设计，制定一套多种手段相结合的的系统方法，其中，虚拟仿真就是一种有效的课程融合载体。

2 虚拟仿真是课程融合的有效载体

化工虚拟仿真涉及到很多化工基础课程和工程基础课程，是化工课程群有效融合的具体呈现。现以我校催化裂化工艺虚拟仿真软件集散控制系统(DCS)为例来说明虚拟仿真所涉及的课程。

(1)化工工艺学。每一个虚拟仿真项目都会体现一段具体的工艺过程，催化裂化工艺虚拟仿真所体现的是重油在移动床反应器中进行的催化裂化工艺，通过开车、停车和故障排查等训练，可以使学生有效掌握工艺原理、工艺过程和工艺关键控制点。

(2)化工原理和反应工程。每段工艺过程一般都会涉及“三传一反”，包括流体流动、传热、精馏、萃取、吸收等单元操作设备和反应器，虚拟仿真过程中会对单元操作设备和反应器的流量、压力、温度、液位等参数加以控制，可以使学生有效掌握“三传一反”的概念和原理。

(3)化工仪表及自动化。虚拟仿真离不开自动控制系统，催化裂化工艺虚拟仿真软件DCS操作界面可以看作一个工艺管道及控制流程图，包括流量、压力、温度、液位检测仪表和控制仪表，采用了简单控制系统和串级控制系统，通过上机虚拟仿真操作，可以使学生有效掌握自动控制系统的控制逻辑。

(4)化工制图。DCS操作界面本就是一个带控制点的工艺流程图，所以在化工制图工艺流程图部分，可以让学生使用CAD绘制虚拟仿真项目对应的工艺流程，从而实现两门课程之间的呼应，加深学生的记忆，可以使学生有效掌握制图技能和工艺流程。

(5)化工设计。化工设计是一门理论到实践的综合性课程，覆盖厂址选择、工艺设计、设备选型、平面布置、工艺运行等工厂实现的全过程，对于工程经验比较匮乏的学生来说，难度较大。虚拟仿真，尤其是3D虚拟仿真可以给学生呈现较为直观形象的工厂案例，增强学生对公用工程布置、设备和管道连接、工艺运行、安全防范等方面的认知和理解。

3 虚拟仿真贯穿人才培养的全过程

实践教学是化工专业教学中不可或缺的重要组成部分，传统化工专业实践教学体系主要包括基础实验、专业实验，化工设计以及实习等，由于学生基数大、实验装备少以及实训场所不足等主客观原因，长期以来学生的实践时间难以保证，实践教学效果难以达到。建立虚拟仿真实验室，将虚拟仿真引入实践教学体系的每一个模块，构建虚实结合的实践教学新模式，使虚拟仿真贯穿人才培养的全过程，突破传统教学时间和空间的限制，可有效解决传统实践教学工程能力不足的问题[6]。

(1)基础实验模块。无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验和物理化学实验等基础实验，一般来说实验场地和设备相对充足，但随着课时的不断压缩，目前一般开展相对简单的验证性实验，故可以利用虚拟仿真开展一些创新性和探索性实验来进行补充，以培养学生的创新意识。

(2)专业实验模块。专业实验主要包括仪器分析实验、化工原理实验等课程实验以及化工专业综合性实验。相对基础实验，专业实验设备套数较少，很多时候需要多人操作一套设备，另外对于波谱、光谱及质谱等精密分析仪器，还存在人多手杂带来的故障频发问题。故可在专业实验模块引入虚拟仿真，尤其是3D虚拟仿真，通过直观形象的互动操作，可使学生有效掌握设备的内部结构、工作原理、操作方法以及工艺流程。目前，专业实验模块的虚拟仿真软件较为成熟，学生体验和反馈较好。

(3)实习模块。在传统实习中，学生一般是由实习单位工程师带领，按物料走向进行工艺讲解，出于生产安全考虑，实习单位一般不允许学生动手实践，另外大型装置内部结构不可见，实习犹如走马观花，实习效果大打折扣[7]。故可以根据专业发展方向，针对性的开发一些典型工厂的2D和3D虚拟仿真软件，3D虚拟仿真可以使学生进行身临其境般的工厂漫游，以了解工厂全貌、工艺流程、生产设备等，2D虚拟仿真主要用来进行DCS操作，以模拟根据生产工艺要求进行开停车和正常操作等，从而达到深度实习实训的目的。

4 虚拟仿真有效融合化工专业课程群建议

化工虚拟仿真是化工专业课程群有机融合的外在具体呈现，以化工虚拟仿真为载体，可在人才培养的全过程向学生进行课程体系的无形渗透，有效锻炼学生的创新精神、工程能力和工程思维，以培养多学科融合的复合型人才。为此，建议如下：

(1)建立贯穿人才培养全过程的虚拟仿真实验教学体系。按照学生的认知规律，由浅及深，层层递进，按照“虚实结合”的原则，在传统实践教学体系中的基础实验模块、专业实验模块、设计模块和实习模块分别引入虚拟仿真项目。

(2)加强专任教师实践育人的理念以及工程意识。不少化工专任教师毕业以后直接进入高校从事教学工作，缺少企业从业经历，工程经验不足，跨学科能力缺失，对课程体系设置的理解不深刻。面对这种情况，应鼓励化工专任教师利用寒暑假到企业去锻炼，提升自身对所讲授课程在毕业要求中的支撑作用，推动教学内容的更新与改革。

(3)开发与生产实际紧密结合的虚拟仿真项目。目前高校购置的多为合成氨等常规基础型虚拟仿真项目，与社会实际需求脱节严重，为建立与生产实际紧密结合的培养环境，需加强与企业行业间的合作，结合工程案例开发多用途虚拟仿真实践实训平台。如成都理工大学着眼于西部液体矿产资源，开发了一套了地下卤水吸附提锂3D虚拟仿真项目[8]。我校基于广西的木薯资源，开发了一套木薯制酒精二维DCS和三维VR相结合的虚拟仿真培训系统，构建了一个包含中控室、生产车间、污水处理等在内的虚拟厂景，可以实现厂区漫游、现场巡检和中控控制，可用于化工实践教学体系中的专业实验模块和实习模块。

5 结语