虚拟仿真在复杂化工专业实验教学中的探索与实践

摘要 受场地、操作环境等极端条件制约，复杂工程性创新实验难于线下开展，导致学生对化工专业前沿技术认知缺失，工程实践能力训练短缺。 针对此问题，在化工专业实验中开展以实为主、以虚为辅的混合教学模式的探索。 虚拟实验可大大降低实验操作风险，弥补实验时间和条件的不足，是化工专业实践教学改革和发展的有益探索。 仿真实验中的理论学习、习题测验、流程设计、实验操作和报告处理的过程性评价制度涵盖了学生整体学习过程，综合反映学生对知识的掌握程度和综合实践的能力。 在CO中温-低温串联催化转化仿真实验教学中，4项课程目标平均达成度分别为0. 80、0. 91、0. 83和0. 73，教学效果良好。 实践证明，虚拟仿真实验能够从应用实际出发，通过新颖的实验内容设计，更能调动学生参与实验的积极性和主动性，是培养学生解决复杂工程问题能力的有效手段之一。

关键词 专业实验；虚实并行；催化转化；工艺仿真

中图分类号：O639；O633 文献标识码：A 文章编号：1000-0518（2025）01-0124-09

中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目（No. J210301）资助

大力提升人才培养水平是贯彻落实《进一步深化本科教学改革，全面提高教学水平》政策的核心，在工程教育专业认证和新工科建设背景下需要强化实践教学环节，提升学生创新精神和能力[1-4]。 化学工程与工艺专业强调实验教学，是学生进行工程实践，将理论由抽象变具体的重要手段，也是培养学生解决工程问题和科研创新能力的重要源泉[5-6]。 随着信息化技术的高速发展，基于互联网的开放性在线学习、实践和探索的模式备受青睐，诸如开放网络课程（MOOCs）、虚拟仿真实验等。 一方面学生和教师可更广泛地享受到优质的教学资源，并且学习时间、地点不受限制，具有灵活性； 另一方面虚拟仿真实验可实施具有高危险性、极端（高温、高压）环境、不可逆操作、高成本或高消耗的、线下难于开展的复杂实验项目，实现实验操作的连贯性。 虚拟仿真实验教学不仅使学生理论与实践相结合，拓宽眼界，提升动手实践能力，同时使学生综合运用专业知识解决实际问题，提升了工程应用能力，进一步增强学生解决复杂工程问题和创新创造的能力[7-8]。 与传统的实践教学相比，虚拟仿真教学能显著提升专业人才能力培养效果。 基于化工专业实验特点，本文以“CO中温-低温串联催化转化工艺仿真实验”教学为例，展示了虚拟仿真实验的教学内容实用性、课程安排灵活性、过程评价客观性、复杂操作可靠性、知识内容普适性以及教学互动优越性[9-10]，为推动“虚实并行”实践教学模式在复杂化工实验中的开展，促进虚拟仿真实验教学项目建设，激发学生参与复杂反应学习的积极性和主动性，增强学生创新创造能力提供有力支撑。

1 虚拟仿真实验教学方法构建

1. 1 实验背景及目的

合成氨工业可为农业生产提供必需的氮肥和其他复合肥料，在国民经济中占有重要地位。 但由于天然气或石脑油蒸汽催化转化的原料气中含有大量的CO，导致催化剂中毒，必须在合成前进行净化处理。 目前，在现代大型合成氨原料气净化过程中均采用中温-低温串联实现CO变换反应将其脱除，原料气净化效果受催化剂种类、温度、压力和气体流量等因素的影响。 该反应过程的优化体现化工专业多门学科的融合，学生需要有机结合化工设计、化学反应工程、多相催化和仪器分析等多门课程知识，是适合为本科生开设的综合性创新实验。 然而，由于CO变换反应工艺是连续化作业，装置和内部过程极为复杂，且反应危险系数极高，受时间和空间等条件限制，难于线下开展。 通过虚拟仿真技术，可借助线上、线下信息交互，实现完整反应过程模拟操作训练的目的。 该仿真实验可大大降低实验风险，弥补实验时间和条件的不足，是化工专业实践教学改革和发展的一次有益探索。

实验模拟中温-低温串联CO变换反应过程，利用直流流动法测定铁基催化剂、铜基催化剂的活性，不仅让学生进一步理解多相催化反应理论，掌握利用实验研究催化反应动力学的方法，还接触了本专业领域的实用技术，更能激发学生的学习热情。 该虚拟仿真实验的设置既体现实验内容的新颖性，又将行业发展前沿技术转化为教学内容，拓展了学生视野，提高了综合实践能力。

实验目的主要包括以下4方面： 通过实验，学生能进一步理解多相催化反应有关知识； 掌握CO中温-低温催化转化工艺流程和操作步骤，初步接触反应过程优化思想； 掌握气固相催化反应动力学实验研究方法及催化剂活性的评价方法； 提供验错操作、流程优化设计平台，培养科研能力和创新精神，促进应用型人才培养。

1. 2 实验主要内容

CO中温-低温串联催化转化工艺仿真实验主要有4部分内容。 首先，深入理解实验原理，从而确定反应器类型、催化剂种类和反应温度等工艺参数； 其次，进行实际工艺学习，掌握实际反应流程中操作单元的基本结构及作用； 第三，参照标准流程修改反应条件，完成系统操作，掌握催化反应动力学测定；第四，通过变换反应参数，优化反应条件，进一步理解影响CO变换反应的因素及催化剂活性评价方法，完成实验报告。 课程内容对应的课程目标和毕业要求如图1所示。

1. 3 实验系统设计及学习过程

针对教学要求，设计CO变换仿真实验。 考虑到教师需要掌握学生的学习过程和学生系统学习情况，软件界面下设管理模块和学生模块，各模块下设不同操作功能，实验模块设计结构如图2所示。

在学生模块中，包含基础知识的介绍、知识考核，更加入了流程设计环节，让学生接触初步工艺设计思想，考察学生运用理论知识解决工程实际问题的能力。 此模块主要包含4个部分，学生需要按序逐一完成。 学生通过指导教师设置的个人账号、密码登录仿真系统，进入教学部分，具体仿真实验学习过程如图3所示。

首先，学生需要了解实验的工业背景，学习实验原理、实验流程以及注意事项，对实验及操作步骤有初步的认知，该部分类似于线下教学的实验讲义。

其后，是习题测验部分，内容涉及实验原理、工艺参数、注意事项和设备单元结构等。 测试需要在限定时间内无提示完成，交卷后系统会给出分数和正确答案。 分数低于60分的同学需要重新考核才能进入下一步实验环节。 该部分主要考察学生对实验基本理论的掌握情况。

再次，进入流程设计模块。为培养学生将理论知识应用于实践的能力，系统设置了流程设计模块。 在这里学生可根据实验需要在14种设备中进行选择和搭建，该过程实现了“可视化操作、高仿真演示、交互式实验、创新性设计”的实验体系，学生点击设备图标可以了解结构和用途。 流程设计完成后提交时也会进行分数评定，同时给出错误信息，并提供一份标准工艺流程设计图供参考。 该部分主要锻炼了学生运用理论知识进行实验设计的能力，初步接触实验设计的思想，强化学生对工艺流程及各单元功能的理解。

最后，是仿真系统操作平台，学生在系统提供的标准流程图下完成全流程操作，包括实验参数设定、阀门开关和温度记录等。 学生根据软件的提示，完成从开车到停车的整个操作过程，并收集有关实验数据，进行后处理。 在该工艺图中，设备都有其相应功能介绍，对于复杂的设备系统显示内部结构图，强化学生的记忆与理解。 该部分可更直观、生动地为学生展现CO中温-低温串联催化转化的全流程，提高学生系统操作的连贯性以及对复杂工艺处理的系统认知性。

2 实验教学考核及实施成效

2. 1 实验教学考核标准

化工过程发展已经由传统的“工程化工”向“数字化工”、“智能化工”转变，化工模拟实验教学是化工专业学生深入学习化工领域核心知识，应用专业知识，提升专业认知的重要学习途径。 本实验课程考核标准遵循工程教育专业认证基本要求，主要面向能源化工、材料化工专业方向本科三年级学生开设，学生需要提前掌握物理化学、化工原理、化学反应工程、化工过程与分离、化工热力学、化工设计基础和煤化工工艺学等专业理论课程。 人才培养过程建立梯度式实践课程体系（图4），专业知识从基础到核心逐级递进，覆盖从大一到大三的专业核心课程，强化知识应用与工程特色，理论与实践-虚实相结合，开发建设“模块导向，任务驱动”情境教学模式。 本实验课程“虚实并行”的教学模式，对于学生开放性、发散性和探究性创新能力培养，发挥着重要作用，在相关的虚拟仿真教学中，需要加强实验教学平台创新建设，助力创新性人才培养目标的实现。

课程考核围绕学生为中心，强化过程性评价，兼顾终结性评价。 其中仿真实验中的预习过程、习题测验、流程设计、实验操作和实验报告属于过程性评价，期末考试属于终结性评价。 此考核制度涵盖了学生整个学习过程，既能反映学生对知识的掌握程度和综合实践的能力，又能关注学生的科学探究以及学以致用的创新能力。 学习过程设置充分融合课程目标的要求，科学合理设置“课前预习”、“实际操作”、“实验报告”和“期末考试”4个递进环节。“实际操作”动手环节占30%，突出培养学生工程实践能力，该环节强化训练学生在线实验方法，允许多次实验多次优化，创新多维反馈优化新路径。 “实验报告”环节占30%，突出培养学生知识应用与过程创新的能力，通过强化过程性考核，客观地评价课程目标的达成程度，进行形成性评价总结，创新虚拟实验模式，以便于及时发现问题、解决问题，在教师与学生之间形成良好的反馈互动，促进学生成绩及能力的提高。 具体实验课程评价环节权重见图5。

2. 2 实验教学实施成效

2. 2. 1 科学实施考核测评，合理统计学习结果

在CO中温-低温串联催化转化工艺仿真实验实施过程中，教师主要通过管理模块掌握学生学习情况，实现对学生学习的过程性评价，如图6所示。 在仿真实验模拟主界面上有已登录学生名单、实验原理浏览记录、习题测试分数、流程设计分数及错误点、实验仿真流程完成情况、实验结果列表及曲线等。 教师可通过以上信息综合判定学生对于本次实验的学习掌握情况。 同时通过成绩统计，对分数较低的同学进行信息发送和辅导。 这种多方面过程性学习评价方式一方面对学生的学习起到督促作用，循序渐进； 另一方面通过反复强化加深学生的掌握深度，并通过成绩统计及时发现问题学生，有效地采取帮扶措施，避免在终结性评价（考试）时出现不通过情况，有效地提高了学习效率和质量。

终结性评价主要通过闭卷笔试考试完成，内容涵盖大纲中4项课程目标。 2020级化学工程与工艺专业本科生共有102人参与本课程学习与考核，经过程性和终结性考核权重计算，4项课程目标整体平均达成度分别为0. 80、0. 91、0. 83和0. 73（图7），效果良好。 在4项课程目标达成中，学生对课程目标4的达成度相对较低。 目标4主要是工程与社会问题，要求学生能够综合运用掌握的生产案例分析实验过程，评价测定指标的意义，隐含的是对健康、安全及环境影响的不利因素以及工程实际应用中的解决方法。该目标达成度偏低，说明学生在工程实际方面的能力欠缺，后续在实验过程、实习和大学生创新实践方面需进一步加强。

2. 2. 2 科学评估学生成绩，以学生为中心差异化辅导

对学生在4项课程目标达成个体差异情况进行了统计，见图8。 首先，实践教师针对实验的难易程度设置了课程目标期望值为0. 70，由此得到在某一项或几项目标达成方面存在困难的学生名单（表1），进而对学生个体进行针对性的帮扶。

从图8和表1中可见，1号、71号和96号学生有3项课程目标均没有达到期望值，需要指导老师再一次查阅学生在线操作成绩以及试卷，分析学生的实验操作以及答题情况，查摆问题，并与学生进行单独沟通交流，进行重点辅导。 课程目标3未达到期望值的学生人数较多，占总人数的10. 78%。 通过调阅过程性考核发现这几名同学都是在流程设计环节出错较多，导致得分偏低。 单独对这11名同学进行了CO中温-低温串联工艺全流程辅导。 总体来看，通过科学设置实验课程的教学环节、考核标准和终结性评价，学生在学习过程中有目标性和针对性的完成课程学习，比往届未达到期望值的学生人数降低，较好达到教学目的。

3 思考与拓展

实验课程结束时，引导学生求真务实，激发学生科研探索精神和创新性思维，可拓展下列问题：1）CO、CO2加氢制备含氧化合物的研究现状？铁基催化剂和铜锌催化剂的催化效果如何？如何提升催化剂的催化效果？引导学生从优化温度、压力、配料比和空气流速等方面理解对催化剂的影响机理。 2）碳氢能源催化作用下实现CO2向CO转化的研究现状？转化的机理如何？催化剂的表面化学结构如何变化？反应温度、压力等对催化反应过程的影响机理。

教师对以上问题提出方案的可行性和必要性，联系国家能源发展政策，发展包括风、光、生物和氢等新能源，建立清洁低碳能源体系，发展碳捕集与封存技术，深刻理解“碳达峰，碳中和”的深层含义。 介绍碳捕获/利用和固存（CCUS）技术，下发学习任务，学生小组汇报，内容不局限于以上问题，学生可以拓展延伸。 根据学生汇报内容的深度和对行业前沿的理解程度打分，教师在评价过程需要在内容中贯穿课程思政，从国情元素、责任元素、科学元素等方面进行教育，不仅培养学生科学探究和解决复杂问题的能力，同时培养学生的主人翁意识和社会责任感。

4 结 论

多学科知识的渗透和教学内容的不断丰富，需要拓展实验教学的广度和深度。 但对于化学工程与工艺专业来讲，大型综合训练常受制于高危环境、高成本和高消耗等因素，难以线下开展，因此有必要在发挥传统实验教学模式优势的同时开发虚拟仿真实验，虚实结合既能适应信息化社会发展的要求，又有利于提高学生的综合素质。 “CO中温-低温串联催化转化”仿真实验的开设取得了明显的实践教学成效，反映出虚拟仿真实验教学能够有效地提升学生参与实验的积极性和主动性，能够从应用实际出发，培养学生解决工程问题的能力。 在实验过程中，学生不仅完成验证性实验，使课本中学到的基本理论和方法得到直观验证，还可以不断地探究和尝试，设计和优化实验流程，进一步提升科研和创新能力。

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Exploration and Application of Virtual Simulation in Experimental Teaching for Complex Field of Chemical Engineering

——A Case Study on Simulating CO Medium-Low Temperature Series Catalytic Conversion

LIN Xiong-Chao*， WANG Cai-Hong， REN Yan-Jiao

（China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract Currently， complex engineering innovation experiments are difficult to be performed because of the limitation of experimental condition and operating environment. This leads to the lack of cognition of advanced technology and shortage of engineering practical ability on chemical engineering. Aiming at this problem，mixed teaching model by combining actual operating and virtual simulation was carried out in the chemical engineering specialty experiment. The virtual experiment can greatly reduce the risk of experiment operation and overcome the shortage of time-consuming and sever experimental condition. It is beneficial to promote the reform and development of practice teaching of chemical engineering specialty. The process evaluation system of theorical learning， exercise test， process design， experimental operation and report processing in simulation experiment could cover the whole learning process. It thus could systemically reflect the ability of students for the knowledge acquirement and comprehensive practice. In the CO low-medium temperature catalytic conversion simulation experiment， the average achievement degree of the four course objectives is 0. 80， 0. 91， 0. 83 and 0. 73， respectively， implying an excellent teaching effect. Practically， the virtual simulation experiment can focus on the actual application. Through the novel experimental content design， it is easier to induce the enthusiasm and initiative of students. It is an effective approach to enhance the ability to solve complex engineering problems.

Keywords Specialized experiment； Virtual-real parallel； Catalytic conversion； Process simulation

Received 2024？09？20； Accepted 2024？11？04

Supported by China University of Mining and Technology （Beijing） Undergraduate Education and Teaching Reform Project（No. J210301）