五位一体教学模式在化学化工生产实习中的实践与探索_杜静.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 049五位一体教学模式在化学化工生产实习中的实践与探索杜静a，b，c，马骁飞a，b，c，赵温涛b，c(天津大学 a 化学化工国家级实验教学示范中心;b 化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心;c 理学院化学系，天津 300072)摘要:在化学化工生产实习课程教学中探索了“在线资源工厂实际虚拟仿真实验思政教育课堂互动”五位一体的教学模式，该模式强化产学研结合，为开展生产实习课程提供了新方法。利用虚拟现实技术将工厂“1 1”搬入教室，注重教学过程与生产实际结合及相关课程思政元素;通过学习全过程的评价系统，提高学生安全生产意识、自动化控制能力、分析归纳能力，启发学生高阶思维，提高课程立体度以利于培养新工科高水平人才。将课程体系进行示范与推广，为西部高校的生产实习课程提供优质信息化资源。关键词:化学化工;生产实习;虚拟仿真;产学研结合中图分类号:G 642.0文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0258 04Practice and Exploration of Five-in-one TeachingPattern in Chemical Production PracticeDU Jinga，b，c，MA Xiaofeia，b，c，ZHAO Wentaob，c(a National Demonstration Center for Chemistry and Chemical Engineering Education;b National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Chemical and ChemicalEngineering;c Department of Chemistry，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract:A new pattern of chemical and chemical production practice course，which combines the online resources，the production practice，virtual imitation experiment，ideological education，classroom interaction，was explored tostrengthen the combination of production，learning and research，and provided a new instructional method for thedevelopment of production practice course Virtual reality technology was applied to move the factory“1 1”into theclassroom，and more attention was paid to the production practice，ideological and political education The wholeprocess of learning，improved studentsproduction safety consciousness，automatic control ability Learning data wasused to inspire studentshigher-order thinking，and to improve the dimensions of curriculum in order to cultivate high-level talents of Emerging Engineering Education The curriculum system will be demonstrated and promoted to providehigh quality information resources for western universitiesKey words:chemistry and chemical engineering;production practice;virtual simulation;integration of production，learning and investigation收稿日期:2022-01-28基金项目:2020 年天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目(B201005607)作者简介:杜静(1992 )，女，天津人，硕士，工程师，主要从事化学化工虚拟仿真实验与实践教学。Tel:[phone];E-mail:dujing tju edu cn通信作者:赵温涛(1968 )，男，天津人，博士，副教授，主要从事精细有机合成及有机化学教学。Tel:[phone];E-mail:wentao_zhao tju edu cn第 12 期杜静，等:五位一体教学模式在化学化工生产实习中的实践与探索0引言在创新型国家发展战略大背景下，工程教育是国家创新发展战略布局的重要支撑，同时为国民经济做出重大贡献，为经济社会发展、改革与创新提供重要的人才保障1。化学化工生产过程中存在“易燃、易爆、易制毒”以及“高危高压”等危险，具有生产设备复杂、工艺差别大、生产条件苛刻等特点，属于知识密集型行业2-3，通过现代化自动控制生产能够减少的安全风险，也需要技术人员能够熟悉自动化生产过程以及熟练操作集成控制系统，因此，急需培养具有安全生产意识、熟练掌握自动控制系统以及解决实际生产问题能力的现代化高水平人才4-7。生产实习是理工科高等教育培养计划中一个重要的实践教学环节8-9，在培养学生工程意识，提高学生综合实践能力方面起着非常重要的作用。传统的实践教学模式方式较为单一，且受空间、时间、实训基地自身问题等限制因素较多，特别是在当下疫情反复的情况下开展实践教学难度增大。针对上述问题，以及新工科发展要求对学生工程实践素养的要求10-12，对化学化工生产实习课程进行建设与改革，在不断实践中探索新型的实践教学模式“在线资源工厂实际虚拟仿真实验思政教育课堂互动”，为实践类教学提供了新的方法，更好地提高学生工程操作能力、理论联系实际能力以及分析解决问题能力，同时对学生进行思政教育，增加课程的立体度。课程中的加压氢化反应的虚拟仿真实验在2020 年评为国家级虚拟仿真实验，本课程于 2021 年评为天津市一流本科建设课程，并成为新疆塔里木大学 2021 年“MOOC 西行同步课堂”课程。1五位一体教学模式解决的问题本校开展生产实习课程已有 30 年历史，主要对应用化学专业开设，实习为期 1 周，传统的开课方式是到石油化工企业下厂实习，随着化工企业对生产安全以及对学生人身安全越来越重视，下厂实习逐步向参观实习过度，甚至参观实习也无法实现，有两年变成科研训练替代生产实习。2015 年开始使用虚拟仿真软件(天津石化一线设备操作软件，供新入职员工培训使用)进行生产实习。2017 年开始在应用化学专业开展“在线资源工厂实际虚拟仿真实验思政教育课堂互动”混合式教学模式探索，通过该教学模式主要解决了 3 方面的问题。(1)解决生产实习基地缺乏的问题。化工厂对生产安全以及对学生人身安全越来越重视，现场实习的方式已经难以实施，用虚拟仿真技术解决化工生产实践难题13-15。(2)解决生产实习走马观花、学生重视不足、课堂效率低的问题。根据教学内容不同采用不同教学方法，不拘泥于单一教学形式，充分利用学习平台以及线上课程资源，并结合实际生产，能够将化学化工安全知识、理论知识、实验内容等进行有机融合，巩固学生基础理论知识，培养学生实际操作能力、分析解决问题能力、提升学生自主学习能力和创新能力。(3)课程育人功能不足的问题。构建信息化资源虚实结合校企结合课程思政结合的教学理念，推进混合式教学改革，把创新思维、课程思政、工程意识(包括环保、可持续发展)及实践能力培养贯穿于全课程中，充分发挥课程的育人功能。2化学化工生产实习课程建设2.1信息化资源建设国家级化学化工虚拟仿真实验中心(天津大学)于 2017 建成化学化工虚拟仿真学习平台(http:ccelab tju edu cn/sas/login do)，平台包含:无机化学仿真单元、物理化学仿真单元、有机化学仿真单元、大型与贵重仪器仿真、分析化学仿真、化工单元仿真、化工工艺单元仿真、化工原理单元仿真、高分子、化学综合以及药物化学，共 11 类化学化工仿真软件总计 145项，软件为本校教师与软件公司共同开发设计，满足教学实际、科学前沿以及工程实际的要求。化学化工生产实习课程依托于该平台开课，选用其中的流体输送单元、换热器单元、3D 单塔精馏单元、固定床反应器单元、吸收与解吸单元及加压氢化反应的虚拟仿真软件作为生产实习课程主要内容。其中加压氢化反应的虚拟仿真实验在 ilab 实验空间上线。组织大学 MOOC 共享学习资源，于 2019 年建立SPOC 课程，经过两年课程改革于 2021 年转为 MOOC，课程资源包括课件、课后习题、操作视频、使用说明等，为学生自学提供丰富的线上资源。2.2硬件条件为了能够更好地开展课程学习，虚拟仿真中心共建有 100 台微型计算机、高性能计算机集群及服务器，用于仿真实训与资源的开放共享，其中服务器用于学生学习记录存储以便教师对学生学习过程进行分析与评价。学校建设虚拟现实实验教学教室为课程提供V 设备包括:三维视觉显示设备 3D 展示系统;大型投影系统 CAVE、头显(头戴式立体显示器)等;三维声音系统;交互设备包括:位置追踪仪、眼动仪、手柄。实现了工厂“1 1”搬入学校，学生随时进入“工厂”实习。2.3课程建设随着信息化技术的不断发展，课程从内容到形式上都有较大改变，形式上更具有多样化，由 2015 年前952第 41 卷的工厂参观到现在的利用虚拟现实技术、在线资源结合工厂实际让学生具有全方面的感知，内容更加丰富，从厂区介绍、沙盘参观、自动控制系统学习到现在的思政学习、设备学习、工厂学习、理论学习以及实操练习增加了课程的立体度。国家级化学化工虚拟仿真实验中心(天津大学)于 2015 年开始购买仿真软件，并聘请天津石化一线工程师作为外聘教师讲解操作相关的化工生产案例、紧急事故处理案例以及现代化工企业生产。2019 年引入加压氢化反应的虚拟仿真实验(2020 年评为国家级一流虚拟仿真课程)。2020 年生产实习在线课程先后在中国大学 MOOC 平台以及超星平台(供社会学员使用)上线，利用虚拟仿真软件在应用化学专业开展实践教学，逐步完善线上线下混合式教学，培养学生实践探索能力以及自主学习能力。建立的在线课程资源包括微课视频、课件、演示录像、习题库、在线作业与试题等多种形式，并结合思政教育“在线资源工厂实际虚拟仿真实验思政教育课堂互动”五位一体的教学模式。目前本校应用化学专业、侯德榜化学英才班的学生都会在虚拟仿真实验中心进行为期 1 周的生产实习课程，共 48 学时其中包含 16 学时线上课时以及 32 学时线下课时，具体课程内容如图 1 所示。图 1“在线资源工厂实际虚拟仿真实验思政教育课堂互动”五位一体的教学模式课前观看工厂实际生产视频资料，感受生产过程中的震撼，激发学生学习兴趣。如图 2 所示，通过3D 虚拟仿真教学软件以及 V 版教学软件让学生可以随时随地进“工厂”实习，在参观学习后完成工厂相关知识点测试。通过中国大学 MOOC 学习基础理论知识及相关知识点，学习过程中遇到问题可以在在线课讨论区进行师生讨论答疑。图 2学生利用 V 设备进行工厂漫游课堂图 3 所示为课堂设计，以任务为驱动，问题为连接，串联理论知识与实际操作。聘请实践经验丰富的工程师讲述化学化工企业现状、实训单元的工业背景以及石油化工行业的职业规划等，作为课堂引入激发学生兴趣，并为学生择业提供帮助，此环节在疫情过后将改为到工厂实际参观学习。由教师讲解该单元操作的工厂生产实例(引入课程思政元素)，对主要设备进行介绍，讲述仿真操作原理以及工艺流程。由学生对主要设备结构进行 V 仿真剖析，讨论不同工艺参数调节的仿真操作结果以及冷态开车主要操作步骤。老师与学生共同对错误步骤进行分析并总结操作注意事项，之后安排学生进行仿真操作训练、单元操作测试等环节。图 3课堂教学设计课后完成 MOOC 课后习题，独立进行冷态开车操作，通过步骤评分项修正错误步骤，并及时进行改正，通过查看产品质量调整控制参数，完成 PID 图绘制以及实习报告。仿真操作平台全时段为学生开放。2.4课程成绩评定方式课程成绩评价方式注重过程评价和多元化评价。课程总评成绩(100%)=在线课程单元测试(10%)+仿真单元操作(70%)+实习报告(20%)。其中仿真单元操作(70%)=3D 精馏塔单元(20%)+固定床反应器单元(20%)+吸收与解吸单元(20%)+加压氢化反应(10%)，在线课程单元测试(10%)，主要是学习平台直接给出成绩，对于积极参与在线平台课堂讨论的适当增加该部分分数。3新型教学模式应用效果经过 5 年的实践教学，分别从学生学习成绩、学习062第 12 期杜静，等:五位一体教学模式在化学化工生产实习中的实践与探索时长及练习次数进行对比分析。图 4 所示为近 5 年学生仿真单元的平均成绩，从图中可见学生学习成绩逐年提高，说明新型教学模式有利于学生对相关知识点的掌握。图 42015 2020 年学生成绩变化根据在线学习平台学习数据，对每位同学平均每天练习时长进行对比分析。2015 2017 年虚拟仿真学习平台以及线上课程并未建立，学生学习以及做仿真练习仅能通过线下学习，平均每天 2 学时课堂讲解，学生最多只有 6 学时(270 min)练习时间;在 2018 年之后随着化学化工虚拟仿真学习平台以及线上课程上线后，学生学习时长也随之增加，2018 年学习平台资源及功能不够齐全故学生使用在线资源学习时间较短，大多为线下练习，平均每天线上线下练习时长共312.9 min，2019 年学生平均每天练习时长为 534.23min，2020 年学生平均每天练习时长为 552.3 min。学习平台设置有学习排行榜，通过统计练习次数最多的同学为 77 次，每位同学单个仿真项目练习次数超过 10 次，最多单个仿真项目练习次数超过 18 次。综上所述“五位一体”的教学模式在实际教学过程中，有效地提高了学生的学习积极性，增强了学习效果。4推广与示范2017 年至今，通过天津大学化学化工虚拟仿真平台进行练习的人数为 7 821 人次。其中加压氢化反应的虚拟仿真实验，通过实验空间网站统计目前已有5 416 人次进行练习，其中包括天津、新疆、辽宁、重庆、湖南、山东、湖北、甘肃、黑龙江、上海等 10 地区 14所高校。(1)兄弟院校推广。天津城建大学应用化学专业开设生产实习课程，且课程团队教师担任外聘教师、使用本团队的教学资源和教学模式，已进行 5 年累计300 人左右学习。(2)西部辐射。本课程参与新疆塔里木大学“MOOC 西行-同步课堂”，并于 2022 年同新疆塔里木大学、石河子大学、新疆工程学院、新疆理工学院、喀什大学、伊犁师范大学、大连理工大学、北京化工大学、山东科技大学、北方民族大学等高校共同成立虚拟教研室建设相关课程。5结语“在线资源工厂实际虚拟仿真实验思政教育课堂互动”五位一体的教学模式 把创新思维、课程思政、工程意识(包括环保、可持续发展)及实践能力培养贯穿于生产实习，充分发挥课程的育人功能。将化学化工安全知识、理论知识、实验内容等进行有机融合，巩固学生基础理论知识，培养学生实际操作能力和解决问题能力。教学相长，不断改进教学方法，将教学模式、教学资源与兄弟院校分享，为实践类课程提供新的方法。参考文献(eferences):1刘伟，王俊，李秀娟，等 新工科背景下自动化专业应用型人才实践教学改革探索J 现代教育论坛，2020，3(9):146-1472Liu X，Li J，Li X Study of dynamic risk management system forflammable and explosive dangerous chemical storage areaJ Journalof Loss 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