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2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 223 新工科背景下应用型本科高校化学化工新工科背景下应用型本科高校化学化工 虚拟仿真实验教学体系的构建虚拟仿真实验教学体系的构建 王金龙1,2(1玉林师范学院 化学与食品科学学院，广西 玉林 537000；2广西农产资源化学与生物技术重点实验室，广西 玉林 537000)摘 要新工科背景下，应用型本科院校培养的化学与化工类专业学生要求具有较强的工程实践能力。化学与化工类专业的实验实训因涉及化学品有毒有害、工业化装置高温高压、连续化等特点，在实验实训过程中会存在问题和风险，引入虚拟仿真实验教学是解决这一问题的有效手段之一。构建了适合应用型本科高校人才培养的“三层次、五模块、四结合”虚拟仿真实验教学体系，对于培养学生的实践能力具有显著的优势，提高了学生的动手操作能力、工程设计能力以及创新能力，对新工科背景下应用型本科高校化学化工虚拟仿真实验室的建设具有十分重要的借鉴意义。关键词新工科；应用型本科；化学化工；虚拟仿真；教学体系 中图分类号G642.0 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0223-02 Construction of Virtual Simulation Experiment Teaching System for Chemistry and Chemical Engineering in Application-oriented Universities under the Background of New Engineering Wang Jinlong1,2(1.College of Chemistry and Food Science Yulin Normal University,Yulin 537000；2.Guangxi Key Laboratory of Agricultural Resources Chemistry and Biotechnology,Yulin 537000,China)Abstract:Under the background of new engineering,students majoring in chemistry and chemical engineering in application-oriented undergraduate colleges are required to have strong engineering practice ability.The experimental training of chemistry and chemical engineering majors will have problems and risks in the process of experimental training due to the characteristics of toxic and harmful chemicals,high temperature and high pressure of industrial devices,and continuity.The introduction of virtual simulation experiment teaching was one of the effective means to solve this problem.The“three-level,five-module and four-combination”virtual simulation experiment teaching system suitable for talent training in application-oriented universities was constructed,which has significant advantages in cultivating students practical ability,improving students hands-on ability,engineering design ability and innovation ability.It has very important reference significance for the construction of virtual simulation laboratory for chemistry and chemical engineering in application-oriented universities under the background of new engineering.Keywords:new engineering；application-oriented undergraduate；chemical engineering；virtual simulation；teaching system 2017 年 2 月以来，教育部积极推动和促进新工科建设，为工程教育改革指明了新的方向，对创新型和应用型人才的培养提出了更高的要求1-2。新工科人才培养的核心内容之一是注重对学生实践动手能力及工程设计能力的培养3。化学化工类专业是实验性的学科，实践教学环节在培养化学化工类专业学生的实践能力、创新能力、综合素质方面发挥着极其重要的作用。针对传统实验教学过程中存在的化学品有毒有害、实验设备不足、实验成本高及耗能大等问题，虚拟仿真教学应运而生并取得了蓬勃发展4-5。通过传统的实验教学与虚拟仿真实验相结合，进一步提高了学生实践活动的兴趣，学生的理论与实践结合能力和创新能力得到了显著加强，有利于学生工程设计能力和综合素质方面的培养。在新工科背景下，应用型本科高校要与时俱进，重新审视和强化虚拟仿真实验室的建设，积极探索虚拟仿真实验教学方法，采用多层次，多维度融通课程，构建化学化工虚拟仿真实验教学体系。本文针对在新工科背景下，应用型本科高校化学与化工类专业课程建设的需要，对化学实验与化工工艺流程及设备进行模拟仿真，形成了本实验教学中心独具特色的化学化工虚拟仿真实验教学体系。1 化学与化工类专业传统实验教学的局限性化学与化工类专业传统实验教学的局限性 1.1 实验的安全性 化学与化工类专业实验经常用到一些有毒、有害、挥发性、腐蚀性的化学药品如酸、碱、重金属、“三苯”、氯仿等，若操作不当，极易造成人体伤害和财产损失；有些实验结束后会生成大量难以处理的“三废”，造成环境污染；有些化学工艺实验需要高温、高压、特定气氛等实验条件，或采用连续操作方式进行，在一般的实验室条件下难以操作，而采用观摩式的实验实训教学，会严重挫伤学生实验积极性，影响实验教学效果。1.2 实验设备不足和实验经费紧张 为保证实验教学的质量，传统的化学化工实验需要采购一些教学仪器与设备。由于化学或化工实验设备一般价格较高，因此实验设备采购时，设备的台套数是有限制的。受制于有限的设备台套数，单个学生的实验学时数变少，因而一些实验只能开展演示型实验或验证型实验，不利于学生动手能力的培养，更不利于学生分析问题和解决问题能力的提高。1.3 实习效果不佳 在认识实习、生产实习以及毕业实习过程中，由于实习企业的机器、设备和塔器连续运转，考虑到学生的安全以及实习企业保密等限制，学生不能靠近设备，只能进行走马观花式的实习。学生的实习流于表面，无法深入了解具体的生产工艺原理和工艺流程，也无法获知设备的内部结构，不利于培养学生的工程意识，使实习的质量大打折扣。化学化工虚拟仿真实验是在计算机系统中，采用虚拟现实技术模拟真实的设备和工艺流程操作，学生可以在计算机上反复进行开、停车操作和故障实验，突破了传统实验教学时间和空间的限制；虚拟仿真实验系统具有交互界面友好，实验形象直观，操作灵活简便，易于理论联系实际；虚拟仿真软件可以重复利用、运营成本低，使用寿命长，解决了传统实验经费紧张和设备台套数的限制。因而，虚拟仿真实验可以弥补传统实验教学的不足，深化学生实践技能的培养，对化学化工虚拟仿真实验教学的探索具有重要的现实意义。2 化学化工虚拟仿真实验教学中心的发展概况化学化工虚拟仿真实验教学中心的发展概况 我校化学化工虚拟仿真实验教学中心的建设始于 2012年，化学工程与工艺专业的设立。在专业设立的同时，成立了化学工程与工艺实验教学中心。考虑到化学化工实验过程的高收稿日期 2023-01-14 基金项目 广西高等教育本科教学改革工程项目(2020JGA282)；玉林师范学院新工科研究与实践项目(2020XGK04)作者简介 王金龙(1977-)，男，河北行唐人，副教授，博士，主要研究方向为化学工程与化学工艺。广 东 化 工 2023 年 第 4 期 224 第 50 卷 总第 486 期 危性、复杂性和有毒有害性等特点，补充购买了化工原理实验仿真软件，进行化工原理虚拟仿真实验教学，以此来弥补化学原理传统实验教学的不足，建立了化学化工虚拟仿真实验教学实验室。之后利用我院教师拥有的科研项目和研究成果，对化工原理虚拟仿真软件中的部分功能进行开发，实现由科研成果向实验教学内容的转化。2013 年，考虑到化工工艺课程实验的需要，为培养学生的工程意识和安全素养，购买了大型低压合成氨合成工艺仿真软件和丙烯酸甲酯工艺仿真软件，将专业课程综合实践仿真软件用于本科生的实验教学，取得了良好的教学效果。为了充分发挥学科专业优势，利用虚拟仿真实验室的实验教学资源，增加一些了校企合作资源，为企业培训员工共享。在化学工程与工艺专业实验教学中心的基础上，把以上三个教学模块组建成三个功能，整合成化学化工虚拟仿真实验教学中心，开始系统地建设化工过程虚拟仿真实验教学中心。根据前期的建设成果，2015 年，化学化工虚拟仿真实验教学中心申请并获批为第一批自治区级(省)虚拟仿真实验教学中心。根据学科建设、人才培养以及虚拟仿真实验教学中心发展的需求，在以后的建设中又采购了化学安全虚拟仿真软件、仪器分析实验虚拟仿真软件等，构成教学平台的硬件系统和工具软件均使用现有的科研设备。建设中的化学化工虚拟仿真实验教学中心可以满足化学与化工类专业不同课程、不同层次的教学需要，可以全面应用于本科生入学教育、通识课程和专业课程教育、专业基础实验教学、专业实践教学以及毕业实验、课题研究中，可以培养学生掌握基本知识和基本技能，以及利用这些知识和技能进行实际设计和综合创新，可以有力地支持大学生课外科技活动，在工程人才和创新人才培养中发挥重要作用。在现有教学资源的基础上，化学化工虚拟仿真实验教学中心将根据高水平专业人才培养的要求，不断开发虚拟仿真实验教学资源，完善和提高虚拟仿真实验教学平台的技术水平。3 虚拟仿真实验教学体系构建的总体思路虚拟仿真实验教学体系构建的总体思路 在建设应用型本科高校化学化工虚拟仿真实验教学中心的过程中，针对我校地方性、应用型、师范性的办学定位，为构建多元化、个性化、高水平的人才培养体系，以培养知识、能力和素质协调发展，服务国家和区域经济社会发展的高素质应用型专门人才为目标，全面推进新工科建设，不断提升教学改革发展的质量内涵。4 虚拟仿真实验教学体系构建的方法虚拟仿真实验教学体系构建的方法 基于虚拟现实、网络通信、多媒体、人机交互等技术6，依托本校区级化学化工虚拟仿真实验室，对化学实验与化工工艺流程及设备进行模拟仿真，形成了本实验教学中心独具特色的“三层次、五模块、四结合”化学化工虚拟仿真实验教学体系，如图 1 所示。图图 1 “三层次、五模块、四结合”虚拟仿真实验教学体系“三层次、五模块、四结合”虚拟仿真实验教学体系 Fig.1 The“three-level,five-module and four-combination”virtual simulation experiment teaching system 4.1 实验教学三个层次“三层次”是按照实验教学内容的性质来划分，将实验教学内容划分为验证型、设计型和科研创新型实验，学生的实践活动从传统的验证性实验课、到综合设计实验、课程设计及毕业设计等设计型实验，再扩展到大学生创新创业训练计划项目和教师的科研项目，对学生应掌握的基本知识、基本技能以及综合应用知识解决实际问题的能力进行培训和锻炼，全面培养学生的实践动手能力和科研创新能力。4.2 实验教学五个模块“五模块”是按照专业知识体系和虚拟仿真实验平台搭建，包括化学安全仿真模块、仪器分析仿真模块、化工原理仿真模块、化工工艺仿真模块和综合实践仿真模块。(1)化学安全仿真模块包括安全常识、个人防护安全、化学品洒出、实验室火灾、水银泄露、停水停电、试剂安全等虚拟仿真实验。通过实验过程中涉及到危险化学品的介绍和学习，掌握安全使用危险化学品的方法以及个人防护知识；针对实验室发生的化学品洒出、水银泄露以及停水停电，掌握正确的处理方法；对于实验室的火灾安全隐患，做好应急处理预案，掌握灭火的方法。化学安全仿真操作在新生入学后进行，成绩达到一定的标准方可进实验室开展实验工作。(2)仪器分析仿真模块拥有气相色谱、高效液相色谱、原子吸收光谱、红外光谱、紫外光谱、分子荧光、气质联用、X射线衍射、扫描电镜等仪器分析三维网络虚拟实验室，学生可通过计算机和网络虚拟平台学习设备的构造、基本操作以及数据分析处理等基本知识，结合在课堂上学习的相应设备的原理、结构、操作要点等，可以提高仪器分析实验的成功率，缩短了实验时间，解决了在大型仪器分析实验教学中实验资源紧张，教学成本高等问题，同时提高了学生的学习兴趣，提高了教学效率。(3)化工原理仿真模块包括流体过程综合实验、离心泵串并联实验、气-气传热、水-水传热、精馏、吸收(氨-水)实验、吸收(二氧化碳-水)实验、干燥速率曲线测定、板框过滤、正交实验法在过滤研究实验中的应用、萃取塔实验等 11 个化工验证型实验。通过将复杂的化学工业中的典型单元操作在虚拟仿真软件上进行模拟训练，解决了化工原理实验设备资源紧张，运行和维护费用较高等问题，增加了学生的动手机会，有利于学生实践能力和工程素质的培养。(4)化工工艺仿真模块拥有丙烯酸甲酯生产工艺仿真和大型低压合成氨合成工艺仿真，前者包含酯化反应器、分馏塔、薄膜蒸发器、醇萃取塔、醇回收塔、醇拔头塔、酯提纯塔等设备模拟仿真训练，后者包括合成压缩、氨合成塔、氨分离器、氨冷闪蒸器、汽轮机和凝汽器等设备模拟仿真训练。通过这个模块的学习，使学生熟悉相关工艺的工业背景和工艺流程，理解合成机理、主要设备及其在整个工艺中的作用，掌握工艺知识和设备知识，达到根据工艺流程和设备来画工艺流程图。通过仿真操作，使学生对化学品合成的工艺流程、正常工况维持的工艺参数、开车、停车的过程以及相应工艺在化工厂的常见事故处理方法有更加详细的了解，帮助学生理解化学品合成的工艺原理及工艺流程。(5)综合实践仿真模块包括停车操作、催化剂层温度异常、系统压差异常、单元设备停用、原料供应异常、塔压增大、泵故障、换热器故障等虚拟仿真训练，可以让学生在模拟中控DCS 流程界面、DCS 总貌界面和中控 DCS 设备故障报警界面下，进行非常态下仿真设计与训练。学生可以设计不同的开、停车实验方案、设定不同事故或不同的极限运行状态，考察学生对专业知识灵活运用的能力，培养学生的工程理念，学会用工程方法分析和解决问题的能力。4.3 实验教学四个结合“四结合”是按照虚拟仿真实验教学中心在培养工程实践型人才的要求，要达到虚拟与实体相结合、教育与科研相结合、学校与企业相结合以及整合与创新相结合。(1)虚拟与实体相结合：在人才培养过程中，要充分认识到虚拟仿真实验教学在工程技术人才培养中的优势和局限性，切不可盲目追求信息化教学和虚拟仿真操作，将现实条件完全具备的实验项目都安排虚拟仿真操作。对于一个完整的实验项目，能让学生亲自操作的实验步骤一定要让学生动手完成。比如对于仪器分析虚拟仿真实验，虽然大型的仪器设备由于现实的条件暂时无法购买，然而试样的前处理、制样、数据处理等步骤还应该由学生亲自实践，而设备的操作可以在电脑上虚拟完成。又比如工厂实训仿真，可以让学生模拟设备的开车、停车、提负荷、工况维持、故障排除，但化工设计、物料衡算、能量衡算等知识应该由学生亲自完成。总之，要探索虚拟仿真实验的教学模式，准确把握虚实结合的程度，强化学生亲自动手操作的能力，使虚拟仿真教学真正为培养“新工科”人才服务。(下转第 228 页)广东化工2023年 第4期第50卷 总第486期图图4思维导图代表作思维导图代表作Fig.4The representative mind map work6小结小结“思维导图+TBL”教学模式在新农科背景下生物化学教学过程中取得了较好的应用效果。它既能提高教师的教学水平，简化教学步骤，又能够提高学生的归纳、记忆和创新等能力。更重要的是学生们还学习到绘制思维导图的学习方法，对其他课程的学习也将产生深远影响。因此，值得将“思维导图+TBL”教学模式在更多非生物学专业学生或其他课程中推广尝试。参考文献参考文献1托尼巴赞思维导图M李新译，北京：作家出版社，19992托尼巴赞启动大脑M丁叶然译，北京：中信出版社，20093李仪秀，李武芬，方海雁，等思维导图在护理教育中应用效果的研究进展J循证护理，2021，7(3)：320-3234阎雪，李国威思维导图为主教学法在呼吸内科教学中的应用J中国继续医学教育，2021，13(20)：50-545颜红，郭志良，蔡欣，等基于雨课堂的改良式TBL教学法在大班制生理学教学中的应用J生命的化学，2021，41(5)：1087-10926刘洋，刘耀阳，郑勇军，等翻转课堂联合TBL教学法在外科手术学基础教学中的应用J中国继续医学教育，2020，12(27)：1-5(本文文献格式：蒋珺，陈庆梅，母培强，等生物化学课程“思维导图+TBL”教学模式的探究与应用J 广东化工，2023，50(4)：225-228)(上接第224页)(2)教育与科研相结合：为实现培养适应区域经济和社会发展的人才要求，仿真实验教学中心积极开展教学研究和教学改革，鼓励老师积极利用科研团队的研究项目开发虚拟仿真实验项目，在虚拟仿真实验平台上完成综合性实践的操作；积极引导学生参与创新、创业活动等各种实践环节。通过教学与科研的结合，使学生养成实事求是、严谨认真的治学态度；学生动手操作能力得到的很大的提升，提高了学生对知识融会贯通的能力以及创新意识。(3)学校与企业相结合：化学化工虚拟仿真实验教学中心在建设中，积极与实习基地加强联系，将企业已经完成的一些工程项目，转化为虚拟仿真实验项目，让学生亲身参与、实践，学生可以体验到工程实践的重要性，为以后工作打下基础；加强与国内外相关院校、公司建立联合实验室，实现优势互补，资源共享，加大引入社会资源的力度，更快接触、吸收先进的实验教学手段、方法和软件，提高了实验室对社会开放的能力和贡献。(4)整合与创新相结合：在虚拟仿真实验教学中心的建设中，对已有的仿真资源进行归纳和整理，将相互联系的仿真项目进行归类，并对其与对应的理论知识进行整合，避免在后期的规划中重复建设，实现仿真教学资源配置的最优化，提高教学资源的利用率；不断完善和丰富虚拟仿真课程的内容建设，提升虚拟仿真平台对学生的锻炼效果。教师在教学工作中，要采取少而精的原则选择虚拟仿真实验，不搞“大水漫灌”式的仿真实验教学；综合利用虚拟仿真教学资源，根据化学与化工类专业的特点和培养方案中创新型人才目标的要求，积极开发虚拟仿真教学资源。5结语结语学生通过虚拟仿真实验的训练，巩固了在专业课程学习阶段所获得的理论知识，促进了理论知识的消化和理解，提高了相关理论课程的通过率；学生的实际动手能力和实践能力得到显著提高，为学生在以后的求职或研究生深造中奠定了坚实的基础。通过构建“三层次、五模块、四结合”化学化工虚拟仿真实验教学体系，很好的实现了与现有实体实验项目的互相补充，化学化工虚拟仿真实验室已成为培养人才的重要实践基地，在培养学生实践能力、分析问题和解决工程技术问题的能力中发挥着越来越重要的作用。在新工科背景下，化学化工虚拟仿真实验教学在未来的建设工作中，将不断丰富和完善专业知识体系与管理制度，提高学生的实践能力和工程技术能力，扩大资源共享，更好地发挥本中心在人才培养中的作用。参考文献参考文献1赵天宇，吕玲玲，龙世佳新工科背景下应用型本科院校无机化学实验室建设和管理策略研究J山东化工，2022，51(1)：250-2532周权，李长江，张娜，等新工科背景下地方性高校化工类基础实验教学改革的思考J科技视界，2020，(16)：140-1413李鲁闽，陈凯新工科背景下虚拟仿真实验在化工专业教学中的应用J广东化工，2019，46(14)：213-2144周华从，洪海龙，陈秋月，等高校工科专业实习实训课程虚拟仿真教学实践：以制药工程专业为例J创新创业理论研究与实践，2021，4(6)：111-113+1185卢勇基于虚拟仿真技术的高校思政课在线教学实践探索J中国大学教学，2021，(4)：79-846靳满满，田文德，陈秋阳化工过程虚拟仿真实验教学模式探索J实验技术与管理，2017，34(3)：134-137(本文文献格式：王金龙新工科背景下应用型本科高校化学化工虚拟仿真实验教学体系的构建J广东化工，2023，50(4)：223-224)