运用虚拟仿真模拟强化化工原理课程教学

基金项目：教育部2022年产学合作协同育人项目“离子膜烧碱和煤制甲醇生产工艺虚拟仿真师资培训”（220604697020857）；河南省本科高校新工科新形态教材“化工原理”（教办高[2023]395号）；河南省示范性虚拟仿真实验教学项目“离子膜烧碱生产工艺虚拟仿真实训”（教高[2018]991号）；河南省虚拟仿真实验教学项目“煤制甲醇生产工艺3D虚拟仿真实验教学项目”（教高[2020]502号）；信阳师范大学研究生教育改革与质量提升工程校级项目“化学课程与虚拟仿真实验研究”（无编号）；信阳师范大学2024年高等教育教学改革研究与实践项目“化工虚拟仿真实验教学平台建设与运行机制研究”（无编号）

第一作者简介：于永生（1979-），男，汉族，河南通许人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为化学教学及功能陶瓷材料。

*通信作者：井强山（1970-），男，汉族，河南信阳人，博士，教授。研究方向为化学教学及非金属矿。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.023

摘  要：化工原理是化工类专业极为重要的一门以实验为基础的必修课程。该课程知识面广、工程实践性强、实验多，但因受实验场地、实验设备、重理论轻实践的教学模式的影响而忽视对实验操作能力的培养，最终培养出的学生大多是知识型人才。鉴于此，该文通过探究虚拟仿真模拟在化工原理课程教学中的应用，与传统理论与实验教学相比分析其优势，指出其不足，进而为更好地培养学生，建设虚拟教学体系；提出加大师资力量建设、培养学生使用意识、资金投入三点建议。

关键词：化工原理课程；虚拟仿真技术；工程素养；创新培养；实验教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0092-05

Abstract： Principle of Chemical Engineering is a very important experimental based compulsory course for chemical engineering majors. This course has a wide range of knowledge， strong engineering practice and a lot of experiments. However， due to the influence of experimental sites， experimental equipment and the teaching mode that emphasizes theory over practice， the training of experimental operation ability is neglected， and most of the students cultivated in the end are knowledge-based talents. In view of this， this paper explores the application of virtual simulation in the teaching of Principle of Chemical Engineering， analyzes its advantages compared with traditional theory and experiment teaching， points out its shortcomings， and then builds a virtual teaching system to better train students. The paper puts forward three suggestions， strengthening the construction of teachers， cultivating students' awareness of use， and increasing capital investment.

Keywords： Principle of Chemical Engineering; virtual simulation technology; engineering literacy; innovation training; experimental teaching

化工原理是化学工程学科中的基本理论之一，其内容包括单元操作设备设计选型、构造、实验操作原理、研究方法和数据处理等，按照课程特点可分为传质分离单元、流体力学与传热、化工原理实验及化工见习与化工课程设计五个板块。化工原理实验具有基础性、实践性和工程性较强等特点，在培养学生工程实践能力方面具有重要作用[1]，是整个化工原理教学最为关键的版块。通过实验可以让学生了解化工生产的实验设备、操作过程，并反映学生的理论知识掌握情况。传统课程教学按照老师讲授理论—老师实验—学生分组进行练习，但受限于实验设备条件和场地面积无法保障每个学生同步进行相同实验，且大多数实验药品对身体有害，实验者的工程素养参差不齐，因而教学效果不佳。其次，应试教育重理论轻实践的教学模式，培养出来的往往只是知识型人才。大部分学生并不具备解决实际复杂工程问题的能力，难以满足社会对实用型人才的要求。应如何解决学生工程能力边缘化，满足企业对实用型人才需求这一难题呢？

近年来，虚拟仿真技术借助于信息化的互联网技术发展迅猛，尤其在2017年，教育部发布《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》。国家对高校建设虚拟仿真实验室给予了政策支持，各高校纷纷开启了“平台共享与项目开发”虚拟仿真建设。在一定程度上促进了高校对实验教学模式的改进[2]。经过四年多的发展，已经取得了初步成效。这一效果在高校工程基础实验教学领域体现明显，如基于化工“互联网+仿真实验原理”的网络控制实验中心建设，使学生能够在不受时间和空间限制的情况下与同学共享信息，进行探究学习式的协作。这种以学生为中心着重培养学生的工程和专业素养，从而提高创新创造活力的培养方法，不同于传统的应试教育的教学模式，而是由理论教育和实践能力结合化的培养要求，二者相互促进，满足了社会发展对人才的需要[3]。

一  虚拟仿真技术的定义

虚拟仿真技术从广义上讲是在媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技基础上，以构建全系统虚拟环境集成与控制模拟器实体，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术。它与VR技术有着相似的原理：都是通过使用虚拟仿真对现实世界中人们很难接触到的过程进行还原，让人们通过网络体会到。它基于计算机软硬件系统，以现实中的化工工艺、仪器设备等为模拟对象和基础，利用特定的计算机软件程序模拟化工设备的操作和具体的工艺流程[4]。在虚拟仿真软件里，学生通过3D虚拟仿真练习不仅能够真实地感受化工生产环境，还能从工厂的布置，区域的划分中参与虚拟的真实工艺过程。一方面弥补学生在理论学习中对管道、调节器、阀门等设备了解的不足，进一步提高学生对化工厂的工艺流程、设备布置、化工生产技术的理解能力，巩固所学的理论知识；另一方面加强学生工程设计能力，提高学生理论与实际操作相结合的能力。

二  传统化工原理课程教学存在的不足

（一）  理论教学存在的问题

化工原理课程知识点冗杂、抽象、流程覆盖面广泛，教师较难讲解的通俗易懂[5]。目前，大多数高校化工原理理论教学分一周二到三次，由于课程内容多、学时短，有的老师为了加快教学进度，讲课速度快，师生互动有限，因而很多学生被迫处在一种“满堂灌”的状态中，跟不上老师讲课的节奏，造成对知识点理解把握不牢。这些情况只是在客观上完成了教学计划，但培养出的学生往往只是知识型人才，忽视与生产实际相结合，并不具备解决实际问题的工程能力，不能满足当前社会对化工人才的要求。

（二）  实验教学存在的问题

1  学生学习缺乏主动性

化学实验分为研讨性实验和验证性实验，它们都是有一定的实验目的并按照实验步骤进行的。在实际操作中，研讨性试验很少涉及。而传统的化工验证性实验教学模式是“学生预习实验—教师讲解实验原理—演示操作—学生操作记录数据—学生写实验报告”。在这个模式中，会存在以下问题。

第一，目前国内大多数高校化工专业的基础理论与实验配套课程在内容选材上与引领科技前沿的创新性实验相差比较远，学生不感兴趣。因此，对课程重视程度不够。第二，很多教师没有通过构建问题情境激发学生的兴趣和动机，学生没有养成在实验中探索、在实验中分析和解决问题的好习惯。这样，学生只会把它当成任务消极被动地完成作业。第三，以实验报告为主作为结课成绩的考核方式并不合理，很多学生仅仅是去抄袭，导致一些学生的实验积极性和学习热情不高，教学效果较差。

2  操作要求严苛，容错率低

化工原理实验会涉及各种各样的化学物质，有的化学药品属易燃性和毒性物质。因此，在进行化工实验时，要特别注意这些不安全因素对实验操作条件的要求。例如，热态实验和热辐射实验，实验环境对于温度压强要求严苛，此外该试验涉及环节多、周期长，因而操作复杂，如果学生一旦误操作会对设备有很大的影响。正是由于其容错率很低，所以高校开设的化学实验，都受限于安全担保能力的制约，以至于某些实验不能跟进生产实际，从而制约了实验教学水平的提高[6]。

3  教学条件不足

化工原理实验不同于基础实验中以小型玻璃仪器为主，其更接近实际化工生产过程，具设备实验场地所需面积大，单台设备费用高、投资大、占地面积大等特点[7]，学生因而只能分成小组进行实验。每个小组个体负责整个实验的某个环节，学生只能从局部感知实验，没有办法参与整个实验的全流程，这在一定程度上会限制学生的大型实验操作学习，导致学生只能从局部看问题，不利于培养学生统领全局的能力。实验装置的材料大多由钢制品制成，容易生锈腐蚀，而且后期维护费用高。这些问题给教学带来了极大的挑战，影响教学效果。

三  化工原理课程虚拟仿真模拟教学的优势

（一）  激发理论学习兴趣

化工生产过程是包括流体输送、沉降、过滤、吸收等在内的多个化工操作单元的集合。在理论讲授过程中可以利用化工虚拟仿真软件将这些基础实验操作单元通过动画人物讲解、VR实验等众多新形势的大众化使用进行形象的演示和互动操作，使学生体验到工程技术人员的角色[8]。例如，在溶液结晶设备选择的理论课授课中可以通过虚拟仿真软件了解DTB型结晶器内部结构构造，进一步通过虚拟KCL结晶生产过程，使学生深入了解生产工艺和过程控制，从而让学生明白与流化床型结晶器的区别。有别于传统理论讲授，通过这种有趣又直观的教学方式，可以激发学生学习的兴趣，摆脱学生只知理论，不懂过程的囧境。

（二）  提高课程设计能力

课程设计是化工原理重要的一个环节，它是综合运用理论知识完成化工单元操作重要的实训课程，是将理论应用到实际的重要转化。虚拟仿真随着计算机的发展，在化工课程设计应用中越来越广泛。以乙苯-苯乙烯粗馏塔设计为例，根据参数要求，通过在模拟软件Aspen Plus建立乙苯-苯乙烯操作单元动态模拟，软件由系统实现策略、单元操作模块、物性数据库三部分组成，具备绘制图标，优化流程，过程动态分析等功能，可以使学生直观地看到。因Aspen软件需要用到大量化工原理、化工过程传递、化工专业等方面的专业英语知识，因此，在学生学习掌握的过程中无形中复习巩固大量之前学到的知识。一方面巩固学生掌握对知识的迁移应用能力；另一方面可以提高解决故障能力，学生在使用过程中可以通过对有可能出现的设备缺陷、故障等紧急情况的处理，锻炼自己设计设备的思维、方式和对关键部位的改进能力[9]。在课程组合这种教学模式下，学生不再以认识学习软件为目的，而是通过软件和实验装置完成一定的生产实践任务，从而提高软件运用能力和课程设计能力。

（三）  提高实训综合能力