化工虚拟仿真课程教学方法研究与实践

［摘 要］化工仿真实习作为一种高效的现代化教学手段，能够让学生不进工厂、不上装置就能得到开车、停车和事故处理等操作机会，了解化工过程工艺和控制系统的动态特性。鉴于传统教学模式已无法满足化工虚拟仿真课程的教学需求，高校急需探索并实施新的教学策略和方法。近年来，上海交通大学化工虚拟仿真课程组在承担这门课程教学任务的过程中，不断探索教学内容重构与教学模式创新，以提升教学质量和学生实践能力，并基于学情分析与实践经验展望课程未来建设方向，以期推动化工相关课程体系的持续优化与发展，培养出更多适应新时代要求的化工专业人才。

［关键词］化工虚拟仿真；教学模式；翻转课堂；PBL；课程改革

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）24-0075-04

培养学生实践能力已成为当前新工科教育体系中的核心要素，而在化工高等教育领域，实习类课程是促进学生实践能力提升的重要途径[1-4]。然而，化工企业出于生产安全与经济效益的考虑，往往不允许学生下厂实习期间直接动手操作，这在一定程度上限制了学生的实操经验积累。化工虚拟仿真课程利用仿真软件，通过图形化控制操作界面，将复杂的化工过程以直观的方式在计算机上进行仿真（模拟）。化工仿真实习能够让学生不进工厂、不上装置就能得到开车、停车和事故处理等操作机会，了解化工过程工艺和控制系统的动态特性[4-7]。通过虚拟仿真实习能够帮助学生建立对化工过程及操作的认识，锻炼工艺过程运行与控制的能力，从而增强学生的实习实践效果，使他们在实际工厂环境中能够更快适应、更有效地学习和应用所学知识[8-9]。

有别于常规的专业理论课程或实习、实验类课程，化工虚拟仿真课程具有典型的理论与实践相结合的特点，通过模拟真实的化工环境和过程，使学生在实践中深化理论理解，运用理论指导实践操作。然而，传统教学模式并不完全适用于化工虚拟仿真课程，因其无法满足学生多样式的学习需求，限制了师生间的有效互动，且难以确保理论与实践的紧密结合[10-15]。因此，基于学情分析，创新教学模式显得尤为重要，以更好地适应化工虚拟仿真课程的特点。

课程组在承担化工虚拟仿真课程教学任务的过程中，不断探索教学内容重构与教学模式创新以提升教学质量和学生实践能力，并基于学情分析与实践经验展望课程未来建设方向，以期推动化工相关课程体系的持续优化与发展，培养出更多适应新时代需求的化工专业人才。

一、学情分析

本文以上海交通大学为例，在化工虚拟仿真课程的教学实践中引入网联版虚拟仿真系统。该系统全面覆盖了过程工业中典型的单元操作模块，如离心泵、热交换器、压缩、间歇/连续反应、加热炉、吸收、精馏等，同时还包括锅炉、大型合成氨转化、常减压蒸馏及催化裂化反应再生等流程级仿真模块。每个单元或系统均配套操作手册和演示视频，学生可凭分配的学员账户随时进行仿真实习操作，系统能自动记录成绩，便于教师通过管理员账户随时查看。课程组在承担本课程教学任务的初期，总结发现以下问题：一是部分学生专业基础课知识掌握不牢或遗忘，仿真实习时盲目操作；二是传统课堂讲解互动不足，学生难以做到学思结合；三是部分学生机械地跟随操作，仿真实习变成“闯关游戏”；四是部分学生甚至对课程产生误解，认为只要学会使用软件，这门课就算学好了，严重背离了本课程的教学目标[13]。

基于以学生为中心的教学理念，课程组认为打造高效课堂有两大前提条件：一是学生做好课前预习，对将要仿真的单元操作有一定程度的认识和理解，课堂讲解时能做到紧跟思路，有效吸收知识要点；二是对教学知识结构进行重构，超越仿真实习内容，带领学生回顾化工学科核心知识，如“三传一反”、化工热力学、化工过程控制等，引导学生运用所学理论知识分析化工过程运行和控制的原理，并解决实际操作中遇到的各种问题。只有具备这两大前提条件，学生仿真实习时方能做到学思结合。综上，亟须创新教学模式以解决当前化工虚拟仿真课程教学中存在的问题，促进学生主动学习，深化理论知识与实践操作的融合。

二、教学模式创新与实践

经过深入的学情分析，课程组充分认识到本课程教学中存在的若干关键问题。基于此，课程组不断探索与实践，提出了采用问题驱动教学法（Problem⁃Based Learning， PBL）、翻转课堂（Flipped Classroom，FC）、小组合作式学习（Team⁃Based Learning， TBL）等多种新型教学模式，旨在激发学生的学习兴趣，提升他们的自主学习能力与团队协作能力。同时，课程组对教学知识结构进行了重构，将仿真实习内容与化工专业课程知识点紧密联系起来，并在此基础上构建了如图1所示的课程教学组织框架。

（一）重视组织学生有效开展课前预习

学生课前预习是打造高效课堂的先决条件之一。为了督促学生充分预习，课程组在每个单元正式讲解前，会通过上一次课程的课后作业形式布置预习任务，并将学生课前的仿真实习成绩纳入平时成绩，作为课程总成绩的一部分。学生需登录分配的学员账号，参考每个单元附带的操作手册和视频演示，进行冷态开车、热态停车、事故诊断及排除等仿真实习操作。系统自动记录仿真实习成绩（多次实习仅记录最高得分）。教师在正式授课前一天（与学生约定的具体时间节点），登录管理员账号统计学生的仿真成绩，其中各单元仿真实习成绩将取平均值，并按50%的比例计入课程总成绩。同时，教师提醒学生在完成仿真实习后，及时复习巩固实习中涉及的理论知识点和操作技能，以加强对专业知识的理解与应用能力。

（二）灵活运用问题驱动教学法开展课堂讲解

在化工虚拟仿真课程教学过程中，教师精心设计与学情分析相匹配、难度适中且循序渐进的问题驱动链条，结合学生反馈持续更新，旨在引导学生深入思考，将回顾的“三传一反”、化工热力学、化工过程控制等专业理论知识与实际问题相结合，从而加深学生对理论知识的理解，提升学生的课堂参与度和学习积极性。例如，在介绍“吸收—解吸”单元工艺原理时，教师设计了如图2所示的问题驱动链条，通过问题1“如何提高吸收过程效率？”回顾化工原理中的相关知识，问题2“为何高压、低温对吸收有利？”回顾化工热力学中的相平衡理论，问题3“为什么吸收过程放热？”回顾热力学第二定律及熵、焓等热力学函数之间的关系，问题4“吸收与精馏有何区别？”回顾吸收和精馏的原理及两者的区别。

教师针对每个单元精心设计1个开放式问题或话题，组织学生分组讨论，并邀请各小组代表上台汇报讨论结果，以此激发学生的思维活力，提高学生的团队协作与沟通能力。例如，在介绍“管式加热炉”单元时，教师提问“纯氧或富氧气体代替空气做助燃剂将有哪些好处？”，引导学生从加热炉热效率、NOx生成、烟气CO2捕集等多个角度进行解答。这些内容不仅涵盖了化工原理、反应工程等专业理论知识，还巧妙地关联到了“两山”精神、“双碳”目标等热点话题，成为极好的课程思政融入点。

（三）重视引导学生有效开展化工仿真实习

学生在课前已参考操作手册和视频演示完成了相应的仿真练习，随后，在仿真实习环节，教师创新性地采用了翻转课堂教学模式，随机抽取学生上台演示冷态开车、热态停车、事故诊断及排除等一系列实习操作。在演示过程中，教师在台下进行实时指导与点评，同时带领其余学生共同参与讨论，分析操作的正确性、操作的细节处理以及操作中可能遇到的问题与解决方案，从而进一步巩固学生的专业知识，提升其实践技能。

此外，教师还可以提出以下问题供学生探讨：（1）每个操作步骤（启动、条件参数、稳定控制等）的目的是什么？（2）这些步骤是遵循强顺序性还是非顺序性？（3）能否省略或采用其他方式操作？（4）调整变量和被调变量分别是哪个？（5）这些变量之间是直接关系还是间接关系？（6）工艺或操作过程中可能存在哪些潜在危险或事故？（7）这些危险或事故的根源是什么？通过引导学生探讨上述问题，教师不仅能够帮助学生深入理解工艺过程，还能有效培养他们的批判性思维和问题解决能力。

（四）课堂总结

在课堂总结环节，教师针对重难点以及学生普遍存在的疑问进行了系统的梳理和清晰的解答。同时，教师还布置了针对性的课后作业，旨在巩固学生对课堂所学重难点知识的理解与应用，并鼓励他们进一步探索相关问题，寻求解决方案。

课程的总成绩主要包括两部分：一是仿真系统自动记录的学生课前仿真实习的成绩，该成绩综合反映了学生在多个实习单元中的操作技能与理解水平；二是期末进行的闭卷考试成绩，用于全面检验学生对课程理论知识的掌握程度及实际应用能力。

三、课程未来建设方向

在新工科背景下，强化实践环节与教学基础设施建设并重，同时推动化工虚拟仿真课程向更高层次的模拟真实度与互动性发展，成为课程未来建设的核心方向。

在教学内容方面，需紧扣专业培养目标、学生毕业要求、学科发展及社会需求，不断优化教育知识图谱。在仿真单元操作类型选择与问题驱动链条设计上，要确保化工虚拟仿真课程与其他专业课程有效衔接，同时充分反映化工学科最新进展及其在国民经济热点与关键领域的重要作用，以有效支撑学生毕业要求的达成。此外，根据新时代高校课程思政建设的要求，需充分挖掘化工虚拟仿真课程中的知识原理、科学史、大师级人物或典型案例等思政元素，构建针对性强、内容丰富的思政案例库，并通过恰当的课程设计，实现课程思政与专业知识的深度融合，力求在传授专业知识的同时，潜移默化地培养学生的思想政治素养、职业道德和社会责任感，使之成为具有创新精神和社会责任感的高素质专业人才。

在教学模式方面，坚持以学生为中心的教学理念，注重学情分析与学生反馈的收集，不断创新和完善诸如PBL、TBL、FC等新型教学模式，旨在提高学生的课堂参与度和学习积极性，营造活跃的课堂氛围，促使学生由被动接受新知识转变为在教师引导下主动探索与学习新知识。同时，通过采用新型教学模式，加强基础理论知识与实践知识的深度融合，鼓励学生积极提问，多探究“为什么”，使学生在仿真实习环节中既能知其然，亦能知其所以然，实现学思结合，从而深化学生对理论和实践知识点的理解与掌握，切实提升学习效果。

在教学基础设施建设方面，未来可依托人工智能（AI）及虚拟现实（VR）技术，建设“化工过程AI+VR虚拟仿真实验室”，针对现代智能工厂和典型化工单元或系统，通过VR沉浸式体验、AI赋能人机交互、第一视角操作、视听觉多维环境等手段，为体验者提供高逼真度、强交互性、高效且安全的仿真培训，提高学生的认知能力和实践能力，培养出适应时代发展和社会需求的化工专业复合型人才。

四、结语

自课程组承担化工虚拟仿真课程教学任务以来，通过实施教学内容的重构与教学模式的创新，显著提高了学生的课堂参与度和学习积极性，营造出了活跃的课堂氛围，并有效促进了师生关系的和谐。在这一过程中，学生得以学思结合，学习获得感大幅提升，真正贯彻了以学生为中心的教学理念。近年来，在学校教务处的课程评教活动中，化工虚拟仿真课程实现了“C→B→A2”三级跨越式的提升，其教学效果赢得了广大师生的一致好评。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 辛忠.面向化工产业变革，积极探索复合型创新人才的培养规律和路径[J].化工高等教育，2023，40（2）：1.

[2] 赵强，曹江涛，金鑫.新工科背景下的石化控制类工程人才培养体系的研究与实践[J].大学教育，2023（18）：101-104.

[3] 王荣芳，韦星明，陶萍芳，等.新工科+工程教育认证背景下人才培养研究：以化学工程与工艺专业为例[J].教育教学论坛，2024（7）：185-188.

[4] 顾洪溪，杜娟，文平，等.新工科背景下化工专业实践基地建设的思考与探索[J].云南化工，2024，51（2）：112-114.

[5] 曾乐林，王国祥，周媛.新工科建设背景下化工专业现场实习和仿真实习的利弊及二者相结合的优势[J].安徽化工，2023，49（1）：186-188.

[6] 王筠，杨可，陈泳兴.新工科背景下虚拟仿真技术在化工专业实践课程中的建设与应用[J].化工时刊，2023，37（2）：103-104.

[7] 杨文，冯艳艳，吕奕菊，等.虚拟仿真在化工生产实习教学中的应用[J].科学咨询（教育科研），2023（9）：32-34.

[8] 曾嵘，朝俊龙，刘建文，等.仿真实习在化工原理教学改革中的探索与实践[J].化学工程与装备，2023（4）：259-261.

[9] 李海玉，高红方.以应用型化工人才培养为导向的混合式教学探索与研究[J].化工管理，2023（24）：41-45.

[10] 邹汉波，杨伟，陈胜洲，等.化工专业项目驱动与O2O融合教学模式的实践与思考[J].化工高等教育，2022，39（6）：68-74.

[11] 李昱，宋兰兰，张红秀.夯基础、强实践的化工原理教学创新初探[J].大学化学，2024，39（8）：91-98.

[12] 孙家斌，贾子光，孙伟，等.基于三维快速协同设计的化工过程机械课程CDIO教学模式研究[J].化工高等教育，2023，40（4）：48-54.

[13] 马洪霞.高职实践课程“翻转课堂”教学模式的探索：以化工仿真实训课程为例[J].大学教育，2016（6）：37-38.

[14] 陈亚举，胡炜杰，康新平，等.RCEP背景下高校化工专业创新教学模式探讨[J].创新创业理论研究与实践，2024，7（5）：13-15.

[15] 孟秀霞，张津津，庄淑娟，等.聚焦学生解决复杂工程问题能力培养的化工原理课程三维立体式教学模式探索与实践[J].化工高等教育，2022，39（5）：84-90.

［责任编辑：梁金凤］