化工仿真操作教学方式改革与实践

孙 平，李学坤，李蓓蓓，周跃花，石 奇

(西安文理学院 化学工程学院，陕西 西安 710065)

化学工程与工艺专业是化工类专业中的重要专业之一，工程教育的目标决定了化学工程与工艺教育中实践教学的重要性。由于化工操作流程复杂、危险性大，使得在化工企业现场实习中学生能够亲自操作的内容较少，而使得仿真操作在化工实践操作训练中的重要性被广大院校所重视。目前，国内院校化工类专业普遍采用仿真操作教学来弥补企业实习的不足之处[1]。但如何提高化工仿真操作训练的有效性和化工实践能力的综合训练是一个值得探讨的问题[2-3]。

1 化工仿真操作实训中遇到的问题

1.1 训练不够全面

仿真操作依靠的是由专业仿真软件公司制作的集成化软件进行操作训练。这里主要进行的是学生的操作技能训练，学生可以获得类似化工厂的操作体验。学生首先进行训练，然后进行系统考核，这是目前大多数院校采取的方式。但这种方式过程单一，学生虽然可能学会了操作，但对操控的原理并不一定掌握。另外，学生在训练时也没有对控制策略进行认真思考。因此，需要在操作训练基础上，进一步在控制原理方面进行训练。

1.2 考核方式单一，不够全面

考核的主要目的在于了解学生对操控知识、工艺知识的掌握程度，但软件所提供的考核方式相对比较单一。对于学生在日常训练中的过程并没有进行考核，对学生在能否做到在企业“上班”的实战化考核也难以进行，如果每次点名，会造成指导教师工作量过大，因此，难以执行。因此，在考核的全面性方面应当进行总结、扩展[4]。

2 化工仿真操作的扩展训练与综合考核实践

2.1 化工仿真操作的扩展训练

笔者所在专业在多年化工仿真操作教学的基础上，逐步形成了较为全面的化工仿真操作的扩展训练。主要采取以下方式进行。

2.1.1 工艺模块训练与考核

通过软件所提供的训练模块，进行全面训练，主要采用课堂讲授结合学生训练和巡回指导方式进行。而后，安排学生自主学习时间，学生进行自主训练，并完成模块考核。具体实施方式如下：第一、模块训练最初由指导教师讲解工艺流程和控制方案，对操控中可能出现的问题进行讲解。在此可采用提问等方式了解学生的掌握程度。同时，对其它课程中所学的知识与仿真训练相结合，使学生进一步理解基础课程的作用。第二、学生进行操作训练。在此期间，指导教师巡回指导，解决学生在操控中遇到的问题。这部分内容一般安排4课时进行。第三、在完成课堂训练之后，安排2课时的自主学习，学生在此期间进行自主训练，训练结束后，自行登录完成考核2课时。

2.1.2 扩展训练

对于化工本科学生来讲，化工设计是学生能力培训的主线，其中自控制设计是化工设计的必要环节，但学生在此方面大多不够善长，另外，PID图识图、绘图是化工设计和化工操控的基本要素之一。DCS画面是在PID图基础上的简化版。为了能够使学生能够将仿真操作中的DCS界面与现场界面有机整合，我们为学生布置了利用DCS界面和现场界面信息绘制PID图。这样不仅可以使学生能够进一步理解DCS界面和现场界面的关系，而且对工艺和控制会有更深的理解。同时可以训练学生的制图规范性和熟练度，经过大量的PID图绘制，学生的CAD制图能力和PID图的规范性均得到了极大的提交，在毕业论文环节中的体现优为明显。为了进一步提高学生制图的规范性，指导教师在第二次课时，将作业收齐，并尽可能现场批阅，对每个学生制图中的问题进行一对一讲解，并甄别复制的作业，从而促使每个学生独立完成作业。学生就能够逐步提高制图能力和自控制设计能力。在后期，多数学生能够绘制规范的PID图。

2.2 综合考核体系的建立

在能力训练和扩展训练过程中，形成了模块考核成绩和作业成绩，这已经大大丰富的考核方式。但在实践中发现，部分学生在课堂练习时，并没有认真进行训练，而是在绘图，更有甚者直接旷课。因此，课堂练习环节还需要进一步的考核。我们在教学实践经验基础之上，利用系统对学生的迟到、早退进行考核。但运行时发现，虽然迟到、早退问题得到了改善，但新的问题随之出现。在课堂上写作业，做其它事情的问题并没有得到解决。最后，我们采用了训练成绩加权计算方式。具体方法是，以所有学生的训练成绩为基础，将最高分设置为100分，其它成绩按比例加权。这样，学生马上面临平时成绩不达标的问题。课堂秩序得到极大改善。或许有人认为提高学生学习兴趣，让学生主动学习。但我们的实践表明，自主学习只是一个美好的愿望。大多数学生特别是二本院校的学生在中学期间主要是依靠学校和家长的监督下才考上大学。自主学习意愿和能力均不够。简单来讲，自律是对学生的自我约束能力的要求很高，他律更适用于绝大多应用院校本科生，也是最为有效的方式。因此，在没有更好的提高学生自律性的前提下，积极地采用他律成了必然选择。

通过以上各方面的考核，形成了考勤、课堂表现、模块考核、作业四个维度的全方位考核体系。不仅使学生通过化工仿真操作课程提高化工操控能力，也对绘图工具的使用和PID图的绘制得到了极大的提升。总评成绩的获得更加丰富，对学生的评价也更加全面。

3 考核评价计分小程序的制作

由于学生人数多，采用全面考核后需要对大量的数据进行整理，绘总，这无形中极大的提高了指导教师的工作量，为了提高工作效率，减少手工输入错误。笔者利用电子表格制作了一个全面的计分和评分工具。具体方法如下：

3.1 平时成绩列表的建立

首先在表格中输入学生名单，形成基础表格。在此基础上，增加作业列表、考勤列表、课堂表现列表、模块考核列表和总评成绩列表。各列表所对应的列数根据实际输入次数确定。然后，新建一个包含考勤列表、课堂表现列表、模块考核列表的新表格。

3.2 单次课程评价列表的建立与函数引用

在新建中的包含学生姓名、考勤列表、课堂表现列表、模块考核列表的工作表中分别进行考勤列表、课堂表现列表、模块考核列表的输入或换算。

3.2.1 考勤成绩的统计

考勤列表包含到课监测值、考勤成绩和上课签到3个列表(见表1)。利用仿真软件教师站系统，在学生到课后登录系统，保存成绩。在保存的成绩表中复制全部学生姓名，直接粘贴到上课签到列中。由于签到顺序是混乱的，即使加上学号，采用人工排也存在迟到等问题也会有很大的工作量，笔者在“到课监测”列利用MIN函数和ROW函数查找“上课签到”学生姓名所在行，返回该行行号，若学生未到勤，返回值将是0。具体函数形式为：“MIN(IF($D$1:$D$144=A1,ROW($D$1:$D$144)))”(录入后要按组合键“Ctrl + Shift + Enter”才能应用函数)，在此，“$D$1:$D$144”为学生姓名所为列的绝对位置。然后“考勤成绩”列中利用IF函数判断 “到课监测”值是否>0，若>0，则为到课，返回100，反之未到课，返回0。具体函数为：“=IF(B1>0,100,0)”。

表1 考勤列表

3.2.2 课堂表现成绩统计

课堂表现由于软件系统会随着学生做的模块的变化而变化，成绩分值并非是满分100，而是任意值。因此，计算时，要进行加权处理。在此我们采用最高成绩定为100分，其它成绩加权百成。具体函数为：“=D4/MAX($D$1:$D$144)*100”。加权后需要将成绩登记到课堂表现成绩列表中。由于计算成绩顺序与学生成绩册不一致，或有学生请假等情况，如果人工排序，会有很多操作问题。在此采用函数查找然后返回值的方式很好地解决了这种问题。首先在“所在行”列中查找学生成绩所在行：“=MIN(IF($C$1:$C$144=A1,ROW($C$4:$C$144)))”，然后使用了IF与INDEX函数的复合，因为单独的INDEX函数在单元格为空时返回值非0，因此，加入IF函数进行判断，很好地解决了这些问题。具体如下：=IF(F1>0,INDEX($E$1:$E$144,F1,1,1),0). 一行建设好后，只需要将下面的行复制上一行，函数会自动填充到下面的行中。模块建好后，只需将考核平台中学生姓名列和学生成绩列复制到对应的姓名(注意在此应该用C列)和平台初始成绩列中，学生成绩将自动填入到课堂表现成绩(B)列中。

表2 课堂表现列表

3.2.3 考核成绩统计

考核成绩的统计方法与课堂表现的统计方法一样。如果考核设置了最高分为100，则在加权成绩栏可取消，统计直接从平台成绩统计即可。

3.2.4 平行次课程评价列表的生成

将建好的单次课程评价列表直接利用生成副本的方式形成后续平行次课程的工作表(注意：在此最好采用工作表的默认命名，不要改名，改名后在最后平时成绩表填写是会比较麻烦，在平时成绩表公式填充完毕后再重命名不会影响成绩的输入)。

3.3 平时成绩列表的生成与填写

3.3.1 单个学生作业成绩统计

表3 作业成绩列表

作业成绩统计如果是百分制，则直接输入到成绩单中。如果学校要求采用5分制或其它分制，则需要将这些分制统一转换为百分制，下面以ABCD等级分制说明分值转换方法。首先在平时成绩表中根据作业次数设置相应列的平时成绩登记表格。

在列中按对应的学生作业输入成绩，然后在表格后空白位置增加加权作业成绩列。如图所示。加权作业成绩与作业等级成绩栏一一对应。然后利用IF函数进行转换具体函数为：“=IF(D3=“A+”,100,IF(D3=“A”,95,IF(D3=“A-”,90,IF(D3=“B+”,85,IF(D3=“B”,80,IF(D3=“B-”,75,IF(D3=“C+”,70,IF(D3=“C”,65, IF(D3=“C”,65,)))))))))”。由于MSOffice版本不同，2003版可以在函数嵌套到C+后再继续嵌套会返回错误。

3.3.2 单个学生考勤成绩的输入

在平时成绩表中按次序，在对应的第一个单元格中输入“=”命令，然后单击第一次单次课程评价列表所在的工作表，在该工作表中单击对应学生的考勤成绩所对应的单元格，回车后，该成绩会自动填写到平时成绩表中。然后在excell命令输入栏中单独选择所有命令，复制命令文本，按键盘“esc”键取消，然后将命令文本将粘贴到后面平行次数的考勤列表所对应的单元格中，然后在每个平行成绩单元格中将工作表序号改写成相应的次序， 只需要改单引号中的数字(如'sheet2'中的2改为3等)。这样就完成了一位同学的考勤成绩在平时成绩表中的输入。

3.3.3 单个学生其它成绩的输入

其它成绩的输入方法与4.3.1中考勤成绩的输入方法一样，只需注意各成绩所对应的行、列和工作表即可。

3.3.4 其它学生成绩的输入

第一个学生成绩输入完成后，复制第一个学生成绩所在行，然后粘贴到其它学生成绩所在行即可。注意，手工输入的作业成绩要复制转换后的成绩，这样其它学生的成绩也会直接转换完成。

图1 完整平时成绩表样例

4 结论

仿真操作可以极大地提高学生的操控能力，但过程单一，训练效果有一定的限制。将仿真操作训练与DCS识图、PID图的绘制相结合，能够使学生的动手、设计思维得到更好的训练。复合式的训练需要完善的评价体系，评价体系的合理化和简单化能够大大提高学生训练的强度和效果。利用字表软件制作的成绩录入与统计小程可以大幅降低成绩统计与录入的工作量，节省教师的时间和精力，也能够准确完善地完成学生的成绩统计，使学生对自己的成绩无异议。