新工科背景下化工原理实验虚拟仿真金课建设——以综合设计型虚拟仿真精馏实验项目为例<br/>

新工科背景下化工原理实验虚拟仿真金课建设——以综合设计型虚拟仿真精馏实验项目为例

2021-01-04刁振恒李冰冰葛彦侠

科教导刊·电子版 2021年33期

孙德刁振恒李冰冰李伟葛彦侠

（长春工业大学化学工程学院吉林·长春 130012）

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，2017年教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1]。2017年7月，教育部印发《教育部办公厅2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》。2018年4月，教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程[2]。2018年8月,教育部《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》(教高函〔2018〕8号)中要求淘汰“水课”、打造“金课”[3，4]。从此高校五大“金课”建设正式拉开了序幕。虚拟仿真实验教学实现学科与信息技术的深度融合，是金课建设计划中的重要部分。

化学工程与工艺专业属于技术性、综合性、通用性很强的专业，主要培养从事化工类型过程和设备的生产、研究、开发、设计等工作的高级工程技术人才。化工原理实验是化工类及其他相关专业的一门基础技术课程，是化工原理课程的一个重要实践教学环节，该课程具有工程性、实践性强等特点[5]。在吉林省“双一流”建设政策背景下，长春工业大学化学工程学院建设了吉林省化工原理实验虚拟仿真实验金课，对于提高提升学科综合实力和人才质量发挥了重要作用。

1 化工原理实验虚拟仿真金课建设的必要性

传统化工原理实验有些实验项目需时间长，学习效率低；有的药品昂贵，成本高；有的对环境和身心都造成严重伤害，不安全；有的仪器设备非常昂贵，需要细心维护，不适合学生操作；有的实验项目在药品和实验过程的安全隐患方面的特殊性，一般需要特定时间和地点进行实验，受时空限制大等等。另外，如果因风灾、洪水、地震、传染病疫情等因素要求学校停课不停学时，真实实验就不能够开展。有的地方高校受经费和企业实践基地资源的限制，实践性教学环节在实际操作中显得很薄弱，学生长期驻企业实践存在困难，在生产实习期间，学生进入工厂实践的次数和时间少、工程设计得不到训练，其基本工程能力、动手能力明显不足。即使进入企业，学生只能跟随师傅参观设备和中央控制室，时间短，难以近距离观察，学生不能亲自进行相关操作，如工业装置的开车、停车和事故处理等重要操作。以上等等无法满足新工科人才培养要求。虚拟仿真利用计算机真实地再现实验操作和化工生产流程，全部真实的实际生产过程基本都可以在虚拟仿真软件上实现，可以实现化工相关专业传统实验实践教学无法完成的教学功能。

2 化工原理实验虚拟仿真金课建设的原则

虚拟仿真金课建设要求：（1）高阶性，课程目标坚持知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维；（2）创新性，教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程；（3）挑战度，课程设计增加研究性、创新性、综合性内容，加大学生学习投入。基于此，围绕化学化工及相关专业，我们建设了“四层次、四平台、四结合”化工原理虚拟仿真实验金课教学体系。“四层次”将实验教学内容划分为教学演示型、仿真操作型、实训综合型、设计型；“四平台”按专业知识体系与工程实践规律搭建，包括专业基础仿真平台、实训装置仿真平台、化工工艺仿真平台、综合设计仿真平台；“四结合”是与理论课程相结合、与实体实验相结合、与实际工程相结合及与企业实践相结合。这里我们以综合设计型虚拟仿真精馏实验项目为例，谈谈化工原理实验虚拟仿真金课建设。

3 化工原理实验虚拟仿真金课建设

3.1 实验目标体现“两性一度”

虚拟仿真实验题目的设计要区别于真实实验，需要体现出前沿性和创新性。我们开发的精馏塔3D设计型实验仿真软件要求学生对实验中涉及的主要设备进行设计和选型，根据实验题目，自主查询资料、设计计算、选购设备，使学生建立完整的设计理念，同时设置了危险源辨识场景与评判并能对实验涉及的能耗、物耗等经济指标进行综合评估。

通过化工原理精馏实验装置设计和虚拟操作仿真软件，培养学生深入学习化工基本过程原理，验证公式、原理定理等知识。通过对设备及工艺的发现问题、分析问题、解决问题能力的培养，提高学生实际动手操作调试能力，实现化工原理传动、传质、传热和单元操作的典型实验模拟及实践。培养学生对于实验事故发现和处理的能力。立德树人，培养社会实践能力，提高综合素质，为毕业专题实习和就业打下基础。

3.2 实验内容要具有挑战度

虚拟仿真实验内容设计应选择有一定难度和有一定挑战性的题目，体现综合性和设计性。使学生产生我想做、我要做、我能做的想法，促使学生克服困难、挑战难度、收获技能。

精馏塔3D设计型实验仿真软件主要包括以下模块：（1）危险源辨识模块，主要用于实验室危险源辨识，通过场景漫游，查找不同的危险源，并选择相应的方法处理危险源。要求危险源识别功能现场演示。（2）实验设计，主要根据设计条件，手动计算得到精馏段及提馏段的操作线方程、气相、回流的质量流量、摩尔流量及相应摩尔分率、精馏段理论塔板数、提馏段理论塔板数、精馏段实际塔板数、提馏段实际塔板数、全塔实际塔板数、加料板实际位置、塔身面积等实验参数，并配合软件形成设计方案。（3）设备选型模块，设计结束后，进入设备商城选择设备。设备商城由固定选型和可变选型两部分。固定选型包括塔身、塔板、冷凝器；可变选型包括回流泵、回流罐、电加热器，分别有若干型号可供选择，勾选并输入相应数量后加入购物车。（4）经济核算模块：购物车应自动加载设计得到的电量、冷却水、原料的数量、单价及总成本，同时加载选型过程中加入购物车的各设备，自动计算得到总成本。仿真操作结束后，对操作过程中的电耗、水耗、原料等各项成本进行经济核算，计算得到生成单位质量产品所需成本。

3.3 实验教学评价要有科学性

能够代表学生真实理论和实验水平的评价体系是科学的评价体系。软件设有学员站，教师站及智能评分系统。学员站与教师站通过局域网连接通讯，实时上传当前软件操作成绩；教师站基于互联网达到与学员站的控制与通信，可以进行统一的启动和控制，实时显示学员得分，查看和统计成绩；可以查看每个学员的当前操作的工艺指标；主要功能是管理学员机及工序设定，组织考试、收集成绩等管理功能。通过智能评分系统，每一个评分指标都可以设置严格起始、终止条件；工艺质量参数评定曲线。软件依据实验熟练情况、实验过程评价、问题解答情况、数据处理情况、实验方案设计情况、实验报告撰写情况给出能够体现学生各方面真实能力的实验成绩，体现公平公正，营造良好的学习氛围。