化工专业课程群融合专业虚拟仿真资源的教学改革与实践

何 柏 连 欣 蒋松山 熊 伟 付 雪 邱 奎 陈以会

（重庆科技学院化学化工学院，重庆 401331）

教育工作的根本任务是立德树人，而课程是落实“立德树人”根本任务的具体化、操作化和目标化。课程是人才培养的核心要素，学生从大学里受益最直接、最核心、最显效的对象就是课程[1]。因此，要培养一流的人才必须建设一流的课程。2018年6月，教育部召开了新时代中国高等学校本科教育工作会议，并且明确提出了“课程是人才培养的核心要素；要消除‘水课’，打造‘金课’”。随着信息技术的飞速发展，虚拟仿真技术在学校教学中的应用范围不断扩大，对高校教学质量与效果的提升日益增强，信息技术对教育发展具有革命性的影响[2]。自2013年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，已经遴选出了300个国家级虚拟仿真实验教学中心，到2020年遴选出1 000项示范性虚拟仿真实验教学项目，这些教学资源的建设对各类专业人才的培养起到了极大的促进作用[3]。因此，在教学资源有限的情况下，充分利用信息化手段[4]，将“互联网+”以及虚拟仿真技术等现代化教学手段与资源运用于传统教学形式与内容的改革上，本科教学改革方可跟上时代需求，建成一流的专业课程，才能提高本科教学质量。本研究对化工专业课教学过程长期以来普遍存在的突出问题进行深入分析，认为结合现代化虚拟仿真技术[5]开展化工专业课程群改革，是提高化工专业人才质量的关键，并提出了化工专业课程体系建设与改革的新思路。

一、化工专业课程教学存在的主要问题

化工专业课程教学普遍存在的问题，既包括教学资源方面也包括学生方面，既有客观条件不足也有主观因素。具体说来，主要涉及到专业学分设置、教学资源与平台建设、师资水平、学生学习方法与态度等，以下就各方面的问题作较为详细的分析与阐述。

（一）实践学分偏少

理论指导实践，实践又发展理论。理论课程与实践教学二者本应相辅相成，而化工专业人才培养大纲在设置上是理论课程占绝大部分学时，实践环节的课程设置相对较少。理论课的侧重点是最基本的概念、原理以及工艺流程，如果占用学时过多，就会挤占实践环节学时，因此学生联系实际的操作机会就显得不足。有的地方院校还由于学科发展侧重点差异以及经费限制等原因，也会造成化工实践教学资源与平台薄弱，从而导致化工专业学生在学习理论课程时感觉空洞枯燥，学习兴趣和学习积极性不高，专业理论知识夯实不够，综合实践能力又欠缺锻炼。最佳的应对办法是增加实践课程学分，但是在现有总学分控制的前提下又会挤压理论课程学分，造成顾此失彼。因此，如何在化工理论课程教学过程中融合实践课程教学资源来丰富授课内容，如何切实提升现有实践教学质量与效果，是化工专业教师当前亟待解决的问题。

（二）课程内容单一

化工专业的理论课普遍存在着理论与实际生产结合不够、对学生解决复杂工程实际问题的能力培养不足等方面的问题，这是由化工行业具有产品多、各类生产工艺差别大且工艺过程复杂等特点而导致的。因为专业课程不可能要求教师面面俱到地讲解所有化工生产工艺，而只能讲授一些最主要、典型的工艺原理流程及其关键参数，因此学生在课堂上能够学到的专业知识内容就相对比较单一，很难全面覆盖化工行业企业生产实际。同时，教师讲授化工专业理论课程由于课时的限制，其授课内容主要侧重于最基本的原理及工艺等方面，很少有足够的时间与机会讲解工业生产全流程及详细的生产参数，多是“照本宣科”，这也造成专业课程的讲授普遍存在着理论与生产实际结合程度不够的缺点。以重庆科技学院为例，该校化学工程与工艺专业的主干课程包括“石油炼制工程”“天然气化工工艺学”“精细有机合成”等，对应的相关行业企业为炼油厂、天然气净化厂、石油化工企业等。这些企业涉及到的生产资料多是原油、石油产品、天然气、硫化氢以及其他易燃易爆、有毒有害的物质，所以其安全责任非常重大，对生产现场的安全要求极为严格。化工企业所用电子设备通常都是防爆产品，除了正常的巡检，即便是企业员工也不能长期滞留现场生产区，否则一旦发生事故，后果非常严重。比如泰兴市扬子医药化工有限公司一期加氢车间氢化岗位的“5·3”闪爆事故、江苏响水“3·21”爆炸事故等，都造成了人员的伤亡与财产的严重损失。

此外，由于不少化工企业对其产品的相关工艺尤其是工艺参数通常有严格的保密要求，而让专业理论课老师深入各类化工企业拍摄课程教学所需的工艺全流程生产的视频、照片等素材也是不现实的。因此专业课程教学很难获得比较全面的实际工艺流程与参数[6-7]，这就导致专业主干课程主要依照教材讲授理论知识，很难联系实际工艺参数开展实践教学。学生在校内的专业实习实践课又受限于场地及设备，难以真正展开，而走出校外去企业实习，生产企业也会基于影响正常安全生产的理由，或者由于生产的高度自动化使学生很难有动手机会。

化工专业课程教学的上述不足，会进一步造成学生对工程实际知识的学习与掌握偏少偏弱，不利于学生专业综合素质的培养。

（三）课堂教学形式固化

在化工专业课程教学过程中，由于教学理论的抽象性与实际教学案例的不足，导致任课教师在课堂上通常以比较空洞的理论讲授和知识传授为主，不能将相关专业课程理论与生产实际充分结合。在教学形式上，授课教师主要采用的是单向宣讲为主的单一教学形式，很难进行翻转课堂教学，“互联网+”学习以及MOOC等新的教学形式也难以推行。单一的教学形式，容易让学生产生“审美疲劳”与“接受疲劳”等现象，其学习积极性与主动性难以得到最大程度的发挥。此外，学生对专业知识的掌握主要是靠死记硬背而不是靠理解掌握，其专业课程的学习效果不甚理想，今后也很难综合运用自己所学的专业知识去解决实际生产中遇到的问题。“教与学”不能很好地实现融合相长。由此可知，课堂教学形式的多样化在学生的培养过程中具有举足轻重的作用，如何根据学科差异呈现丰富多彩的教学形式对人才的培养至关重要。

（四）教师工程实践能力欠缺

有效发挥教师在课堂中的主导作用，是优化课堂教学改革、提高教学质量的关键因素。教师主导作用的发挥，既包括教学形式的多样化，更包括教学内容本身的质量高低。一流的人才培养必须有一流的课程，而一流课程的关键又在于一流的师资队伍，所以教师自身的专业综合能力显得尤为重要。

高校专业课教师通常具有硕士或博士学位，在学科理论水平方面有比较深的造诣，能够在教学中透彻地讲解专业课程理论的相关知识点。但是，由于不少教师都是直接从高校到高校，缺乏生产企业工作的实践经历，所以他们在讲解相关化工专业知识时理论结合生产实际相对偏弱。这不仅包括化工专业理论课程也包括化工实践类课程。因此，提升化工专业课教师队伍的工程实践经历与能力，拓展课程教学内容的内涵与外延，对一流化工专业课程的建设显得尤为必要。

为了解决化工专业课程体系中实践学分偏少、课程内容比较单一、课堂教学形式固化、授课教师的工程实践能力欠缺等问题及其后继各种潜在不良后果对培养高水平化工人才培养的不利影响，加强化工专业人才的思维能力和动手能力等综合能力与素质的培养，重庆科技学院化工专业教学团队对化工专业课程群进行了改革与建设。改革和建设主要包括：通过融合虚拟仿真资源的方式丰富授课内容、改进和完善授课方式、加强授课团队的专业实践能力等几个方面，旨在提高教学效果，提升化工人才培养质量。现有虚拟仿真资源以及课程体系建设与改革的方案详述如下。

二、专业教学中虚拟仿真资源的利用现状

目前，虚拟仿真资源在课程教学中的建设及其使用主要集中体现在实践教学方面。虽然不少高校都加强了虚拟仿真实验教学中心的建设，但是其虚拟仿真资源与非实践类型的课程结合较少，虚拟仿真资源的建设以及在实践教学中的应用强度不够等现象仍然普遍存在。虚拟仿真资源的引入可以弥补实体教学资源对人才培养支撑的不足，实现专业课程教学内容的以虚补实、虚实结合，也可以实现教师工程实践能力的提升。因此，充分发挥虚拟仿真资源对高校理论与实践课程教学的积极作用，促进一流课程的建设和实施以及高水平工科人才的培养，必将成为化工专业课程教学改革的一个趋势。

由于传统化工行业具有“高能耗、高污染、高排放”特点以及潜在的危险性，为满足化工专业学生实习实训的教学要求，并综合考虑专业发展所需，重庆科技学院化学化工学院对各类化工虚拟仿真软件与平台进行了完善，既可开展实践教学，也可用于理论课堂教学。例如，针对石油天然气化工专业方向有常减压蒸馏、合成氨生产工艺、化工单元操作、催化裂化反应再生联合装置、化工原理实验、天然气净化脱硫、天然气净化—硫磺回收等仿真软件，针对煤化工专业方向有甲醇变换工艺仿真、甲醇合成工艺、水煤浆气化工艺等仿真软件，还有化工原理素材库、精细化工素材库、精细化工工艺及设备素材库、化工自动化基本控制、大型分析仪器仿真和化工过程及装备全流程一体化半实物仿真工厂（丙烯酸甲脂生产线）等化工基础与专业教学资源[8]，以及网络实验教学平台等虚拟仿真教学资源。

以化工原理虚拟仿真资源的利用为例。任课教师在化工原理理论课程教学过程中，可利用已建成化工原理素材库资源中大量的flash动画或视频来演示相关工作原理；学生可在校内实习实践课程中操作化工原理单元虚拟仿真试验以及真实设备，从静态到动态、从虚拟到实物、从单个设备到整套装置，人人都有机会动手实操。这就改变了传统学习的单调、枯燥和空洞，实现了多元化的学习和练习，让专业知识的学习显得立体生动而印象深刻。再以油气煤化工虚拟仿真实验教学为例，任课教师在实验课程之前把实验指导书发给学生预习，课堂教学中只需简要介绍相关实验，然后请学生到前台讲解工艺原理及流程，并让其他同学进行点评，再由教师就其生产原理、工艺流程以及关键操作参数作详细阐述，对软件的功能与操作进行说明，最后让学生进行实验操作，并提醒学生不能仅仅按照操作规程点击相关步骤，而是要看懂操作及其质量要求，并且要关注上下游物料及设备的联动。同时要求学生遇到问题首先独立分析思考和解决，然后与同组或相邻同学进行集思广益的探讨，若还有没解决的问题，再请老师帮助，大家一起分析探讨和解决问题。专业生产仿真实验通常都涉及到化工专业基础课程中的相关原理，教师要引导学生透过现象看本质，比如天然气净化脱硫仿真实验的生产原理为“吸收-解析”和换热，常减压炼油工艺仿真的原理为“渐次气化与冷凝”等。通过层层递进的教学方式既可以锻炼学生的预习情况、表达能力、应变能力、评判能力，还可以锻炼学生的独立思考能力，培养学生的全局观、团队协作能力，为将来的深造或工作打下坚实基础。充分而合理地整合现有的生产工艺软件及网络开放平台教学资源[9-10]，可以实现与相关专业主干课程教学的有机联动，以更好地服务于化工专业课程教学，大幅度提升教师授课质量和学生对专业课学习的热情与效果。

三、课程体系建设与改革

（一）构建多层次的化工专业课程体系

化工专业课程体系由专业基础课、专业主干课和专业实践课3个层次的学习内容组成。在课程设置上，前期构筑宽厚基础，后期优化专业教育，注重学科交叉培养，加强综合性和设计性训练，培养学生创新创业实践能力。专业基础课“化工原理”“化工热力学”“化工分离工程”“化工仪表及自动化”等课程将加强相关虚拟仿真演示与操作实验；“石油炼制工程”“天然气化工工艺学”“石油化工工艺学”“精细有机合成”“精细化工产品学与工艺学”等专业主干课程群，将利用学院已建的虚拟仿真软件与理论课程开展相关内容教学。此外，充分利用学院与产学研合作单位（比如重庆市天然气净化厂、四川维尼纶厂等）的友好关系，尽可能多地获取相关生产工艺的生产资料以及现场案例视频，充实化工专业课程群的授课内容，实现理论与实践教学的融合、理论服务于实践，丰富和延伸化工专业课程群的内涵。当然，不同学校也可以根据自身学科发展以及专业建设的需要新增或完善课程群所需要的相关虚拟仿真教学资源与平台。新的课程体系将体现出由专业基础训练到专业综合技能提高，再到研究与创新能力培养，最终实现学生“发现问题、分析问题、思考问题、解决问题”等工程实践综合能力的提高。

因此，根据新构建的化工专业课程体系及相关内容需求，充分整合并优化现有的相关化工虚拟仿真教学资源[11]，实现教学资源的线上线下全开放，让化工专业各年级及其他专业的学生都能有更多的学习资源与途径[12]，强化学生对化工专业课程的学习深度，从而实现高质量化工专业人才的培养。

（二）采用“以学生为主”的教学模式

化工专业课程的教学过程，必须充分调动学习主体的学习主动性。专业教师授课无论多积极，授课质量与水平无论多高，学生如果仅仅是被动地听从，其最终的学习效果都会大打折扣。虚拟仿真技术的引入，将突破传统课堂教学模式在学习空间和学时上的限制；虚拟仿真技术结合“互联网+”和MOOC、MOOE等教学方式[13-14]，将实现“线上线下”教学空间的融合。具体而言，教师通过网络平台开放权限，给学生提前熟悉并练习操作相关生产工艺（开停车操作以及常见事故处理等），其后的课堂教学，教师通过多媒体教学平台运行网络实验教学平台，再加载相关虚拟仿真生产工艺进行理论与实践综合教学[15]。学生通过在线教学平台可以提前了解相关的课程内容、实验演示和互动操作[16]，也可以预约虚拟仿真实验教学机房或工厂进行预习式、探究式学习，然后再带着问题进入课堂学习并由老师释疑解惑。这种“以学生为主”的个性化、合作化的教学模式，能够使学生从“要我学”转变为“我要学”，由“被动听讲”转变为“主动学习”，由传统“教材控制”转变为“学习者控制”，有助于完善学生的知识结构。

（三）引入在线PBL教学模式

PBL教学法（Problem Based Learning，PBL）是以问题为导向的教学方法，是基于现实世界以学生为中心的教育方式。“以学生为中心，以问题为基础”，也就是由教师引导学生围绕问题独立收集资料并能够发现问题、解决问题，最终达到培养学生具备自主学习能力和创新能力的一种教学模式。

教师在虚拟仿真平台以及在线教学平台上采用PBL教学法，需提前针对相关专业课程及实验操作设置大量的专业问题[17]，让学生在学习工艺生产及操作的同时进一步明确相关工艺流程、生产目的和关键控制岗位，能够循序渐进地理解相关原理知识，也能够养成课前预习的良好习惯，更能够举一反三。例如，设置“天然气加工处理过程中为什么必须先脱硫然后再脱水”“为什么原油蒸馏必须适当的过热”“石油炼制为什么必须进行减压蒸馏环节”“减压渣油是否可以直接作为加氢裂化的原料”“醇胺溶液为什么最好进行多级过滤”“柏油马路上为什么不能晾晒谷物”“为什么小孩子在车流密集的马路上行走所受环境污染比成年人更为严重”“为什么说所有的油品分析都是条件性的”“天然气甘醇脱水以及醇胺脱硫的工艺原理的异同是什么”“天然气制合成气与煤制合成气的原理及工艺何有异同”等专业问题，让学生带着问题与好奇去学习和思考，养成主动学习并积极思考的习惯。

（四）引入翻转课堂教学模式

翻转课堂是指通过课内外教学结构的优化，使传统的以教师为主导的教学模式变为以学生为中心的教学模式，是一种“先学后教”的模式[18]。这类教学新模式打破了单向灌输的教学模式和被动的学习方式，近年来在各学科教学中得到了广泛的应用。在化工类教学改革方面，翻转课堂最初多被授课教师用于理论课程教学方面的改革，近年来在实验实践课程方面的运用也逐渐增加[19-21]。课前，学生通过在线教学平台和虚拟仿真平台，对相关专业课程进行课前预习，对系统里的专业问题进行思考，在一定程度上掌握相关课程章节的知识点。课堂中，授课教师有选择性地针对平台教学资源上的问题进行提问，然后根据学生的回答状况来判别学生对相关工艺及原理等知识点的掌握情况，再经过讨论，拓展学生的思维，发现更多深层次的问题，最后由授课教师进行总结。这种教学模式的优势在于，教师能够根据学生课前对相关知识点的掌握程度进行有针对性、有侧重的讲解，从而提高教学质量；学生有机会成为课堂的“主角”，实现课堂教学的翻转，从而激发学生对专业知识的学习兴趣，对知识点的掌握也更加透彻。

（五）提升专业教师队伍的综合能力

化工专业课程群的改革与建设中非常关键的是专业教师队伍综合能力的提升。这既包括教师本身专业知识水平的提升，更包括教师的教学方法与技能的提升。其中，教师本身的专业水平尤其是工程实践经历与能力尤其重要，它意味着教师在授课过程中是否具有将理论知识与生产实际相结合的能力。教师只有联系实际生动地讲授课程内容，才能激发学生的学习兴趣，透彻理解相关专业知识。但是，从目前看，绝大部分教师由于教学和科研任务繁重，很难有多余的时间和精力到行业企业进行工程实践锻炼和学习。因此，利用校内各种虚拟仿真生产教学资源提升教师自身的工程实践能力就显得尤为必要。

重庆科技学院化工虚拟仿真教学团队首先利用结合了实际工业生产工艺参数开发的各虚拟仿真软件对化工专业课教师进行培训和操作练习，然后再利用虚实结合的化工过程及装备全流程一体化半实物仿真工厂（如丙烯酸甲酯生产线）对教师进行企业上岗培训，并对仿真工厂进行生产模式化运行，完成了对化工专业课教师团队成员的工程实践能力锻炼，提升了教师的工程知识综合水平。同时，专业课程群的教学团队建设，实现了教师间专业知识的交叉与融合、教学技能的互补。此外，教学团队成员的分工协作，避免了“单兵作战”的不足。由教学经验丰富的教学名师负责教学方法指导，教研教改经验丰富的教师负责教学方法设计，各专业课教师负责课程内容的改革与实施；由专业负责人牵头对相关专业课程群的虚拟仿真教学资源进行优化整合与实施，在稳定的化工专业教学团队集体努力下，形成制度化的专业主干课程群的建设与激励机制；由专业教师队伍去丰富专业课程资源特别是专业主干课程的素材与内容，极大地提升了化工专业课程群教师的教学水平，从而提升教学质量。

四、结语

针对化学工程与工艺以及能源化工等化工专业现有师资水平、课程内容、教学方式以及学生的学习状态等方面的问题与不足，探讨了利用虚拟仿真资源强化专业课程体系建设、虚拟仿真实习实训平台的开放与共享、专业课程教学模式的改革与应用等内容，并结合高水平化工专业教学师资团队的建设，介绍了重庆科技学院在提高化工专业课程教学质量和效果，实现“教与学”的有机联动方面的经验。