新工科背景下化工原理理论、实验、仿真三位一体教学模式研究

刘 辉 杨 鹰 曹占芳 孔江榕 王 帅

(中南大学 化学化工学院，湖南 长沙 410083)

教育部在新时代全国高等学校本科教育工作会议上强调，全面贯彻落实习近平总书记在全国教育大会上的讲话精神，坚持“以本为本”[1]，推进“四个回归”[2]，加快建设高水平本科教育、全面提高人才培养能力，造就堪当民族复兴大任的时代新人。同时，新工科建设又是一项持续深化工程教育改革的重大行动计划[3，4]，主要是为了应对新型经济发展要求的挑战，服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展。化学工业是国家经济发展的重要支柱产业[5]，作为高校教育工作者，从基础上贯彻好化工专业知识的教学显得尤为重要。其中化工原理作为一门专业学科基础课程，该课程以传递过程基础理论与工程方法为两条主线，系统阐述了化工生产过程中各种单元操作的基本原理、物料衡算、过程计算、典型设备等内容，是介于自然科学理论与工业生产实践之间的一门“桥梁”学科。从教学细节来说，化工原理教学涉及理论教学、实验教学、仿真教学三个环节，三个环节环环相扣、紧密联系、缺一不可。

基于此，本文面向当前新工科建设的需要，提出化工原理理论、实验、仿真三位一体教学模式，让理论与实践密切结合，让理论指导实践，结合中南大学化工原理教学团队的一些做法，希望为提高学生的综合素养、促进课程教学改革提供一定的帮助和参考。

1 当前化工原理理论、实验、仿真教学中存在的问题

当前中南大学化工原理的实际教学过程，是将化工原理理论专门设课，分为化工原理(上)与化工原理(下)，同时将实验与仿真环节合并设课为化工原理实验，并且将化工原理实验与化工原理(下)同时放在大学第五学期。这样设置课程的初衷是为了最大程度地发挥理论对实践环节的指导作用，确实也起到了一定的效果。然而在实际操作中，这样的课程设置仍然存在一些亟待解决的问题。首先，化工原理实验的内容包括化工原理(上)中的四个实体实验与两个仿真实验，开课时不少学生对上一学期的课程内容有一定程度的生疏，让教学环节稍有脱节；其次，由于实验装置台套数的限制，在整体铺开实验的前提下，在开设实操实验时，化工原理(下)中某些单元操作章节如萃取、干燥可能还没学到，不可避免地导致“理论未学、实验先行”的现象，不利于学生知识点的衔接；最后，实验课程的考试环节又涉及上一学期理论课的某些内容，容易造成学生在复习备考过程中的顾此失彼，不利于理论联系实际，更不利于学生集中精力将整个化工原理知识点融会贯通成为一个整体。笔者走访了一些兄弟院校化工原理实验情况，大部分高校化工原理教学也面临着类似的问题，因此这也是各个国内高校需要解决的共性问题。

2 面对新工科建设的化工原理理论课程教学改革与课程思政

化工原理目前是中南大学校级一流课程(金课)，中南大学化工原理教学团队目前有12名专任教师，近些年积极投入课程教学改革实践，注重更新教学理念，强化工程观点；改进教学方法，利用现代教育手段、促进教育教学质量的提高；注重各门学科之间的交叉融合，适应社会发展需要；不断更新知识体系，探索实施产学研一体化的教学模式。特别是在2020年突如其来的新冠疫情期间，教学团队采取SPOC与网络直播教学同步进行的方式，做到与平时课堂教学的实质等效，同时更多地引入案例教学，导入工程实例以提高学生的工程意识与工程观点。

当前课程思政日益受到重视[6]，在注重专业理论知识传授的同时，中南大学化工原理教学团队也十分重视课程思政的建设，在课堂教学中循循善诱，结合化工原理知识点及思政内容进行拓展与开发。例如在讲到液液萃取章节时，及时结合中南大学前身中南矿冶学院首任院长陈新民的事迹以及他在冶金萃取领域的重大贡献，培养学生更多的家校情怀，感受老一辈化工专家及教育家的爱国情操；再如讲到沉降过滤，涉及水处理方面的知识点时，适时结合重视化工环保，建设碧水蓝天生态环境的大背景，让学生更加深刻领会习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的重要讲话精神，培养学生更多的绿色环保意识与职业操守规范。在2021年全国高等学校本科化工类专业优秀课程思政案例评选中，中南大学化工原理教学团队有四个优秀课程思政案例获奖，实现了化工原理课程与思想政治教育的协同育人，大力促进了学生的全面发展，充分发挥了教育教书育人的作用。

3 新工科背景下化工原理实验的强化与实训的开展

近年来，中南大学化工原理实验硬件设备得到了很大的提升。近两年新购置了天津大学基础化工实验中心制造的流体流动综合实验设备、对流传热实验设备、板式精馏塔实验设备、二氧化碳传质吸收实验装置、恒压过滤实验设备(每个设备四台套)。同时为了模拟实际工厂的生产情景，又购置了甲醇催化转化、纯碱浓缩提纯、盐酸催化转化等几套实习实训装置，通过中试用量的生产规模去模拟化学反应过程的中间放大，让学生更加深刻领会化工生产与化学实验的差异，有利于学生工程意识的养成，促进复合型综合专业人才的培养。

在提高实验设备硬件条件的同时，中南大学也十分注重实验指导教师的素质培训。化工原理教研团队主任与课程教授，经常参加高等学校化工类专业教学指导委员会、中国化工教育协会主办的各种教育教学会议，把握最新的教学理念与教学导向，如参加中国化工教育年会、化工类专业实验教学研讨会、化工类专业实习实践教育研讨会，通过他们再将最新的化工教育形势与动态传递给专业教师。同时，化学化工学院采取“外培内训”，以“送出去，请进来”的方式加强对教师队伍的建设。通过坚持对青年教师的岗前培训，采取老带新结对的方法，保证教学质量，促进青年教师快速成长；为适应工程专业的建设，提升教师工程教育能力，学院以请进来的方式，聘请相关企业具有丰富工程经验的工程师为团队专业教师开设化工实验设计类课程。

4 仿真教学适应新工科发展的新要求与新任务

近年来，教育部十分重视虚拟仿真教育教学的开展推进，中南大学化工原理教学团队也极其注重通过虚拟仿真来强化学生对化工原理课程理论知识点的理解。学院机房拥有东方仿真与欧倍尔两家软件公司的大部分3D仿真软件，学生可以自主在学院机房进行仿真练习，同时还开放了相关的远程访问登录账号，让学生足不出户、在家也能进行仿真学习。特别是新冠肺炎疫情防控期间，学生的实验课、实习课均通过远程虚拟仿真的形式进行，指导教师在后台能实时掌控学生的仿真学习进度与得分情况，很大程度上解决了学生无法到校参加实验实习课的难题。

除了购置软件公司的相关仿真软件外，自2015年起中南大学国家级虚拟仿真教学中心与化工原理教学团队每年举办校级矿冶工程化学虚拟仿真大赛，紧密结合中南大学矿物、冶金、化学、化工、能源、环境类专业实验、实践教学培养方案、化学基础课程及专业课程的教学大纲，利用现代网络通信技术、多媒体技术和虚拟现实技术，设计高度仿真的虚拟实验环境和虚拟实验项目，特别是高污染、高危险、高能耗、高温、高压下的实验项目，满足学生在虚拟环境中开展交互式仿真实验的需求，比赛所提交的项目反过来又可以作为今后本科学生进行虚拟仿真教学的素材，做到以赛促学、以赛促建。

2020年12月18～20日，湖南省化学化工虚拟仿真邀请赛暨教学研讨会召开(如图1)，共有来自全省22所高校的90余名教师及150余名学生参加。大会由湖南省化学化工学会和湖南省大学生化学化工学科竞赛委员会主办，中南大学创新与创业教育办公室和化学化工学院协办，中南大学矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心(国家级)与中南大学化工原理教学团队承办。与会代表积极参与了虚拟仿真竞赛及实验教学研讨，共同探讨化学化工虚拟仿真资源的共建共享，中南大学矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心(国家级)教师对校外师生进行了虚拟仿真项目开发培训，并举办了邀请赛，大会的召开对于进一步提升湖南省化学化工虚拟仿真一流本科课程建设及学科水平，培养创新型人才意义重大。

图1 湖南省化学化工虚拟仿真邀请赛暨教学研讨会现场

2021年，中南大学化工原理教学团队将此项比赛推广到湖南省教育厅，举行了湖南省第一届大学生化学化工虚拟仿真竞赛(如图2)，赛事由湖南省化学化工学会主办，湖南省大学生化学化工学科竞赛委员会承办，参赛学生团队在规定的时间内提交完整的、与项目完全一致的源代码及数据库(含密码)以及安装、使用说明文档，湖南省高校均积极参赛，极大地促进了湖南省化工虚拟仿真技术水平的提高。

图2 湖南省第一届大学生化学化工虚拟仿真竞赛(初赛)通知截图

5 化工原理理论、实验、仿真教学三位一体教学模式

中南大学面向当前新工科建设的需要，采用化工原理理论、实验、仿真三位一体教学模式，让理论与实践密切结合，让理论指导实践，在实践中进一步使理论知识得到升华。

理论教学方面，更新教学理念，强化工程观点；改进教学方法，利用现代教育手段、促进教育教学质量的提高；注重各门学科之间的交叉融合；适应社会发展需要，不断更新知识体系；探索实施产学研一体化的教学模式；课堂教学采用SPOC+翻转课堂，促进教学质量提高；更多地引入案例教学，导入工程实例，提高学生工程意识，建设化工原理一流课程。实验教学方面，将实体操作适时安排在相应的内容章节教学之后，让学生能及时将理论知识与实验实践相结合、融会贯通。仿真教学方面，采取虚拟仿真的方式加强学生对于化学化工单元操作的理解，通过学科竞赛提高学生虚拟仿真操作的动手能力。化工原理理论、实验与仿真教学在学科交叉平台、科研训练平台、创新实践平台、校企联合平台、学科竞赛平台、高校共建平台、国际交流平台中得到开拓与发展。

2017年，教育部高等学校化工类教学指导委员会与中国化工教育协会共同开始主办全国大学生化工实验大赛，比赛内容包括(A)化工原理笔试、(B)化工单元仿真操作和分析、(C)化工原理实验三部分内容，此项赛事内容结合了理论、实验、仿真三个环节，因此中南大学化工实验教学团队提出理论、实验、仿真三位一体教学模式，正好具有与化工实验大赛相同的理念。近年来，中南大学积极参赛，代表队在前四届全国大学生化工实验大赛全国总决赛中取得特等奖1项、一等奖3项的优异成绩，这也正是三位一体教学模式成功实践的重要体现。

6 结语

高等学校化工类专业“新工科”建设对化工原理及实验等化工类专业核心课程教学提出了更高的要求，中南大学化工原理教学团队坚持理论、实验、仿真三位一体教学模式，做到三者融为一体、相互贯通，真正实现理论联系实际，提高大学生的动手操作能力与信息化虚拟仿真能力，极大地促进了大学生专业基础素质的全面发展，用行动踏实践行了“以本为本”的教学理念。