“互联网+教育”背景下化工实践教学的改革与探索

赵苏亚，田维亮

塔里木大学化学化工学院，新疆 阿拉尔 843300

快速发展的现代信息技术促进了高等教育教学的改革，加速了教学模式的多元化发展。在高校实验教学中，虚拟仿真实验能构建逼真的实验环境、实验对象和实验内容，可以让学生在开放、交互的虚拟环境中进行自主的实验设计与操作，因而在培养学生的科学探索及实践创新创业能力中发挥越来越重要的作用。现在工科专业，特别是化工专业，在化工实践教学过程中学生的实习难、实习效果差，创新能力不够，多方面制约了实践教学的效果。信息技术发展日新月异，推动了虚拟仿真技术的完善，使后者能直接应用在化工实践教学中[1]。

笔者基于国家级混合式课程的建设标准，结合化工生产实习实践教学的困境，以培养出具有扎实理论知识、实践能力、创新能力的“新工科”人才目标为导向，在“互联网+”背景下，将虚拟仿真融入化工实践教学进行了改革和探索。

1 化工实践教学面临的困境

化工专业学习重在实践，这也是化工类专业人才培养方案中着重强调的方面。在实践过程中，学生动手动脑将所掌握的理论知识落地，解决现实问题。既让学生更加深入系统地了解了化工知识，也能让学生将理论所学应用于实践问题的解决，养成科学的思维和习惯，提高实验实践技能。现在化工专业的一大难题就是学生的实习难、实习效果差，创新能力不够。学习存在主观敷衍了事、准备不充分、技术水平低等不足[2,3]。

1.1 化工生产实习风险大、实习过程“走马观花”

众所周知，在化工行业的生产过程中往往会涉及到较多易燃、易爆或具有一定毒性的化学物质，化工单元操作条件苛刻，很多都需要在高温、高压的环境下操作，这使得化工生产过程具有众所周知的高危、高毒、高风险的特点，极易造成安全事故的发生，严重威胁到工作人员和生产设备的安全[4-6]。化工企业对实习学生设置了更高的进入门槛，要掌握扎实的化学理论知识，要熟悉企业生产流程、技术参数、掌握设备操作技能等。很多企业为了避免不必要的经济损失和安全隐患，不愿意接受化工类专业学生进行深层次的现场生产实习，学生没有机会上岗动手操作。那么整个生产实习过程中学生只能“走马观花”，仅凭“听”和“看”，很难真正了解现实中化工生产的工艺流程、设备性能等，更接触不到实际问题，很大程度限制了学生的主观能动性、创新性[7,8]。对于本科教育来说，其目标是将学生培养为工程师，能够在实际生产中解决一些复杂的工程问题，这就需要更丰富的培养环节来提升教学的高阶性，突出教学的创新性，增加教学的挑战度。

1.2 化工生产实习准备仓促，学生的知识储备不足、生产操作生疏

现在高校的化工生产实习流程，一般是对学生进行实习前的安全培训，再进入实习，而并没有经过真正操作技能的培训和指导。那么这一关键环节的缺失则会造成学生因知识储备不足、实验操作技能生疏而导致生产原料的浪费、产品成分的改变、仪器的损伤等问题，更有可能引发安全事故，对企业造成较大程度的经济损失，因此很多化工企业对接纳高校实习生的积极不高。另外，因实习经费紧缺，学生在实习基地的实习时间短，企业也很难给学生安排一个比较系统的工作让学生深入生产前线了解实际生产操作。这种情况下，难以实现理论联系实际，锻炼学生较强综合分析、判断的能力的教学目标，这样也失去了实习的意义。

1.3 利用信息化技术的能力不足

信息技术发展日新月异，企业必须适应市场需求，打造技术性企业，采用各种“软技术”。尤其是在化工行业生产的过程中应用DCS (Distributed control system)操作系统后，操作人员可以通过操作画面完成各种操作功能，不仅降低了员工在操作过程中的难度、繁琐度，还能提高在化工生产过程中的安全性能。但目前学生对于这类自动化操作系统的理论知识的学习和实际操作能力不够。除此之外，学生对3D (3 Dimensions)、VR (Virtual reality)和AR (Augmented reality)等信息化技术的认知度、接触度和熟悉度也远远不够。

2 互联网+教育融入化工实践教学的意义

2.1 虚拟仿真技术引入化工实践教学的意义

虚拟仿真软件配置的3D虚拟仿真系统和DCS控制系统，可以模拟企业生产环境，为学生体验设备操作提供条件，也可以模拟生产事故的发生，让学生学会如何进行灵活应对，做好应急处置，还可以控制人物在化工厂里参观，可以看到对于化工厂的安全要求，而且还可以切换人物，感受不同的角色[9]。学生可以根据自己在工厂实习中遇到的难题设计实验场景，在确保人身安全和经济安全的模拟环境中进行反复操作和练习，大胆进行各项操作，将虚拟仿真技术引入实践教学，不仅能够有效解决学生实习难、效果差、化工生产风险大、生产操作能力不足等问题，还能够拓展实践教学的广度和深度，以达到巩固学生基础理论知识、培养创造思维、提高应用化学设备的能力[10]。

我们围绕将虚拟仿真技术引入实践教学的认可度，对2018级、2019级化工和应化专业306名接触过虚拟仿真实践教学的学生做了相应的问卷调查，共发放306份问卷，收到302份有效问卷，结果见图1。在线下教学环境中加入虚拟仿真环节，丰富学生学习体验，快速提升学生实践技能，让课堂价值得到最大程度的发挥。这种教学设计赢得了学生的认可。

图1 学生对引入实践教学认可度的问卷调查

2.2 线上线下混合式教学

混合教学模式并非简单粗暴地将两种教学方式进行组合，而是更加注重教学方式选择的灵活性和针对性。根据课堂教学内容和目标任务，灵活设计教学计划，将两种教学方式有机融合，最大程度地发挥两种教学方式的优势[11,12]。一方面充分利用互联网的在线教学优势，加强教师和学生的课堂互动；另一方面充分利用学习资源、学习环境、学习方式线上和线下的混合，拓展授课的时空边界，打造具有高阶性、创新性和挑战度的混合式课程。

3 “互联网+”化工实践教学的改革思路和举措

结合我校化工类相关专业现阶段的发展需求，以“中国制造2025”和“互联网+”模式为实验和实践教学研究载体，构建一个“互联网+”的信息化和现代化全国共享实践平台与方案，建成后将成为新疆南疆地区实践教学示范中心。学生通过线上线下混合式的理论学习、仿真实验和实训操作训练、实验实训操作和化工厂设计的全程综合学习，可提高综合设计实验的能力，解决化工专业学生在实际生产中的困境。

混合式课程的建设能促进化学工程与工艺专业、应用化学、食品科学与工程等专业的实验实践教学的多学科交叉与融合，教学质量和水平必将得到很大提高，促进化工等相关专业人才的培养，服务地方经济建设，社会效益较大。化工仿真实习实践教学的建设思路如图2所示。

图2 课程建设思路

3.1 具体建设思路

3.1.1 构建南疆化工实践教学线上教学平台，实现资源共享

紧密结合本校化学化工专业特色，让地处西部地区的新疆南疆化工学子接受全国一流的教育资源，全面提升南疆地区的教学质量和水平。通过3D、VR和AR技术，搭建“互联网+教育”的化工实践教学平台，无论在学校课堂、宿舍，还是在家里都可以通过网络或者手机学习，真正实现三维立体化教学的开展。

3.1.2 全力解决化工专业学生生产实习难、效果差、学习兴趣低等难题

化工专业属于新工科学科，需要工程实践。目前鉴于化工安全等因素，几乎所有的化工企业不愿意接受化工类学生生产实习。现代化工学生缺少化工生产操作实践，工程实践能力不够。信息技术的发展，带来新的契机，打破以往的教学模式，借助现代的虚拟仿真技术，全力构建三维虚拟工厂，实现真正意义上的虚拟操作，提高化工学生的工程实践操作能力，全力解决化工学生生产实习难、效果差等难题。同时，解决了化工学生学习兴趣低的难题。

3.1.3 加大化工创新人才的培养深度，全面提高人才培养质量

化工类的本科生不是培养仅仅具有简单模仿能力的专业技术人才，而是要有工程实践能力的创新人才。因此，化工工程师只有仿真操作能力是不够的，还要有工程设计分析能力。将现代化的软件Aspen plus和Auto CAD等应用于教学中，构建工程计算和设计能力，全力挖掘化工类人才培养的深度，提高人才培养的质量和水平，构建全方位的人才培养体系。

3.2 具体措施

3.2.1 建立多层次、多模块的教学体系

根据学生的需求与知识结构，构建了四个层次(理论课模块、仿真操作模块、实验操作模块、综合设计模块)，七个教学模块(图3) (基础理论线上授课，线上实习虚拟仿真，线下实验操作，线上关键设备拆装，线上化工单元的综合实训，线下工艺模拟计算(设计软件Aspen plus)，线下单元设备的结构计算(设计软件Auto CAD))的实验内容，实践教学不单是对理论教学的验证和深化，而是要根据学生的学习需求和接受能力，对教学活动进行拓展，提升学生多方面的技能水平。比如引导学生对实践活动进行创新。本项目设置在知识水平、能力要求上逐渐提高的四个层次，学生可以根据自己的需求进行学习。

图3 混合式教学课程建设思路

3.2.2 “闯关式”学习体验

虚拟仿真实习各层次之间采用了“闯关式”的方法，学生只有完成前一层次的学习且达到一定分数后，才能进入到下一层次的学习。根据学生的学习需求和接受能力，学生自主决定是否对知识进行拓展延伸。在完成第一层次的学习之后，学生能够掌握基本理论、操作基本方法等，也可以作为学生开展真正实践教学的准入和预演，真正做到虚实结合、以虚补实。一方面保证了学生学习过程的循序渐进，将过程与设备的基础理论掌握扎实后再开始拓展及综合型的学习，保证了学习效果；另一方面，由于学生在自主学习过程中体验到成就感和满足感，激发了学生的学习热情和积极性。

3.2.3 “云”教学评价体系

本虚拟仿真实践教学在内容和学习方法的设置上环环相扣，采用递进式的学习路线，形成对学生的知识传授、能力培养和素质提高的多层次的教学模式。该模式极大地改变了教学方式和学生学习习惯，因此对学生学习效果的评价方式也应随之调整。通过高度信息化的学习平台，学生可以根据自己的时间和学习需求灵活安排训练计划。学生在线上的操作达到规定后即为合格，就可以顺利进入下一关。在教学过程中，授课教师可以通过教师端在线统计学生在使用虚拟仿真实验系统过程中出现的问题，教师可以通过观察收集学生反馈等途径，了解学生在实践操作中的重难点问题，并集中进行讲解。通过有针对性的讲解和演示，从而实现实验教学的线上线下相结合，虚拟仿真与实验教学的互相促进，同时实现了全程在线监管、答疑、评分，真正实现全过程考核，更新了教学评价体系，使实践教学进入“云”教学时代。

下面以实验模块为例进行介绍。

理论课模块包含：实验基本原理；实验的研究方法；实验数据处理；实验数据的误差分析。

仿真操作模块包含：工艺过程及设备基础；开车、正常生产和停车；生产事故的紧急处理；泄露着火和泄漏等安全事故处理。

实验操作模块包含：工艺设备的操作；开车、正常生产和停车；操作生产事故的紧急处理；实验数据的处理。

综合设计模块包含：工艺过程参数的模拟优化；物料衡算和能量衡算模拟计算；工艺参数的设计；单元设备结构的设计。

3.3 建设特色

将现代的网络技术与信息化技术相结合。搭建西部南疆偏远地区网络教学平台和教学中心，将全国东部发达省份的优势教学资源在西部共享，使西部偏远地区的学生接受全国一流的教学，使西部教师充分利用这些资源到教学中去，实现优势资源共享，缩小东西部教学差异，真正实现西部地区教育的变轨超车。

将现代的信息化技术与教学相结合。搭建3D教学资源库，构建VR和AR立体化虚拟教学，激发学生的学习兴趣，提高西部教育的水平和教学能力。

将混合教学模式应用于实验模拟，跟踪监督学生在实验设计和操作中的表现，开展适度有效的引导。全面提高实验教学的能力和水平，提升难度和深度，打造全新式课程。

全力解决化工专业实习难，克服实习走过场和走形式的问题，打造四个层次七大模块的教学模式，形成基本理论、认识实习、仿真操作、实训操作和过程设计的递进式教学方法，将当今国际上通用的化工设计计算软件Aspen plus和Auto CAD引入到教学中，打造化工理论丰富、实践技能强、富有创新和探索精神的技术人才队伍，满足企业的用人需求，增强学生就业竞争力。

4 结语

“互联网+”背景下将虚拟仿真技术引入化工实践教学，构建线上、线下相结合的“闯关式”多层次、模块化的教学体系，有利于突破化工专业学生在实习上空间、时间等多方面的限制。整个体系的构建在传递专业知识的同时还培养了学生分析问题和解决问题的能力，为后续教学打下良好的基础，充分体现了互联网高速发展过程中的现代化教育的时代性、潮流性。后续的改革和探索中将持续推进先进科研成果、现代信息技术与教学的有机结合，建设一支敬业专业的教学队伍，加大化工教学建设力度，加快教学模式创新，持续提高化工实践教学质量，促进高等教育内涵式发展。