韓要叢，薛興勇，蘇俏俏，周澤廣，藍 平，譚學(xué)才

(1 廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530006；2 廣西多糖材料與改性重點實驗室，廣西 南寧 530006)

化工泛指以化學(xué)方法為主、涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)化和分離的過程工業(yè)，滲透到能源、醫(yī)藥、食品、材料、生物和環(huán)境等國民經(jīng)濟發(fā)展的眾多領(lǐng)域，是不斷滿足人類對豐富多彩物質(zhì)需求的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是支撐國家14% GDP的支柱產(chǎn)業(yè)。高校化工專業(yè)主要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化工行業(yè)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和分離的一般規(guī)律，并能夠進行產(chǎn)品和工藝開發(fā)、裝置設(shè)計和過程優(yōu)化，化工專業(yè)承擔(dān)著為化工行業(yè)輸送高素質(zhì)工程技術(shù)人才的任務(wù)，是服務(wù)國家戰(zhàn)略的重要工科專業(yè)[1]?；I(yè)屬于厚基礎(chǔ)、寬口徑通用型交叉專業(yè)，課程設(shè)置除化學(xué)課程外，還涵蓋物理、機械、電子、自動化、管理等課程。課程設(shè)置交叉，學(xué)習(xí)時間跨度大，使各課程形成一個個孤立的點，如不進行有效銜接和融合，容易模糊學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，降低學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，弱化學(xué)生的獲得感。

隨著傳感器、人機交互、三維建模和虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真在教育教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展成為現(xiàn)實，虛擬仿真除可以呈現(xiàn)文字、圖片和視頻外，最重要的是可以為學(xué)生提供互動沉浸式體驗，它的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)課堂的時間和空間限制，改變了知識的傳授方式，這種知識獲取方式的轉(zhuǎn)變順應(yīng)了信息化時代背景下現(xiàn)代大學(xué)生的內(nèi)在需要，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣和興趣，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并且為強化實踐育人提供了新的平臺?；な堑湫偷闹貙嵺`、強能力的工科專業(yè)，實踐教學(xué)是化工人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)，貫穿人才培養(yǎng)的全過程。按照“虛實結(jié)合”的原則，很多高?；I(yè)除建立化工原理實驗室和專業(yè)實驗室外，還建立了化工虛擬仿真實驗室，以方便為學(xué)生提供一些真實環(huán)境不容易開展的高危、高成本或不可逆的實踐項目，當(dāng)然虛擬仿真實驗室還可提供常規(guī)的化工單元操作虛擬仿真和工藝虛擬仿真。目前虛擬仿真在化工專業(yè)人才培養(yǎng)中的具體體現(xiàn)方式還較為單一，一般存在于儀器分析、化工原理實驗和專業(yè)實驗等單一課程中。如何充分挖掘虛擬仿真在化工人才培養(yǎng)中的價值是一個非常值得研究的課題，本文僅就探討虛擬仿真在化工專業(yè)課程群中的融合作用。

1 化工專業(yè)課程群融合存在的問題

為加快推進工程教育的改革和國際互認，我國于2016年加入《華盛頓協(xié)議》，成為其第18個正式成員，在這之后，國內(nèi)申請工程教育認證的高校和專業(yè)數(shù)量快速攀升。工程教育認證的核心理念是成果導(dǎo)向(OBE)，OBE理念要求反向設(shè)計教學(xué)設(shè)計，即由外部行業(yè)、企業(yè)或崗位的需求制定人才培養(yǎng)目標(biāo)，由培養(yǎng)目標(biāo)制定學(xué)生的畢業(yè)要求，進而由畢業(yè)要求制定相應(yīng)的課程體系[2]?；I(yè)教育的課程體系分為三個層次，第一層次是化工原理、分離工程和反應(yīng)工程等“三傳一反”學(xué)科基礎(chǔ)課程，支撐的畢業(yè)要求是生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)和參數(shù)的工程設(shè)計；第二層次是化工設(shè)備機械基礎(chǔ)、工程制圖和化工儀表及自動化等機械電子和計算機類工程基礎(chǔ)課程，支撐的畢業(yè)要求是過程裝備、儀表及控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計；第三層次是化工設(shè)計類課程，支撐的畢業(yè)要求是分析及解決化工復(fù)雜工程問題[3]。在化工專業(yè)教育的課程體系中，化工設(shè)計綜合了工程原理、設(shè)備、工藝以及控制系統(tǒng)等，是一門從理論到實際工程應(yīng)用的綜合實踐課程，以其為主線，可將其它專業(yè)課程有機融合成一個整體，但在實際教學(xué)過程中仍然存在問題[4]。

首先，長期以來，受限于體制和學(xué)科壁壘以及專任教師自身的知識結(jié)構(gòu)和教育理念，課程體系松散且實施缺乏系統(tǒng)性，教師在講授時未能理清所授課程在課程體系中的地位以及對畢業(yè)要求達成度的支撐作用，所授知識缺乏完整性，為教而教，各課程各自為政，致使學(xué)生對培養(yǎng)方案課程體系的了解猶如盲人摸象，不得全局[5]。再者，專業(yè)課程大多從第四學(xué)期就開始陸續(xù)開設(shè)，雖然在第六或第七學(xué)期開設(shè)化工設(shè)計類課程，以期能夠?qū)⒅八鶎W(xué)的專業(yè)課程進行有機融合，但專業(yè)課程學(xué)習(xí)時間跨度這么大，僅通過化工設(shè)計進行融合，手段單一，效果堪憂。因此，專業(yè)課程融合必須加強頂層設(shè)計，制定一套多種手段相結(jié)合的的系統(tǒng)方法，其中，虛擬仿真就是一種有效的課程融合載體。

2 虛擬仿真是課程融合的有效載體

化工虛擬仿真涉及到很多化工基礎(chǔ)課程和工程基礎(chǔ)課程，是化工課程群有效融合的具體呈現(xiàn)?，F(xiàn)以我校催化裂化工藝虛擬仿真軟件集散控制系統(tǒng)(DCS)為例來說明虛擬仿真所涉及的課程。

(1)化工工藝學(xué)。每一個虛擬仿真項目都會體現(xiàn)一段具體的工藝過程，催化裂化工藝虛擬仿真所體現(xiàn)的是重油在移動床反應(yīng)器中進行的催化裂化工藝，通過開車、停車和故障排查等訓(xùn)練，可以使學(xué)生有效掌握工藝原理、工藝過程和工藝關(guān)鍵控制點。

(2)化工原理和反應(yīng)工程。每段工藝過程一般都會涉及“三傳一反”，包括流體流動、傳熱、精餾、萃取、吸收等單元操作設(shè)備和反應(yīng)器，虛擬仿真過程中會對單元操作設(shè)備和反應(yīng)器的流量、壓力、溫度、液位等參數(shù)加以控制，可以使學(xué)生有效掌握“三傳一反”的概念和原理。

(3)化工儀表及自動化。虛擬仿真離不開自動控制系統(tǒng)，催化裂化工藝虛擬仿真軟件DCS操作界面可以看作一個工藝管道及控制流程圖，包括流量、壓力、溫度、液位檢測儀表和控制儀表，采用了簡單控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)，通過上機虛擬仿真操作，可以使學(xué)生有效掌握自動控制系統(tǒng)的控制邏輯。

(4)化工制圖。DCS操作界面本就是一個帶控制點的工藝流程圖，所以在化工制圖工藝流程圖部分，可以讓學(xué)生使用CAD繪制虛擬仿真項目對應(yīng)的工藝流程，從而實現(xiàn)兩門課程之間的呼應(yīng)，加深學(xué)生的記憶，可以使學(xué)生有效掌握制圖技能和工藝流程。

(5)化工設(shè)計?；ぴO(shè)計是一門理論到實踐的綜合性課程，覆蓋廠址選擇、工藝設(shè)計、設(shè)備選型、平面布置、工藝運行等工廠實現(xiàn)的全過程，對于工程經(jīng)驗比較匱乏的學(xué)生來說，難度較大。虛擬仿真，尤其是3D虛擬仿真可以給學(xué)生呈現(xiàn)較為直觀形象的工廠案例，增強學(xué)生對公用工程布置、設(shè)備和管道連接、工藝運行、安全防范等方面的認知和理解。

3 虛擬仿真貫穿人才培養(yǎng)的全過程

實踐教學(xué)是化工專業(yè)教學(xué)中不可或缺的重要組成部分，傳統(tǒng)化工專業(yè)實踐教學(xué)體系主要包括基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗，化工設(shè)計以及實習(xí)等，由于學(xué)生基數(shù)大、實驗裝備少以及實訓(xùn)場所不足等主客觀原因，長期以來學(xué)生的實踐時間難以保證，實踐教學(xué)效果難以達到。建立虛擬仿真實驗室，將虛擬仿真引入實踐教學(xué)體系的每一個模塊，構(gòu)建虛實結(jié)合的實踐教學(xué)新模式，使虛擬仿真貫穿人才培養(yǎng)的全過程，突破傳統(tǒng)教學(xué)時間和空間的限制，可有效解決傳統(tǒng)實踐教學(xué)工程能力不足的問題[6]。

(1)基礎(chǔ)實驗?zāi)K。無機化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗和物理化學(xué)實驗等基礎(chǔ)實驗，一般來說實驗場地和設(shè)備相對充足，但隨著課時的不斷壓縮，目前一般開展相對簡單的驗證性實驗，故可以利用虛擬仿真開展一些創(chuàng)新性和探索性實驗來進行補充，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

(2)專業(yè)實驗?zāi)K。專業(yè)實驗主要包括儀器分析實驗、化工原理實驗等課程實驗以及化工專業(yè)綜合性實驗。相對基礎(chǔ)實驗，專業(yè)實驗設(shè)備套數(shù)較少，很多時候需要多人操作一套設(shè)備，另外對于波譜、光譜及質(zhì)譜等精密分析儀器，還存在人多手雜帶來的故障頻發(fā)問題。故可在專業(yè)實驗?zāi)K引入虛擬仿真，尤其是3D虛擬仿真，通過直觀形象的互動操作，可使學(xué)生有效掌握設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、操作方法以及工藝流程。目前，專業(yè)實驗?zāi)K的虛擬仿真軟件較為成熟，學(xué)生體驗和反饋較好。

(3)實習(xí)模塊。在傳統(tǒng)實習(xí)中，學(xué)生一般是由實習(xí)單位工程師帶領(lǐng)，按物料走向進行工藝講解，出于生產(chǎn)安全考慮，實習(xí)單位一般不允許學(xué)生動手實踐，另外大型裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可見，實習(xí)猶如走馬觀花，實習(xí)效果大打折扣[7]。故可以根據(jù)專業(yè)發(fā)展方向，針對性的開發(fā)一些典型工廠的2D和3D虛擬仿真軟件，3D虛擬仿真可以使學(xué)生進行身臨其境般的工廠漫游，以了解工廠全貌、工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備等，2D虛擬仿真主要用來進行DCS操作，以模擬根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進行開停車和正常操作等，從而達到深度實習(xí)實訓(xùn)的目的。

4 虛擬仿真有效融合化工專業(yè)課程群建議

化工虛擬仿真是化工專業(yè)課程群有機融合的外在具體呈現(xiàn)，以化工虛擬仿真為載體，可在人才培養(yǎng)的全過程向?qū)W生進行課程體系的無形滲透，有效鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新精神、工程能力和工程思維，以培養(yǎng)多學(xué)科融合的復(fù)合型人才。為此，建議如下：

(1)建立貫穿人才培養(yǎng)全過程的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。按照學(xué)生的認知規(guī)律，由淺及深，層層遞進，按照“虛實結(jié)合”的原則，在傳統(tǒng)實踐教學(xué)體系中的基礎(chǔ)實驗?zāi)K、專業(yè)實驗?zāi)K、設(shè)計模塊和實習(xí)模塊分別引入虛擬仿真項目。

(2)加強專任教師實踐育人的理念以及工程意識。不少化工專任教師畢業(yè)以后直接進入高校從事教學(xué)工作，缺少企業(yè)從業(yè)經(jīng)歷，工程經(jīng)驗不足，跨學(xué)科能力缺失，對課程體系設(shè)置的理解不深刻。面對這種情況，應(yīng)鼓勵化工專任教師利用寒暑假到企業(yè)去鍛煉，提升自身對所講授課程在畢業(yè)要求中的支撐作用，推動教學(xué)內(nèi)容的更新與改革。

(3)開發(fā)與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合的虛擬仿真項目。目前高校購置的多為合成氨等常規(guī)基礎(chǔ)型虛擬仿真項目，與社會實際需求脫節(jié)嚴重，為建立與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合的培養(yǎng)環(huán)境，需加強與企業(yè)行業(yè)間的合作，結(jié)合工程案例開發(fā)多用途虛擬仿真實踐實訓(xùn)平臺。如成都理工大學(xué)著眼于西部液體礦產(chǎn)資源，開發(fā)了一套了地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真項目[8]。我校基于廣西的木薯資源，開發(fā)了一套木薯制酒精二維DCS和三維VR相結(jié)合的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建了一個包含中控室、生產(chǎn)車間、污水處理等在內(nèi)的虛擬廠景，可以實現(xiàn)廠區(qū)漫游、現(xiàn)場巡檢和中控控制，可用于化工實踐教學(xué)體系中的專業(yè)實驗?zāi)K和實習(xí)模塊。

5 結(jié) 語

化工虛擬仿真是化工專業(yè)課程群有機融合的有效載體，是實踐育人的良好媒介。通過構(gòu)建層層遞進的化工虛擬仿真教學(xué)體系，強化專任教師的工程思維和工程能力，開發(fā)與實際工程案例緊密集合的虛擬仿真項目，拓展實踐內(nèi)容的廣度和深度，在人才培養(yǎng)的全過程向?qū)W生不斷傳遞有機統(tǒng)一的課程體系和課程知識，培養(yǎng)和提升學(xué)生分析和解決化工復(fù)雜工程問題的能力，夯實學(xué)生步入社會走向崗位的能力需求。