于永生 蔡靜靜 王莎莎 井強山

基金項目：教育部2022年產學合作協(xié)同育人項目“離子膜燒堿和煤制甲醇生產工藝虛擬仿真師資培訓”（220604697020857）；河南省本科高校新工科新形態(tài)教材“化工原理”（教辦高[2023]395號）；河南省示范性虛擬仿真實驗教學項目“離子膜燒堿生產工藝虛擬仿真實訓”（教高[2018]991號）；河南省虛擬仿真實驗教學項目“煤制甲醇生產工藝3D虛擬仿真實驗教學項目”（教高[2020]502號）；信陽師范大學研究生教育改革與質量提升工程校級項目“化學課程與虛擬仿真實驗研究”（無編號）；信陽師范大學2024年高等教育教學改革研究與實踐項目“化工虛擬仿真實驗教學平臺建設與運行機制研究”（無編號）

第一作者簡介：于永生（1979-），男，漢族，河南通許人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為化學教學及功能陶瓷材料。

*通信作者：井強山（1970-），男，漢族，河南信陽人，博士，教授。研究方向為化學教學及非金屬礦。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.023

摘? 要：化工原理是化工類專業(yè)極為重要的一門以實驗為基礎的必修課程。該課程知識面廣、工程實踐性強、實驗多，但因受實驗場地、實驗設備、重理論輕實踐的教學模式的影響而忽視對實驗操作能力的培養(yǎng)，最終培養(yǎng)出的學生大多是知識型人才。鑒于此，該文通過探究虛擬仿真模擬在化工原理課程教學中的應用，與傳統(tǒng)理論與實驗教學相比分析其優(yōu)勢，指出其不足，進而為更好地培養(yǎng)學生，建設虛擬教學體系；提出加大師資力量建設、培養(yǎng)學生使用意識、資金投入三點建議。

關鍵詞：化工原理課程；虛擬仿真技術；工程素養(yǎng)；創(chuàng)新培養(yǎng)；實驗教學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0092-05

Abstract： Principle of Chemical Engineering is a very important experimental based compulsory course for chemical engineering majors. This course has a wide range of knowledge， strong engineering practice and a lot of experiments. However， due to the influence of experimental sites， experimental equipment and the teaching mode that emphasizes theory over practice， the training of experimental operation ability is neglected， and most of the students cultivated in the end are knowledge-based talents. In view of this， this paper explores the application of virtual simulation in the teaching of Principle of Chemical Engineering， analyzes its advantages compared with traditional theory and experiment teaching， points out its shortcomings， and then builds a virtual teaching system to better train students. The paper puts forward three suggestions， strengthening the construction of teachers， cultivating students' awareness of use， and increasing capital investment.

Keywords： Principle of Chemical Engineering; virtual simulation technology; engineering literacy; innovation training; experimental teaching

化工原理是化學工程學科中的基本理論之一，其內容包括單元操作設備設計選型、構造、實驗操作原理、研究方法和數(shù)據(jù)處理等，按照課程特點可分為傳質分離單元、流體力學與傳熱、化工原理實驗及化工見習與化工課程設計五個板塊。化工原理實驗具有基礎性、實踐性和工程性較強等特點，在培養(yǎng)學生工程實踐能力方面具有重要作用[1]，是整個化工原理教學最為關鍵的版塊。通過實驗可以讓學生了解化工生產的實驗設備、操作過程，并反映學生的理論知識掌握情況。傳統(tǒng)課程教學按照老師講授理論—老師實驗—學生分組進行練習，但受限于實驗設備條件和場地面積無法保障每個學生同步進行相同實驗，且大多數(shù)實驗藥品對身體有害，實驗者的工程素養(yǎng)參差不齊，因而教學效果不佳。其次，應試教育重理論輕實踐的教學模式，培養(yǎng)出來的往往只是知識型人才。大部分學生并不具備解決實際復雜工程問題的能力，難以滿足社會對實用型人才的要求。應如何解決學生工程能力邊緣化，滿足企業(yè)對實用型人才需求這一難題呢？

近年來，虛擬仿真技術借助于信息化的互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅猛，尤其在2017年，教育部發(fā)布《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》。國家對高校建設虛擬仿真實驗室給予了政策支持，各高校紛紛開啟了“平臺共享與項目開發(fā)”虛擬仿真建設。在一定程度上促進了高校對實驗教學模式的改進[2]。經(jīng)過四年多的發(fā)展，已經(jīng)取得了初步成效。這一效果在高校工程基礎實驗教學領域體現(xiàn)明顯，如基于化工“互聯(lián)網(wǎng)+仿真實驗原理”的網(wǎng)絡控制實驗中心建設，使學生能夠在不受時間和空間限制的情況下與同學共享信息，進行探究學習式的協(xié)作。這種以學生為中心著重培養(yǎng)學生的工程和專業(yè)素養(yǎng)，從而提高創(chuàng)新創(chuàng)造活力的培養(yǎng)方法，不同于傳統(tǒng)的應試教育的教學模式，而是由理論教育和實踐能力結合化的培養(yǎng)要求，二者相互促進，滿足了社會發(fā)展對人才的需要[3]。

一? 虛擬仿真技術的定義

虛擬仿真技術從廣義上講是在媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)絡通信技術等信息科技基礎上，以構建全系統(tǒng)虛擬環(huán)境集成與控制模擬器實體，將仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合的產物，是一種更高級的仿真技術。它與VR技術有著相似的原理：都是通過使用虛擬仿真對現(xiàn)實世界中人們很難接觸到的過程進行還原，讓人們通過網(wǎng)絡體會到。它基于計算機軟硬件系統(tǒng)，以現(xiàn)實中的化工工藝、儀器設備等為模擬對象和基礎，利用特定的計算機軟件程序模擬化工設備的操作和具體的工藝流程[4]。在虛擬仿真軟件里，學生通過3D虛擬仿真練習不僅能夠真實地感受化工生產環(huán)境，還能從工廠的布置，區(qū)域的劃分中參與虛擬的真實工藝過程。一方面彌補學生在理論學習中對管道、調節(jié)器、閥門等設備了解的不足，進一步提高學生對化工廠的工藝流程、設備布置、化工生產技術的理解能力，鞏固所學的理論知識；另一方面加強學生工程設計能力，提高學生理論與實際操作相結合的能力。

二? 傳統(tǒng)化工原理課程教學存在的不足

（一）? 理論教學存在的問題

化工原理課程知識點冗雜、抽象、流程覆蓋面廣泛，教師較難講解的通俗易懂[5]。目前，大多數(shù)高?；ぴ砝碚摻虒W分一周二到三次，由于課程內容多、學時短，有的老師為了加快教學進度，講課速度快，師生互動有限，因而很多學生被迫處在一種“滿堂灌”的狀態(tài)中，跟不上老師講課的節(jié)奏，造成對知識點理解把握不牢。這些情況只是在客觀上完成了教學計劃，但培養(yǎng)出的學生往往只是知識型人才，忽視與生產實際相結合，并不具備解決實際問題的工程能力，不能滿足當前社會對化工人才的要求。

（二）? 實驗教學存在的問題

1? 學生學習缺乏主動性

化學實驗分為研討性實驗和驗證性實驗，它們都是有一定的實驗目的并按照實驗步驟進行的。在實際操作中，研討性試驗很少涉及。而傳統(tǒng)的化工驗證性實驗教學模式是“學生預習實驗—教師講解實驗原理—演示操作—學生操作記錄數(shù)據(jù)—學生寫實驗報告”。在這個模式中，會存在以下問題。

第一，目前國內大多數(shù)高?；I(yè)的基礎理論與實驗配套課程在內容選材上與引領科技前沿的創(chuàng)新性實驗相差比較遠，學生不感興趣。因此，對課程重視程度不夠。第二，很多教師沒有通過構建問題情境激發(fā)學生的興趣和動機，學生沒有養(yǎng)成在實驗中探索、在實驗中分析和解決問題的好習慣。這樣，學生只會把它當成任務消極被動地完成作業(yè)。第三，以實驗報告為主作為結課成績的考核方式并不合理，很多學生僅僅是去抄襲，導致一些學生的實驗積極性和學習熱情不高，教學效果較差。

2? 操作要求嚴苛，容錯率低

化工原理實驗會涉及各種各樣的化學物質，有的化學藥品屬易燃性和毒性物質。因此，在進行化工實驗時，要特別注意這些不安全因素對實驗操作條件的要求。例如，熱態(tài)實驗和熱輻射實驗，實驗環(huán)境對于溫度壓強要求嚴苛，此外該試驗涉及環(huán)節(jié)多、周期長，因而操作復雜，如果學生一旦誤操作會對設備有很大的影響。正是由于其容錯率很低，所以高校開設的化學實驗，都受限于安全擔保能力的制約，以至于某些實驗不能跟進生產實際，從而制約了實驗教學水平的提高[6]。

3? 教學條件不足

化工原理實驗不同于基礎實驗中以小型玻璃儀器為主，其更接近實際化工生產過程，具設備實驗場地所需面積大，單臺設備費用高、投資大、占地面積大等特點[7]，學生因而只能分成小組進行實驗。每個小組個體負責整個實驗的某個環(huán)節(jié)，學生只能從局部感知實驗，沒有辦法參與整個實驗的全流程，這在一定程度上會限制學生的大型實驗操作學習，導致學生只能從局部看問題，不利于培養(yǎng)學生統(tǒng)領全局的能力。實驗裝置的材料大多由鋼制品制成，容易生銹腐蝕，而且后期維護費用高。這些問題給教學帶來了極大的挑戰(zhàn)，影響教學效果。

三? 化工原理課程虛擬仿真模擬教學的優(yōu)勢

（一）? 激發(fā)理論學習興趣

化工生產過程是包括流體輸送、沉降、過濾、吸收等在內的多個化工操作單元的集合。在理論講授過程中可以利用化工虛擬仿真軟件將這些基礎實驗操作單元通過動畫人物講解、VR實驗等眾多新形勢的大眾化使用進行形象的演示和互動操作，使學生體驗到工程技術人員的角色[8]。例如，在溶液結晶設備選擇的理論課授課中可以通過虛擬仿真軟件了解DTB型結晶器內部結構構造，進一步通過虛擬KCL結晶生產過程，使學生深入了解生產工藝和過程控制，從而讓學生明白與流化床型結晶器的區(qū)別。有別于傳統(tǒng)理論講授，通過這種有趣又直觀的教學方式，可以激發(fā)學生學習的興趣，擺脫學生只知理論，不懂過程的囧境。

（二）? 提高課程設計能力

課程設計是化工原理重要的一個環(huán)節(jié)，它是綜合運用理論知識完成化工單元操作重要的實訓課程，是將理論應用到實際的重要轉化。虛擬仿真隨著計算機的發(fā)展，在化工課程設計應用中越來越廣泛。以乙苯-苯乙烯粗餾塔設計為例，根據(jù)參數(shù)要求，通過在模擬軟件Aspen Plus建立乙苯-苯乙烯操作單元動態(tài)模擬，軟件由系統(tǒng)實現(xiàn)策略、單元操作模塊、物性數(shù)據(jù)庫三部分組成，具備繪制圖標，優(yōu)化流程，過程動態(tài)分析等功能，可以使學生直觀地看到。因Aspen軟件需要用到大量化工原理、化工過程傳遞、化工專業(yè)等方面的專業(yè)英語知識，因此，在學生學習掌握的過程中無形中復習鞏固大量之前學到的知識。一方面鞏固學生掌握對知識的遷移應用能力；另一方面可以提高解決故障能力，學生在使用過程中可以通過對有可能出現(xiàn)的設備缺陷、故障等緊急情況的處理，鍛煉自己設計設備的思維、方式和對關鍵部位的改進能力[9]。在課程組合這種教學模式下，學生不再以認識學習軟件為目的，而是通過軟件和實驗裝置完成一定的生產實踐任務，從而提高軟件運用能力和課程設計能力。

（三）? 提高實訓綜合能力

學生在去相關企業(yè)實習之前，通過仿真教學軟件的演習，學習相關非正常操作情況的處理辦法。即便在上機操作出現(xiàn)錯誤的情況下，也不必擔心人身安全，因為軟件有容錯系統(tǒng)，實驗的非正常操作現(xiàn)象可以在計算機上多次再現(xiàn)，若真有異常，完全可以退出登錄重新開始。一般只要根據(jù)頁面彈出消息對話框，按照警示和信息提醒就能避免出現(xiàn)錯誤。這種教學模式允許學生在錯誤中觀察現(xiàn)象，可以鍛煉學生解決問題的能力，深化自己對實際問題的理解。這樣既可以使學生從宏觀上了解大型化工生產的具體流程，又可以有針對性地在細節(jié)上了解重點設備及關鍵的工藝參數(shù)，然后再去現(xiàn)場參觀學習便能很快適應操作環(huán)境，達到事半功倍的實訓效果。

（四）? 突破時空限制，提升參與感

虛擬實驗通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)快速對信息數(shù)據(jù)進行采樣、收集，并在較短的時間內進行處理得到結果。因此虛擬仿真可以調整長周期實驗的進度，縮短無效等待的時間，以便讓學生從容完成每個實驗。如在精餾操作實驗中探究回流比和熱負荷對整塔效率的影響，整個實驗包括備料、加料、加熱等多個環(huán)節(jié)。而探究各因素（回流比或塔釜加熱電壓）的影響需要在很長時間達到平衡時才能進行，因此實際實驗需要花費很長時間，但由每個學生在微機上進行虛擬仿真實驗，則可以克服這個難題，在較短時間內得出結論。在防疫期間，出于對學生安全問題的考慮，大部分院校采取線上教學，通過虛擬仿真，學生可以突破空間限制，在移動端、網(wǎng)絡端進行隨時隨地的學習，不再受實驗室的限制，使每個學生都可以感受實驗過程，達到實際實驗的效果[10]。

（五）? 強化預習效果，培養(yǎng)工程能力

預習是化工原理實驗課的重要組成部分。傳統(tǒng)的預習方式是讓學生閱讀實驗講義、輔助設備管路和儀表圖，看不到實際實驗操作的全貌，接觸不到真實的實驗設備。由于預習效果不好，學生在真實實驗中遇到問題時不知所措，小則造成實驗誤差，大則出現(xiàn)安全事故。如離心泵特定曲線測定實驗中，閥門開度過大導致流速過大進而引起實驗誤差甚至損壞儀器。但如果結合實驗講義虛擬仿真軟件進行相關預習，學生可以清晰地看到運行的全貌，對異常有正確的認識。這樣便使操作過程變得簡單易懂，進而強化實驗預習效果，培養(yǎng)學生的工程能力和素養(yǎng)。

四? 化工課程虛擬仿真的主要內容

化工原理實驗平臺的內容主要包括：化工流動過程綜合實驗、雷諾實驗、特征曲線離心泵測試、填料吸收塔實驗、蒸餾塔實驗、恒壓過濾實驗、提取實驗、二氧化碳的吸收與解吸、液-液萃取塔實驗、流化床干燥實驗、攪拌器性能測試及滲透膜分離實驗[11]。

實訓裝置平臺主要包括：流體輸送綜合實訓裝置、傳熱過程綜合實訓裝置、精餾實訓裝置、間歇反應實訓裝置、吸收與解析實訓裝置模塊。

實訓平臺主要包括：合成氨3D虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)、聚氯乙烯仿真、氯堿工藝流程仿真模塊組成。

虛擬仿真模擬軟件根據(jù)實際實驗的相關參數(shù)，匹配化工實驗的單元操作，在電腦上模擬實驗現(xiàn)場，利用大數(shù)據(jù)技術對實驗結果進行處理和數(shù)據(jù)分析，在操作單元設計的實驗界面上顯示真實的實驗條件和設備，這些都給人帶來很強的現(xiàn)實感。不僅如此，實驗操作還簡單易學，僅在電腦上根據(jù)實際實驗參數(shù)完成運行現(xiàn)場使用的設備模擬操作。軟件自帶的幫助系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理功能，將通過建立的數(shù)學模型對學生收集的原始數(shù)據(jù)自動進行處理，而且系統(tǒng)通過容錯技術根據(jù)選定的擬合公式對數(shù)據(jù)進行繪制和必要的分析，展示實驗規(guī)律，保證較好的安全性。從而提高操作者對實驗裝置的理解，加深學生對模擬實驗的理解。

在離心泵的特定曲線H-Q測量中，學生進入仿真系統(tǒng)后，選擇離心泵實驗按鈕，點擊回車；點擊操作按鈕，進入H-Q曲線測量模擬界面。仔細閱讀頁面上實驗步驟、實驗設備照片，按照實驗步驟在演示區(qū)可以觀看相應的三維動畫演示。在模擬項目的操作過程中，學生可以根據(jù)學習進度選擇不同的仿真實驗項目；還可以隨意切換DCS頁面和現(xiàn)場圖表訪問數(shù)據(jù)，非常方便。而且還具有放大局部效果的功能，使儀器和數(shù)據(jù)讀取清晰，如圖1所示為離心泵單元流程裝置圖。

五? 當前高?；ぬ摂M化教學存在的問題

據(jù)了解，國內大多數(shù)高校都建立了虛擬實驗室，虛擬模擬技術越來越多地被應用在實踐教學中。虛擬實驗教學模式在國內高校的發(fā)展和應用促進了實驗教學改革的前進。2013年，教育部高等教育司闡述了虛擬仿真教學的內涵和要求[12]，對進一步擴大虛擬仿真實驗教學中心建設指明了方向。與此同時，我國許多高校也開始了虛擬仿真教學教室的建設，但在仿真實驗應用中也存在一些缺點。首先，實驗結果是理想化的呈現(xiàn)與真實生產過程存在某些誤差，同時學生誤操作雖不會像實際生產中那樣造成危險事故，但由于沒有懲罰，也會使學生對實驗現(xiàn)象認識不夠深刻，導致學生過于懶惰，削弱基本訓練和動手能力的培養(yǎng)，降低學生應對突發(fā)事件、排除故障和實驗設備日常維護的能力。其次，在當前虛擬實驗教學尚處于初級發(fā)展階段，與虛擬教學配套的實驗室服務有些高校尚不完善，因此在虛擬教學過程中，學生往往只圖實驗現(xiàn)象動畫的新奇，忽略實驗數(shù)據(jù)記錄處理分析的手段，沒有注重學習環(huán)境的重要性，學生之間缺少互相交流。最后，由于各個學校虛擬實驗權限保護，僅僅只能使用本地的局域網(wǎng)，各單位之間很難進行協(xié)作交流、研究的分布式發(fā)展[13]。

因此，若想更好地謀求學生發(fā)展，必須堅持“虛擬與真實結合”的原則，在發(fā)揮虛擬仿真實驗優(yōu)勢的同時也應注重實驗室實驗的重要性，改進教學手段，提高教學質量。

六? 提高化工課程虛擬課堂建設的幾點建議

（一）? 加大師資力量建設

虛擬仿真是近年來興起的一種高科技手段，如果要在教學中使用這種技術，首先，應不斷補充專業(yè)技術人員師資隊伍，并不斷開展教師相關技能培訓，以帶動原有老教師，不斷擴大自己的知識范圍，接受新鮮事物，提高自己使用軟件的能力。同時教師在培訓過程中可以提前使用各個軟件平臺，通過對比向學生推薦適合的虛擬軟件自學平臺。這樣便能更好地指導學生在課堂上學習，使用虛擬模擬軟體進行實際操作[14]。

（二）? 加大培養(yǎng)學生使用意識

大多數(shù)學生沒有接觸過虛擬軟件，不知道如何使用，高校可以通過開放虛擬實驗室，招聘志愿者，通過引導學生進行上機操作，培養(yǎng)學生的使用意識。通過專員輔導教學，學生可以盡快學習掌握。

（三）? 加大資金投入

近年來，隨著信息化教學模式的普及，高校仿真虛擬實驗建設得到了一定的發(fā)展，然而對于部分不以工科見長的高校而言，對虛擬實驗室建設的資金投入仍然不夠充分，以至于某些學校的電腦都還是老舊版本，學生在操作時易引起卡頓現(xiàn)象。為此，國家應加大對虛擬仿真類實驗建設的資金投入，招攬人才，開發(fā)優(yōu)質軟件平臺。各高校也應積極響應通過設立專項維修費用，提高對虛擬仿真實驗室的建設投入。

七? 結束語

隨著我國對技能型人才的日益重視，我們應充分利用互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展這一契機加快虛擬仿真教學應用于化工原理課程教學的改革。針對理論教學存在的困難和基于傳統(tǒng)實驗教學場地不足，設備復雜，不易操作等缺點，利用虛擬仿真技術為化工專業(yè)的人才提供完備的實驗條件，結合實際應用于教學。這種虛擬與真實相結合的課程教學模式，以個性化、開放性激發(fā)學生的積極性，為學生由被動變主動學習開辟新的路徑，在倡導培養(yǎng)應用型人才為核心的現(xiàn)代社會，必將會培養(yǎng)出更多具有高素質的應用型人才。

參考文獻：

[1] 徐威，王瑤，俞路，等.線上線下融合的化工原理實驗教學模式改革與探索[J].化工高等教育，2022（4）：60-63，132.

[2] 黃海.化工原理虛擬仿真實驗教學資源建設的思考[J].化學工程與裝備，2018（9）：321-322.

[3] 王小光，楊月云，謝東坡.試論高校建立化工仿真實驗室的意義和功效[J].實驗室科學，2010，13（2）：138-140.

[4] 姚頌東，方志剛.虛擬仿真在OBE實踐教學及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的作用[J].實驗技術與管理，2019（6）：229-233.

[5] 唐奕楠，盛含晶，王怡婷，等.智能+虛實結合教學模式在化工原理實驗教學中的應用[J].化工管理，2023（19）：51-55.

[6] 牛古丹，楊秀春，鹿桂芳.互聯(lián)網(wǎng)背景下虛擬仿真實驗在化工原理實驗教學中的應用探索[J].高等學刊，2020，22（25）：97-98.

[7] 鐘建軍，喻冬秀.化工原理實驗教學模式創(chuàng)新探索[J].化工管理，2023（15）：27-30.

[8] 隋春磊.苯乙烯裝置分離單元流程模擬與優(yōu)化[J].化工管理，2020（3）：159-161.

[9] 朱慶英，封科軍，陳鴻雁.虛擬仿真在《化工原理實驗》中的應用探討[J].廣東化工，2020，47（11）：255-257.

[10] 黃慕雄.高校教學型虛擬實驗室建設的現(xiàn)狀與建議[J].網(wǎng)絡教育與遠程教育，2005（9）：77-79.

[11] 范明舫，賀楚華，王延飛，等.化工實驗仿真趨勢及在我院的應用[J].廣東化工，2013，40（23）：183-185.

[12] 張先明，李艷萍，王云飛，等.虛擬仿真技術在化工專業(yè)實踐教學中的應用研究[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（41）：21-23.

[13] 張俊茹.虛擬仿真軟件在化工實踐教學中的應用探討[J].科技風，2020（5）：73.

[14] 陳婷，羅迎春，吳怡逸，等.新工科背景下化學化工虛擬仿真實驗教學探索[J].山東化工，2020，49（14）：225-226.