“互聯網+教育”背景下化工實踐教學的改革與探索

趙蘇亞，田維亮

塔里木大學化學化工學院，新疆 阿拉爾 843300

快速發展的現代信息技術促進了高等教育教學的改革，加速了教學模式的多元化發展。在高校實驗教學中，虛擬仿真實驗能構建逼真的實驗環境、實驗對象和實驗內容，可以讓學生在開放、交互的虛擬環境中進行自主的實驗設計與操作，因而在培養學生的科學探索及實踐創新創業能力中發揮越來越重要的作用?，F在工科專業，特別是化工專業，在化工實踐教學過程中學生的實習難、實習效果差，創新能力不夠，多方面制約了實踐教學的效果。信息技術發展日新月異，推動了虛擬仿真技術的完善，使后者能直接應用在化工實踐教學中[1]。

筆者基于國家級混合式課程的建設標準，結合化工生產實習實踐教學的困境，以培養出具有扎實理論知識、實踐能力、創新能力的“新工科”人才目標為導向，在“互聯網+”背景下，將虛擬仿真融入化工實踐教學進行了改革和探索。

1 化工實踐教學面臨的困境

化工專業學習重在實踐，這也是化工類專業人才培養方案中著重強調的方面。在實踐過程中，學生動手動腦將所掌握的理論知識落地，解決現實問題。既讓學生更加深入系統地了解了化工知識，也能讓學生將理論所學應用于實踐問題的解決，養成科學的思維和習慣，提高實驗實踐技能?，F在化工專業的一大難題就是學生的實習難、實習效果差，創新能力不夠。學習存在主觀敷衍了事、準備不充分、技術水平低等不足[2,3]。

1.1 化工生產實習風險大、實習過程“走馬觀花”

眾所周知，在化工行業的生產過程中往往會涉及到較多易燃、易爆或具有一定毒性的化學物質，化工單元操作條件苛刻，很多都需要在高溫、高壓的環境下操作，這使得化工生產過程具有眾所周知的高危、高毒、高風險的特點，極易造成安全事故的發生，嚴重威脅到工作人員和生產設備的安全[4-6]?；て髽I對實習學生設置了更高的進入門檻，要掌握扎實的化學理論知識，要熟悉企業生產流程、技術參數、掌握設備操作技能等。很多企業為了避免不必要的經濟損失和安全隱患，不愿意接受化工類專業學生進行深層次的現場生產實習，學生沒有機會上崗動手操作。那么整個生產實習過程中學生只能“走馬觀花”，僅憑“聽”和“看”，很難真正了解現實中化工生產的工藝流程、設備性能等，更接觸不到實際問題，很大程度限制了學生的主觀能動性、創新性[7,8]。對于本科教育來說，其目標是將學生培養為工程師，能夠在實際生產中解決一些復雜的工程問題，這就需要更豐富的培養環節來提升教學的高階性，突出教學的創新性，增加教學的挑戰度。

1.2 化工生產實習準備倉促，學生的知識儲備不足、生產操作生疏

現在高校的化工生產實習流程，一般是對學生進行實習前的安全培訓，再進入實習，而并沒有經過真正操作技能的培訓和指導。那么這一關鍵環節的缺失則會造成學生因知識儲備不足、實驗操作技能生疏而導致生產原料的浪費、產品成分的改變、儀器的損傷等問題，更有可能引發安全事故，對企業造成較大程度的經濟損失，因此很多化工企業對接納高校實習生的積極不高。另外，因實習經費緊缺，學生在實習基地的實習時間短，企業也很難給學生安排一個比較系統的工作讓學生深入生產前線了解實際生產操作。這種情況下，難以實現理論聯系實際，鍛煉學生較強綜合分析、判斷的能力的教學目標，這樣也失去了實習的意義。

1.3 利用信息化技術的能力不足

信息技術發展日新月異，企業必須適應市場需求，打造技術性企業，采用各種“軟技術”。尤其是在化工行業生產的過程中應用DCS (Distributed control system)操作系統后，操作人員可以通過操作畫面完成各種操作功能，不僅降低了員工在操作過程中的難度、繁瑣度，還能提高在化工生產過程中的安全性能。但目前學生對于這類自動化操作系統的理論知識的學習和實際操作能力不夠。除此之外，學生對3D (3 Dimensions)、VR (Virtual reality)和AR (Augmented reality)等信息化技術的認知度、接觸度和熟悉度也遠遠不夠。

2 互聯網+教育融入化工實踐教學的意義

2.1 虛擬仿真技術引入化工實踐教學的意義

虛擬仿真軟件配置的3D虛擬仿真系統和DCS控制系統，可以模擬企業生產環境，為學生體驗設備操作提供條件，也可以模擬生產事故的發生，讓學生學會如何進行靈活應對，做好應急處置，還可以控制人物在化工廠里參觀，可以看到對于化工廠的安全要求，而且還可以切換人物，感受不同的角色[9]。學生可以根據自己在工廠實習中遇到的難題設計實驗場景，在確保人身安全和經濟安全的模擬環境中進行反復操作和練習，大膽進行各項操作，將虛擬仿真技術引入實踐教學，不僅能夠有效解決學生實習難、效果差、化工生產風險大、生產操作能力不足等問題，還能夠拓展實踐教學的廣度和深度，以達到鞏固學生基礎理論知識、培養創造思維、提高應用化學設備的能力[10]。

我們圍繞將虛擬仿真技術引入實踐教學的認可度，對2018級、2019級化工和應化專業306名接觸過虛擬仿真實踐教學的學生做了相應的問卷調查，共發放306份問卷，收到302份有效問卷，結果見圖1。在線下教學環境中加入虛擬仿真環節，豐富學生學習體驗，快速提升學生實踐技能，讓課堂價值得到最大程度的發揮。這種教學設計贏得了學生的認可。

圖1 學生對引入實踐教學認可度的問卷調查

2.2 線上線下混合式教學

混合教學模式并非簡單粗暴地將兩種教學方式進行組合，而是更加注重教學方式選擇的靈活性和針對性。根據課堂教學內容和目標任務，靈活設計教學計劃，將兩種教學方式有機融合，最大程度地發揮兩種教學方式的優勢[11,12]。一方面充分利用互聯網的在線教學優勢，加強教師和學生的課堂互動；另一方面充分利用學習資源、學習環境、學習方式線上和線下的混合，拓展授課的時空邊界，打造具有高階性、創新性和挑戰度的混合式課程。

3 “互聯網+”化工實踐教學的改革思路和舉措

結合我?；ゎ愊嚓P專業現階段的發展需求，以“中國制造2025”和“互聯網+”模式為實驗和實踐教學研究載體，構建一個“互聯網+”的信息化和現代化全國共享實踐平臺與方案，建成后將成為新疆南疆地區實踐教學示范中心。學生通過線上線下混合式的理論學習、仿真實驗和實訓操作訓練、實驗實訓操作和化工廠設計的全程綜合學習，可提高綜合設計實驗的能力，解決化工專業學生在實際生產中的困境。

混合式課程的建設能促進化學工程與工藝專業、應用化學、食品科學與工程等專業的實驗實踐教學的多學科交叉與融合，教學質量和水平必將得到很大提高，促進化工等相關專業人才的培養，服務地方經濟建設，社會效益較大?；し抡鎸嵙晫嵺`教學的建設思路如圖2所示。

圖2 課程建設思路

3.1 具體建設思路

3.1.1 構建南疆化工實踐教學線上教學平臺，實現資源共享

緊密結合本?；瘜W化工專業特色，讓地處西部地區的新疆南疆化工學子接受全國一流的教育資源，全面提升南疆地區的教學質量和水平。通過3D、VR和AR技術，搭建“互聯網+教育”的化工實踐教學平臺，無論在學校課堂、宿舍，還是在家里都可以通過網絡或者手機學習，真正實現三維立體化教學的開展。

3.1.2 全力解決化工專業學生生產實習難、效果差、學習興趣低等難題

化工專業屬于新工科學科，需要工程實踐。目前鑒于化工安全等因素，幾乎所有的化工企業不愿意接受化工類學生生產實習?，F代化工學生缺少化工生產操作實踐，工程實踐能力不夠。信息技術的發展，帶來新的契機，打破以往的教學模式，借助現代的虛擬仿真技術，全力構建三維虛擬工廠，實現真正意義上的虛擬操作，提高化工學生的工程實踐操作能力，全力解決化工學生生產實習難、效果差等難題。同時，解決了化工學生學習興趣低的難題。

3.1.3 加大化工創新人才的培養深度，全面提高人才培養質量

化工類的本科生不是培養僅僅具有簡單模仿能力的專業技術人才，而是要有工程實踐能力的創新人才。因此，化工工程師只有仿真操作能力是不夠的，還要有工程設計分析能力。將現代化的軟件Aspen plus和Auto CAD等應用于教學中，構建工程計算和設計能力，全力挖掘化工類人才培養的深度，提高人才培養的質量和水平，構建全方位的人才培養體系。

3.2 具體措施

3.2.1 建立多層次、多模塊的教學體系

根據學生的需求與知識結構，構建了四個層次(理論課模塊、仿真操作模塊、實驗操作模塊、綜合設計模塊)，七個教學模塊(圖3) (基礎理論線上授課，線上實習虛擬仿真，線下實驗操作，線上關鍵設備拆裝，線上化工單元的綜合實訓，線下工藝模擬計算(設計軟件Aspen plus)，線下單元設備的結構計算(設計軟件Auto CAD))的實驗內容，實踐教學不單是對理論教學的驗證和深化，而是要根據學生的學習需求和接受能力，對教學活動進行拓展，提升學生多方面的技能水平。比如引導學生對實踐活動進行創新。本項目設置在知識水平、能力要求上逐漸提高的四個層次，學生可以根據自己的需求進行學習。

圖3 混合式教學課程建設思路

3.2.2 “闖關式”學習體驗

虛擬仿真實習各層次之間采用了“闖關式”的方法，學生只有完成前一層次的學習且達到一定分數后，才能進入到下一層次的學習。根據學生的學習需求和接受能力，學生自主決定是否對知識進行拓展延伸。在完成第一層次的學習之后，學生能夠掌握基本理論、操作基本方法等，也可以作為學生開展真正實踐教學的準入和預演，真正做到虛實結合、以虛補實。一方面保證了學生學習過程的循序漸進，將過程與設備的基礎理論掌握扎實后再開始拓展及綜合型的學習，保證了學習效果；另一方面，由于學生在自主學習過程中體驗到成就感和滿足感，激發了學生的學習熱情和積極性。

3.2.3 “云”教學評價體系

本虛擬仿真實踐教學在內容和學習方法的設置上環環相扣，采用遞進式的學習路線，形成對學生的知識傳授、能力培養和素質提高的多層次的教學模式。該模式極大地改變了教學方式和學生學習習慣，因此對學生學習效果的評價方式也應隨之調整。通過高度信息化的學習平臺，學生可以根據自己的時間和學習需求靈活安排訓練計劃。學生在線上的操作達到規定后即為合格，就可以順利進入下一關。在教學過程中，授課教師可以通過教師端在線統計學生在使用虛擬仿真實驗系統過程中出現的問題，教師可以通過觀察收集學生反饋等途徑，了解學生在實踐操作中的重難點問題，并集中進行講解。通過有針對性的講解和演示，從而實現實驗教學的線上線下相結合，虛擬仿真與實驗教學的互相促進，同時實現了全程在線監管、答疑、評分，真正實現全過程考核，更新了教學評價體系，使實踐教學進入“云”教學時代。

下面以實驗模塊為例進行介紹。

理論課模塊包含：實驗基本原理；實驗的研究方法；實驗數據處理；實驗數據的誤差分析。

仿真操作模塊包含：工藝過程及設備基礎；開車、正常生產和停車；生產事故的緊急處理；泄露著火和泄漏等安全事故處理。

實驗操作模塊包含：工藝設備的操作；開車、正常生產和停車；操作生產事故的緊急處理；實驗數據的處理。

綜合設計模塊包含：工藝過程參數的模擬優化；物料衡算和能量衡算模擬計算；工藝參數的設計；單元設備結構的設計。

3.3 建設特色

將現代的網絡技術與信息化技術相結合。搭建西部南疆偏遠地區網絡教學平臺和教學中心，將全國東部發達省份的優勢教學資源在西部共享，使西部偏遠地區的學生接受全國一流的教學，使西部教師充分利用這些資源到教學中去，實現優勢資源共享，縮小東西部教學差異，真正實現西部地區教育的變軌超車。

將現代的信息化技術與教學相結合。搭建3D教學資源庫，構建VR和AR立體化虛擬教學，激發學生的學習興趣，提高西部教育的水平和教學能力。

將混合教學模式應用于實驗模擬，跟蹤監督學生在實驗設計和操作中的表現，開展適度有效的引導。全面提高實驗教學的能力和水平，提升難度和深度，打造全新式課程。

全力解決化工專業實習難，克服實習走過場和走形式的問題，打造四個層次七大模塊的教學模式，形成基本理論、認識實習、仿真操作、實訓操作和過程設計的遞進式教學方法，將當今國際上通用的化工設計計算軟件Aspen plus和Auto CAD引入到教學中，打造化工理論豐富、實踐技能強、富有創新和探索精神的技術人才隊伍，滿足企業的用人需求，增強學生就業競爭力。

4 結語

“互聯網+”背景下將虛擬仿真技術引入化工實踐教學，構建線上、線下相結合的“闖關式”多層次、模塊化的教學體系，有利于突破化工專業學生在實習上空間、時間等多方面的限制。整個體系的構建在傳遞專業知識的同時還培養了學生分析問題和解決問題的能力，為后續教學打下良好的基礎，充分體現了互聯網高速發展過程中的現代化教育的時代性、潮流性。后續的改革和探索中將持續推進先進科研成果、現代信息技術與教學的有機結合，建設一支敬業專業的教學隊伍，加大化工教學建設力度，加快教學模式創新，持續提高化工實踐教學質量，促進高等教育內涵式發展。