杜 靜， 馬驍飛， 趙溫濤

（天津大學(xué)a.化學(xué)化工國家級實驗教學(xué)示范中心；b.化學(xué)化工國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心；c.理學(xué)院化學(xué)系，天津 300072）

0 引 言

在創(chuàng)新型國家發(fā)展戰(zhàn)略大背景下，工程教育是國家創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略布局的重要支撐，同時為國民經(jīng)濟(jì)做出重大貢獻(xiàn)，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、改革與創(chuàng)新提供重要的人才保障［1］。

化學(xué)化工生產(chǎn)過程中存在“易燃、易爆、易制毒”以及“高危高壓”等危險，具有生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜、工藝差別大、生產(chǎn)條件苛刻等特點，屬于知識密集型行業(yè)［2-3］，通過現(xiàn)代化自動控制生產(chǎn)能夠減少的安全風(fēng)險，也需要技術(shù)人員能夠熟悉自動化生產(chǎn)過程以及熟練操作集成控制系統(tǒng)，因此，急需培養(yǎng)具有安全生產(chǎn)意識、熟練掌握自動控制系統(tǒng)以及解決實際生產(chǎn)問題能力的現(xiàn)代化高水平人才［4-7］。

生產(chǎn)實習(xí)是理工科高等教育培養(yǎng)計劃中一個重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)［8-9］，在培養(yǎng)學(xué)生工程意識，提高學(xué)生綜合實踐能力方面起著非常重要的作用。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式方式較為單一，且受空間、時間、實訓(xùn)基地自身問題等限制因素較多，特別是在當(dāng)下疫情反復(fù)的情況下開展實踐教學(xué)難度增大。

針對上述問題，以及新工科發(fā)展要求對學(xué)生工程實踐素養(yǎng)的要求［10-12］，對化學(xué)化工生產(chǎn)實習(xí)課程進(jìn)行建設(shè)與改革，在不斷實踐中探索新型的實踐教學(xué)模式—“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”，為實踐類教學(xué)提供了新的方法，更好地提高學(xué)生工程操作能力、理論聯(lián)系實際能力以及分析解決問題能力，同時對學(xué)生進(jìn)行思政教育，增加課程的立體度。課程中的加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真實驗在2020年評為國家級虛擬仿真實驗，本課程于2021 年評為天津市一流本科建設(shè)課程，并成為新疆塔里木大學(xué)2021 年“MOOC西行—同步課堂”課程。

1 五位一體教學(xué)模式解決的問題

本校開展生產(chǎn)實習(xí)課程已有30 年歷史，主要對應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)，實習(xí)為期1 周，傳統(tǒng)的開課方式是到石油化工企業(yè)下廠實習(xí)，隨著化工企業(yè)對生產(chǎn)安全以及對學(xué)生人身安全越來越重視，下廠實習(xí)逐步向參觀實習(xí)過度，甚至參觀實習(xí)也無法實現(xiàn)，有兩年變成科研訓(xùn)練替代生產(chǎn)實習(xí)。2015 年開始使用虛擬仿真軟件（天津石化一線設(shè)備操作軟件，供新入職員工培訓(xùn)使用）進(jìn)行生產(chǎn)實習(xí)。2017 年開始在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開展“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”混合式教學(xué)模式探索，通過該教學(xué)模式主要解決了3 方面的問題。

（1）解決生產(chǎn)實習(xí)基地缺乏的問題?；S對生產(chǎn)安全以及對學(xué)生人身安全越來越重視，現(xiàn)場實習(xí)的方式已經(jīng)難以實施，用虛擬仿真技術(shù)解決化工生產(chǎn)實踐難題［13-15］。

（2）解決生產(chǎn)實習(xí)走馬觀花、學(xué)生重視不足、課堂效率低的問題。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容不同采用不同教學(xué)方法，不拘泥于單一教學(xué)形式，充分利用學(xué)習(xí)平臺以及線上課程資源，并結(jié)合實際生產(chǎn)，能夠?qū)⒒瘜W(xué)化工安全知識、理論知識、實驗內(nèi)容等進(jìn)行有機(jī)融合，鞏固學(xué)生基礎(chǔ)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生實際操作能力、分析解決問題能力、提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

（3）課程育人功能不足的問題。構(gòu)建信息化資源—虛實結(jié)合—校企結(jié)合—課程思政結(jié)合的教學(xué)理念，推進(jìn)混合式教學(xué)改革，把創(chuàng)新思維、課程思政、工程意識（包括環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展）及實踐能力培養(yǎng)貫穿于全課程中，充分發(fā)揮課程的育人功能。

2 化學(xué)化工生產(chǎn)實習(xí)課程建設(shè)

2.1 信息化資源建設(shè)

國家級化學(xué)化工虛擬仿真實驗中心（天津大學(xué)）于2017 建成化學(xué)化工虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺（http：∥ccelab.tju.edu.cn／sas／login.do），平臺包含：無機(jī)化學(xué)仿真單元、物理化學(xué)仿真單元、有機(jī)化學(xué)仿真單元、大型與貴重儀器仿真、分析化學(xué)仿真、化工單元仿真、化工工藝單元仿真、化工原理單元仿真、高分子、化學(xué)綜合以及藥物化學(xué)，共11 類化學(xué)化工仿真軟件總計145項，軟件為本校教師與軟件公司共同開發(fā)設(shè)計，滿足教學(xué)實際、科學(xué)前沿以及工程實際的要求?；瘜W(xué)化工生產(chǎn)實習(xí)課程依托于該平臺開課，選用其中的流體輸送單元、換熱器單元、3D單塔精餾單元、固定床反應(yīng)器單元、吸收與解吸單元及加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真軟件作為生產(chǎn)實習(xí)課程主要內(nèi)容。其中加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真實驗在ilab實驗空間上線。

組織大學(xué)MOOC 共享學(xué)習(xí)資源，于2019 年建立SPOC課程，經(jīng)過兩年課程改革于2021 年轉(zhuǎn)為MOOC，課程資源包括課件、課后習(xí)題、操作視頻、使用說明等，為學(xué)生自學(xué)提供豐富的線上資源。

2.2 硬件條件

為了能夠更好地開展課程學(xué)習(xí)，虛擬仿真中心共建有100 臺微型計算機(jī)、高性能計算機(jī)集群及服務(wù)器，用于仿真實訓(xùn)與資源的開放共享，其中服務(wù)器用于學(xué)生學(xué)習(xí)記錄存儲以便教師對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分析與評價。學(xué)校建設(shè)虛擬現(xiàn)實實驗教學(xué)教室為課程提供VR設(shè)備包括：三維視覺顯示設(shè)備3D 展示系統(tǒng)；大型投影系統(tǒng)CAVE、頭顯（頭戴式立體顯示器）等；三維聲音系統(tǒng)；交互設(shè)備包括：位置追蹤儀、眼動儀、手柄。實現(xiàn)了工廠“1∶1”搬入學(xué)校，學(xué)生隨時進(jìn)入“工廠”實習(xí)。

2.3 課程建設(shè)

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，課程從內(nèi)容到形式上都有較大改變，形式上更具有多樣化，由2015 年前的工廠參觀到現(xiàn)在的利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、在線資源結(jié)合工廠實際讓學(xué)生具有全方面的感知，內(nèi)容更加豐富，從廠區(qū)介紹、沙盤參觀、自動控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)到現(xiàn)在的思政學(xué)習(xí)、設(shè)備學(xué)習(xí)、工廠學(xué)習(xí)、理論學(xué)習(xí)以及實操練習(xí)增加了課程的立體度。

國家級化學(xué)化工虛擬仿真實驗中心（天津大學(xué)）于2015 年開始購買仿真軟件，并聘請?zhí)旖蚴痪€工程師作為外聘教師講解操作相關(guān)的化工生產(chǎn)案例、緊急事故處理案例以及現(xiàn)代化工企業(yè)生產(chǎn)。2019 年引入加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真實驗（2020 年評為國家級一流虛擬仿真課程）。2020 年生產(chǎn)實習(xí)在線課程先后在中國大學(xué)MOOC平臺以及超星平臺（供社會學(xué)員使用）上線，利用虛擬仿真軟件在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開展實踐教學(xué)，逐步完善線上線下混合式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實踐探索能力以及自主學(xué)習(xí)能力。建立的在線課程資源包括微課視頻、課件、演示錄像、習(xí)題庫、在線作業(yè)與試題等多種形式，并結(jié)合思政教育“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”五位一體的教學(xué)模式。

目前本校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)、侯德榜化學(xué)英才班的學(xué)生都會在虛擬仿真實驗中心進(jìn)行為期1 周的生產(chǎn)實習(xí)課程，共48 學(xué)時其中包含16 學(xué)時線上課時以及32 學(xué)時線下課時，具體課程內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 “在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”五位一體的教學(xué)模式

課前觀看工廠實際生產(chǎn)視頻資料，感受生產(chǎn)過程中的震撼，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。如圖2 所示，通過3D虛擬仿真教學(xué)軟件以及VR 版教學(xué)軟件讓學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)“工廠”實習(xí)，在參觀學(xué)習(xí)后完成工廠相關(guān)知識點測試。通過中國大學(xué)MOOC 學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識及相關(guān)知識點，學(xué)習(xí)過程中遇到問題可以在在線課討論區(qū)進(jìn)行師生討論答疑。

圖2 學(xué)生利用VR設(shè)備進(jìn)行工廠漫游

課堂圖3 所示為課堂設(shè)計，以任務(wù)為驅(qū)動，問題為連接，串聯(lián)理論知識與實際操作。聘請實踐經(jīng)驗豐富的工程師講述化學(xué)化工企業(yè)現(xiàn)狀、實訓(xùn)單元的工業(yè)背景以及石油化工行業(yè)的職業(yè)規(guī)劃等，作為課堂引入激發(fā)學(xué)生興趣，并為學(xué)生擇業(yè)提供幫助，此環(huán)節(jié)在疫情過后將改為到工廠實際參觀學(xué)習(xí)。由教師講解該單元操作的工廠生產(chǎn)實例（引入課程思政元素），對主要設(shè)備進(jìn)行介紹，講述仿真操作原理以及工藝流程。由學(xué)生對主要設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行VR 仿真剖析，討論不同工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的仿真操作結(jié)果以及冷態(tài)開車主要操作步驟。老師與學(xué)生共同對錯誤步驟進(jìn)行分析并總結(jié)操作注意事項，之后安排學(xué)生進(jìn)行仿真操作訓(xùn)練、單元操作測試等環(huán)節(jié)。

圖3 課堂教學(xué)設(shè)計

課后完成MOOC課后習(xí)題，獨立進(jìn)行冷態(tài)開車操作，通過步驟評分項修正錯誤步驟，并及時進(jìn)行改正，通過查看產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)整控制參數(shù)，完成PID圖繪制以及實習(xí)報告。仿真操作平臺全時段為學(xué)生開放。

2.4 課程成績評定方式

課程成績評價方式注重過程評價和多元化評價。課程總評成績（100%）＝在線課程單元測試（10%）＋仿真單元操作（70%）＋實習(xí)報告（20%）。其中仿真單元操作（70%）＝3D 精餾塔單元（20%）＋固定床反應(yīng)器單元（20%）＋吸收與解吸單元（20%）＋加壓氫化反應(yīng)（10%），在線課程單元測試（10%），主要是學(xué)習(xí)平臺直接給出成績，對于積極參與在線平臺課堂討論的適當(dāng)增加該部分分?jǐn)?shù)。

3 新型教學(xué)模式應(yīng)用效果

經(jīng)過5 年的實踐教學(xué)，分別從學(xué)生學(xué)習(xí)成績、學(xué)習(xí)時長及練習(xí)次數(shù)進(jìn)行對比分析。圖4 所示為近5 年學(xué)生仿真單元的平均成績，從圖中可見學(xué)生學(xué)習(xí)成績逐年提高，說明新型教學(xué)模式有利于學(xué)生對相關(guān)知識點的掌握。

圖4 2015 ～2020年學(xué)生成績變化

根據(jù)在線學(xué)習(xí)平臺學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，對每位同學(xué)平均每天練習(xí)時長進(jìn)行對比分析。2015 ～2017 年虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺以及線上課程并未建立，學(xué)生學(xué)習(xí)以及做仿真練習(xí)僅能通過線下學(xué)習(xí)，平均每天2 學(xué)時課堂講解，學(xué)生最多只有6 學(xué)時（270 min）練習(xí)時間；在2018 年之后隨著化學(xué)化工虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺以及線上課程上線后，學(xué)生學(xué)習(xí)時長也隨之增加，2018 年學(xué)習(xí)平臺資源及功能不夠齊全故學(xué)生使用在線資源學(xué)習(xí)時間較短，大多為線下練習(xí)，平均每天線上線下練習(xí)時長共312.9 min，2019 年學(xué)生平均每天練習(xí)時長為534.23 min，2020 年學(xué)生平均每天練習(xí)時長為552.3 min。

學(xué)習(xí)平臺設(shè)置有學(xué)習(xí)排行榜，通過統(tǒng)計練習(xí)次數(shù)最多的同學(xué)為77 次，每位同學(xué)單個仿真項目練習(xí)次數(shù)超過10 次，最多單個仿真項目練習(xí)次數(shù)超過18 次。綜上所述“五位一體”的教學(xué)模式在實際教學(xué)過程中，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。

4 推廣與示范

2017 年至今，通過天津大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真平臺進(jìn)行練習(xí)的人數(shù)為7 821 人次。其中加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真實驗，通過實驗空間網(wǎng)站統(tǒng)計目前已有5 416 人次進(jìn)行練習(xí)，其中包括天津、新疆、遼寧、重慶、湖南、山東、湖北、甘肅、黑龍江、上海等10 地區(qū)14所高校。

（1）兄弟院校推廣。天津城建大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)生產(chǎn)實習(xí)課程，且課程團(tuán)隊教師擔(dān)任外聘教師、使用本團(tuán)隊的教學(xué)資源和教學(xué)模式，已進(jìn)行5 年累計300 人左右學(xué)習(xí)。

（2）西部輻射。本課程參與新疆塔里木大學(xué)“MOOC西行-同步課堂”，并于2022 年同新疆塔里木大學(xué)、石河子大學(xué)、新疆工程學(xué)院、新疆理工學(xué)院、喀什大學(xué)、伊犁師范大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、山東科技大學(xué)、北方民族大學(xué)等高校共同成立虛擬教研室建設(shè)相關(guān)課程。

5 結(jié) 語

“在線資源—工廠實際—虛擬仿真實驗—思政教育—課堂互動”五位一體的教學(xué)模式把創(chuàng)新思維、課程思政、工程意識（包括環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展）及實踐能力培養(yǎng)貫穿于生產(chǎn)實習(xí)，充分發(fā)揮課程的育人功能。將化學(xué)化工安全知識、理論知識、實驗內(nèi)容等進(jìn)行有機(jī)融合，鞏固學(xué)生基礎(chǔ)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生實際操作能力和解決問題能力。教學(xué)相長，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，將教學(xué)模式、教學(xué)資源與兄弟院校分享，為實踐類課程提供新的方法。