劉 輝 楊 鷹 曹占芳 孔江榕 王 帥

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

教育部在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，全面貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記在全國(guó)教育大會(huì)上的講話精神，堅(jiān)持“以本為本”[1]，推進(jìn)“四個(gè)回歸”[2]，加快建設(shè)高水平本科教育、全面提高人才培養(yǎng)能力，造就堪當(dāng)民族復(fù)興大任的時(shí)代新人。同時(shí)，新工科建設(shè)又是一項(xiàng)持續(xù)深化工程教育改革的重大行動(dòng)計(jì)劃[3，4]，主要是為了應(yīng)對(duì)新型經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的挑戰(zhàn)，服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展?；瘜W(xué)工業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)[5]，作為高校教育工作者，從基礎(chǔ)上貫徹好化工專業(yè)知識(shí)的教學(xué)顯得尤為重要。其中化工原理作為一門專業(yè)學(xué)科基礎(chǔ)課程，該課程以傳遞過程基礎(chǔ)理論與工程方法為兩條主線，系統(tǒng)闡述了化工生產(chǎn)過程中各種單元操作的基本原理、物料衡算、過程計(jì)算、典型設(shè)備等內(nèi)容，是介于自然科學(xué)理論與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐之間的一門“橋梁”學(xué)科。從教學(xué)細(xì)節(jié)來說，化工原理教學(xué)涉及理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、仿真教學(xué)三個(gè)環(huán)節(jié)，三個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、緊密聯(lián)系、缺一不可。

基于此，本文面向當(dāng)前新工科建設(shè)的需要，提出化工原理理論、實(shí)驗(yàn)、仿真三位一體教學(xué)模式，讓理論與實(shí)踐密切結(jié)合，讓理論指導(dǎo)實(shí)踐，結(jié)合中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)的一些做法，希望為提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)、促進(jìn)課程教學(xué)改革提供一定的幫助和參考。

1 當(dāng)前化工原理理論、實(shí)驗(yàn)、仿真教學(xué)中存在的問題

當(dāng)前中南大學(xué)化工原理的實(shí)際教學(xué)過程，是將化工原理理論專門設(shè)課，分為化工原理(上)與化工原理(下)，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)與仿真環(huán)節(jié)合并設(shè)課為化工原理實(shí)驗(yàn)，并且將化工原理實(shí)驗(yàn)與化工原理(下)同時(shí)放在大學(xué)第五學(xué)期。這樣設(shè)置課程的初衷是為了最大程度地發(fā)揮理論對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的指導(dǎo)作用，確實(shí)也起到了一定的效果。然而在實(shí)際操作中，這樣的課程設(shè)置仍然存在一些亟待解決的問題。首先，化工原理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括化工原理(上)中的四個(gè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)與兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，開課時(shí)不少學(xué)生對(duì)上一學(xué)期的課程內(nèi)容有一定程度的生疏，讓教學(xué)環(huán)節(jié)稍有脫節(jié)；其次，由于實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)套數(shù)的限制，在整體鋪開實(shí)驗(yàn)的前提下，在開設(shè)實(shí)操實(shí)驗(yàn)時(shí)，化工原理(下)中某些單元操作章節(jié)如萃取、干燥可能還沒學(xué)到，不可避免地導(dǎo)致“理論未學(xué)、實(shí)驗(yàn)先行”的現(xiàn)象，不利于學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的銜接；最后，實(shí)驗(yàn)課程的考試環(huán)節(jié)又涉及上一學(xué)期理論課的某些內(nèi)容，容易造成學(xué)生在復(fù)習(xí)備考過程中的顧此失彼，不利于理論聯(lián)系實(shí)際，更不利于學(xué)生集中精力將整個(gè)化工原理知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通成為一個(gè)整體。筆者走訪了一些兄弟院?；ぴ韺?shí)驗(yàn)情況，大部分高?；ぴ斫虒W(xué)也面臨著類似的問題，因此這也是各個(gè)國(guó)內(nèi)高校需要解決的共性問題。

2 面對(duì)新工科建設(shè)的化工原理理論課程教學(xué)改革與課程思政

化工原理目前是中南大學(xué)校級(jí)一流課程(金課)，中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)目前有12名專任教師，近些年積極投入課程教學(xué)改革實(shí)踐，注重更新教學(xué)理念，強(qiáng)化工程觀點(diǎn)；改進(jìn)教學(xué)方法，利用現(xiàn)代教育手段、促進(jìn)教育教學(xué)質(zhì)量的提高；注重各門學(xué)科之間的交叉融合，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要；不斷更新知識(shí)體系，探索實(shí)施產(chǎn)學(xué)研一體化的教學(xué)模式。特別是在2020年突如其來的新冠疫情期間，教學(xué)團(tuán)隊(duì)采取SPOC與網(wǎng)絡(luò)直播教學(xué)同步進(jìn)行的方式，做到與平時(shí)課堂教學(xué)的實(shí)質(zhì)等效，同時(shí)更多地引入案例教學(xué)，導(dǎo)入工程實(shí)例以提高學(xué)生的工程意識(shí)與工程觀點(diǎn)。

當(dāng)前課程思政日益受到重視[6]，在注重專業(yè)理論知識(shí)傳授的同時(shí)，中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)也十分重視課程思政的建設(shè)，在課堂教學(xué)中循循善誘，結(jié)合化工原理知識(shí)點(diǎn)及思政內(nèi)容進(jìn)行拓展與開發(fā)。例如在講到液液萃取章節(jié)時(shí)，及時(shí)結(jié)合中南大學(xué)前身中南礦冶學(xué)院首任院長(zhǎng)陳新民的事跡以及他在冶金萃取領(lǐng)域的重大貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生更多的家校情懷，感受老一輩化工專家及教育家的愛國(guó)情操；再如講到沉降過濾，涉及水處理方面的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，適時(shí)結(jié)合重視化工環(huán)保，建設(shè)碧水藍(lán)天生態(tài)環(huán)境的大背景，讓學(xué)生更加深刻領(lǐng)會(huì)習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的重要講話精神，培養(yǎng)學(xué)生更多的綠色環(huán)保意識(shí)與職業(yè)操守規(guī)范。在2021年全國(guó)高等學(xué)校本科化工類專業(yè)優(yōu)秀課程思政案例評(píng)選中，中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)有四個(gè)優(yōu)秀課程思政案例獲獎(jiǎng)，實(shí)現(xiàn)了化工原理課程與思想政治教育的協(xié)同育人，大力促進(jìn)了學(xué)生的全面發(fā)展，充分發(fā)揮了教育教書育人的作用。

3 新工科背景下化工原理實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化與實(shí)訓(xùn)的開展

近年來，中南大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備得到了很大的提升。近兩年新購(gòu)置了天津大學(xué)基礎(chǔ)化工實(shí)驗(yàn)中心制造的流體流動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備、對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備、板式精餾塔實(shí)驗(yàn)設(shè)備、二氧化碳傳質(zhì)吸收實(shí)驗(yàn)裝置、恒壓過濾實(shí)驗(yàn)設(shè)備(每個(gè)設(shè)備四臺(tái)套)。同時(shí)為了模擬實(shí)際工廠的生產(chǎn)情景，又購(gòu)置了甲醇催化轉(zhuǎn)化、純堿濃縮提純、鹽酸催化轉(zhuǎn)化等幾套實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)裝置，通過中試用量的生產(chǎn)規(guī)模去模擬化學(xué)反應(yīng)過程的中間放大，讓學(xué)生更加深刻領(lǐng)會(huì)化工生產(chǎn)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的差異，有利于學(xué)生工程意識(shí)的養(yǎng)成，促進(jìn)復(fù)合型綜合專業(yè)人才的培養(yǎng)。

在提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件條件的同時(shí)，中南大學(xué)也十分注重實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的素質(zhì)培訓(xùn)?；ぴ斫萄袌F(tuán)隊(duì)主任與課程教授，經(jīng)常參加高等學(xué)?；ゎ悓I(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、中國(guó)化工教育協(xié)會(huì)主辦的各種教育教學(xué)會(huì)議，把握最新的教學(xué)理念與教學(xué)導(dǎo)向，如參加中國(guó)化工教育年會(huì)、化工類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)、化工類專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐教育研討會(huì)，通過他們?cè)賹⒆钚碌幕そ逃蝿?shì)與動(dòng)態(tài)傳遞給專業(yè)教師。同時(shí)，化學(xué)化工學(xué)院采取“外培內(nèi)訓(xùn)”，以“送出去，請(qǐng)進(jìn)來”的方式加強(qiáng)對(duì)教師隊(duì)伍的建設(shè)。通過堅(jiān)持對(duì)青年教師的崗前培訓(xùn)，采取老帶新結(jié)對(duì)的方法，保證教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)青年教師快速成長(zhǎng)；為適應(yīng)工程專業(yè)的建設(shè)，提升教師工程教育能力，學(xué)院以請(qǐng)進(jìn)來的方式，聘請(qǐng)相關(guān)企業(yè)具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的工程師為團(tuán)隊(duì)專業(yè)教師開設(shè)化工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類課程。

4 仿真教學(xué)適應(yīng)新工科發(fā)展的新要求與新任務(wù)

近年來，教育部十分重視虛擬仿真教育教學(xué)的開展推進(jìn)，中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)也極其注重通過虛擬仿真來強(qiáng)化學(xué)生對(duì)化工原理課程理論知識(shí)點(diǎn)的理解。學(xué)院機(jī)房擁有東方仿真與歐倍爾兩家軟件公司的大部分3D仿真軟件，學(xué)生可以自主在學(xué)院機(jī)房進(jìn)行仿真練習(xí)，同時(shí)還開放了相關(guān)的遠(yuǎn)程訪問登錄賬號(hào)，讓學(xué)生足不出戶、在家也能進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)。特別是新冠肺炎疫情防控期間，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課、實(shí)習(xí)課均通過遠(yuǎn)程虛擬仿真的形式進(jìn)行，指導(dǎo)教師在后臺(tái)能實(shí)時(shí)掌控學(xué)生的仿真學(xué)習(xí)進(jìn)度與得分情況，很大程度上解決了學(xué)生無法到校參加實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)課的難題。

除了購(gòu)置軟件公司的相關(guān)仿真軟件外，自2015年起中南大學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)中心與化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)每年舉辦校級(jí)礦冶工程化學(xué)虛擬仿真大賽，緊密結(jié)合中南大學(xué)礦物、冶金、化學(xué)、化工、能源、環(huán)境類專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)方案、化學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程的教學(xué)大綱，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，特別是高污染、高危險(xiǎn)、高能耗、高溫、高壓下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展交互式仿真實(shí)驗(yàn)的需求，比賽所提交的項(xiàng)目反過來又可以作為今后本科學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)的素材，做到以賽促學(xué)、以賽促建。

2020年12月18～20日，湖南省化學(xué)化工虛擬仿真邀請(qǐng)賽暨教學(xué)研討會(huì)召開(如圖1)，共有來自全省22所高校的90余名教師及150余名學(xué)生參加。大會(huì)由湖南省化學(xué)化工學(xué)會(huì)和湖南省大學(xué)生化學(xué)化工學(xué)科競(jìng)賽委員會(huì)主辦，中南大學(xué)創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育辦公室和化學(xué)化工學(xué)院協(xié)辦，中南大學(xué)礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(國(guó)家級(jí))與中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)承辦。與會(huì)代表積極參與了虛擬仿真競(jìng)賽及實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討，共同探討化學(xué)化工虛擬仿真資源的共建共享，中南大學(xué)礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(國(guó)家級(jí))教師對(duì)校外師生進(jìn)行了虛擬仿真項(xiàng)目開發(fā)培訓(xùn)，并舉辦了邀請(qǐng)賽，大會(huì)的召開對(duì)于進(jìn)一步提升湖南省化學(xué)化工虛擬仿真一流本科課程建設(shè)及學(xué)科水平，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才意義重大。

圖1 湖南省化學(xué)化工虛擬仿真邀請(qǐng)賽暨教學(xué)研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

2021年，中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)將此項(xiàng)比賽推廣到湖南省教育廳，舉行了湖南省第一屆大學(xué)生化學(xué)化工虛擬仿真競(jìng)賽(如圖2)，賽事由湖南省化學(xué)化工學(xué)會(huì)主辦，湖南省大學(xué)生化學(xué)化工學(xué)科競(jìng)賽委員會(huì)承辦，參賽學(xué)生團(tuán)隊(duì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提交完整的、與項(xiàng)目完全一致的源代碼及數(shù)據(jù)庫(kù)(含密碼)以及安裝、使用說明文檔，湖南省高校均積極參賽，極大地促進(jìn)了湖南省化工虛擬仿真技術(shù)水平的提高。

圖2 湖南省第一屆大學(xué)生化學(xué)化工虛擬仿真競(jìng)賽(初賽)通知截圖

5 化工原理理論、實(shí)驗(yàn)、仿真教學(xué)三位一體教學(xué)模式

中南大學(xué)面向當(dāng)前新工科建設(shè)的需要，采用化工原理理論、實(shí)驗(yàn)、仿真三位一體教學(xué)模式，讓理論與實(shí)踐密切結(jié)合，讓理論指導(dǎo)實(shí)踐，在實(shí)踐中進(jìn)一步使理論知識(shí)得到升華。

理論教學(xué)方面，更新教學(xué)理念，強(qiáng)化工程觀點(diǎn)；改進(jìn)教學(xué)方法，利用現(xiàn)代教育手段、促進(jìn)教育教學(xué)質(zhì)量的提高；注重各門學(xué)科之間的交叉融合；適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要，不斷更新知識(shí)體系；探索實(shí)施產(chǎn)學(xué)研一體化的教學(xué)模式；課堂教學(xué)采用SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高；更多地引入案例教學(xué)，導(dǎo)入工程實(shí)例，提高學(xué)生工程意識(shí)，建設(shè)化工原理一流課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，將實(shí)體操作適時(shí)安排在相應(yīng)的內(nèi)容章節(jié)教學(xué)之后，讓學(xué)生能及時(shí)將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合、融會(huì)貫通。仿真教學(xué)方面，采取虛擬仿真的方式加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于化學(xué)化工單元操作的理解，通過學(xué)科競(jìng)賽提高學(xué)生虛擬仿真操作的動(dòng)手能力。化工原理理論、實(shí)驗(yàn)與仿真教學(xué)在學(xué)科交叉平臺(tái)、科研訓(xùn)練平臺(tái)、創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)、校企聯(lián)合平臺(tái)、學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)、高校共建平臺(tái)、國(guó)際交流平臺(tái)中得到開拓與發(fā)展。

2017年，教育部高等學(xué)?；ゎ惤虒W(xué)指導(dǎo)委員會(huì)與中國(guó)化工教育協(xié)會(huì)共同開始主辦全國(guó)大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽，比賽內(nèi)容包括(A)化工原理筆試、(B)化工單元仿真操作和分析、(C)化工原理實(shí)驗(yàn)三部分內(nèi)容，此項(xiàng)賽事內(nèi)容結(jié)合了理論、實(shí)驗(yàn)、仿真三個(gè)環(huán)節(jié)，因此中南大學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)提出理論、實(shí)驗(yàn)、仿真三位一體教學(xué)模式，正好具有與化工實(shí)驗(yàn)大賽相同的理念。近年來，中南大學(xué)積極參賽，代表隊(duì)在前四屆全國(guó)大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽全國(guó)總決賽中取得特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)3項(xiàng)的優(yōu)異成績(jī)，這也正是三位一體教學(xué)模式成功實(shí)踐的重要體現(xiàn)。

6 結(jié)語

高等學(xué)校化工類專業(yè)“新工科”建設(shè)對(duì)化工原理及實(shí)驗(yàn)等化工類專業(yè)核心課程教學(xué)提出了更高的要求，中南大學(xué)化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持理論、實(shí)驗(yàn)、仿真三位一體教學(xué)模式，做到三者融為一體、相互貫通，真正實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際，提高大學(xué)生的動(dòng)手操作能力與信息化虛擬仿真能力，極大地促進(jìn)了大學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)素質(zhì)的全面發(fā)展，用行動(dòng)踏實(shí)踐行了“以本為本”的教學(xué)理念。