張 瑩，劉紅晶，趙 薇，郭海燕

(沈陽工業(yè)大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111000)

隨著工業(yè)4.0的到來，引發(fā)的不僅是經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，還有教育改革。為應對全球形勢、國內(nèi)工程教育發(fā)展形勢和服務國家戰(zhàn)略，新工科—符合中國特色的高等工程教育改革方案應運而生。各大高校以此為契機對傳統(tǒng)工科進行升級改造，促進高校教育與社會需求有機結(jié)合。而化工原理實驗教學這門老牌的工科實踐課，作為理論教學聯(lián)系化工生產(chǎn)實際的重要橋梁[1]，存在教學資源和教學內(nèi)容單一，評價方式重結(jié)果輕過程的缺陷。無法滿足新工科對高校輸出具有創(chuàng)造性和獨立工作能力的創(chuàng)新型人才的要求。因此，化工原理實驗課教學模式亟待創(chuàng)新與改革。

1 化工原理實驗教學內(nèi)容與教學資源的豐富

1.1 線上虛擬仿真的重要性

虛擬仿真技術利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術[2-3]，構(gòu)建與傳統(tǒng)實驗室相仿的虛擬教學中心，創(chuàng)建出一種新的實驗教學方法。虛擬仿真技術的引入不僅可以降低因?qū)嶒炇覉龅赜邢蕖⒃O備陳舊、經(jīng)費緊張對實驗教學的限制，同時可以帶給學生一個生動又逼真的化工實踐場景，極大的調(diào)動學生的學習興趣和自主探索精神，綜合的訓練學生的動手能力、創(chuàng)新實踐能力以適應現(xiàn)代化工行業(yè)對“新化工人”的要求。既能夠節(jié)約實驗設備購置與維修的費用，也能降低實驗的危險性，最大程度的保護學生的人身安全。我校應用的虛擬仿真軟件分別是歐貝爾化工原理云課堂和東方易思在線。歐貝爾化工原理云課堂應用3D技術、AR增強現(xiàn)實技術、VR虛擬現(xiàn)實技術極大的豐富了教學模式和場景；東方易思在線則提供了較多的單元操作訓練，是一個集“學、練、考、管”等多功能于一體的網(wǎng)絡在線學習系統(tǒng)[4-5]。兩款軟件交叉使用，相互豐富更加有利于學生對單元操作和工藝流程的理解，使得抽象的理論概念和設備形象化，更好的從理論過渡到實踐并指導實踐。

1.2 仿真預習實驗

目前，大多數(shù)高校受到師資水平和實驗設備數(shù)量的限制均采用分組合作的方式進行實驗，多批次完成同一個實驗。對于學生來說很難在有限的實驗期間對設備的構(gòu)造、操作方法、工藝流程、使用注意事項深入了解，而且大多數(shù)的同學對實驗室潛在的操作安全隱患和自救常識沒有深入了解，導致進入實驗室后不敢操作設備，無從下手，不能很快進入狀態(tài)。因此有必要引入歐貝爾化工原理云課堂線上仿真預習實驗。實驗預習分成兩部分：第一部分是實驗安全仿真操作，只有通過了此項安全培訓和并滿分通過考核的同學才有資格進入實驗室線下操作。第二部分是化工原理實驗項目預習，歐貝爾云課堂包含的化工原理實驗項目如圖1所示。每個項目都包含：實驗內(nèi)容、實驗目的、實驗原理、實驗設計、實驗裝置、實驗步驟和實驗思考題；軟件對每名同學的學習過程進行標記，在軟件首頁可直觀看見本人的操作次數(shù)、操作時間、最高得分、最低得分以及練習同一個實驗的同學的分數(shù)排名情況。預習結(jié)束之后可以自動生成電子版的預習報告和詳細得分統(tǒng)計(如圖2所示)，通過統(tǒng)計表中的評分標準與實際得分的對比，可以清晰的找出實驗操作過程中的錯誤。

圖1 歐貝爾云課堂項目展示圖Fig.1 Schematic of Oubeier cloud classroom project

圖2 恒壓過濾實驗操作評分Fig.2 Operational scoring for constant pressure filtration experiment

仿真預習實驗中實驗操作部分用時很短，比如洞道干燥實驗中耗時最多的取樣及樣品稱量工作，在線下實驗室中操作需要約70 min完成，而在仿真預習實驗中僅需15 min即可完成。利用線上的預習實驗豐富了實驗教學內(nèi)容和教學資源，生動逼真的3D界面、安全可靠的操作以及可以反復練習的特點[5]，不僅降低了實驗設備的損壞概率同時提高了預習實驗的效果，使得學生在進入實驗室實際操作之前對實驗的具體內(nèi)容、操作流程、設備使用注意事項了解透徹，增強了學生線下實際操作實驗設備的自信心，同時也較大程度上縮短了線下實驗操作前的任課教師的講解時間，使得同學們能夠快速進入動手操作的狀態(tài)，通過過程提高了學生們的自主學習能力，同時也為任課教師的線下實驗教學打下堅實的基礎。

1.3 綜合訓練實驗

傳統(tǒng)的線下化工原理實驗項目中，學生機械性的按照老師講解的操作步驟進行，為了得到學分而做實驗，無法調(diào)動學生的積極性；激發(fā)學生的創(chuàng)造性。東方仿真易思在線軟件的引用可以彌補上述缺陷，軟件分為2D和3D兩個部分，通過多維空間生動逼真的展示了化工生產(chǎn)的場景圖(如圖3所示)。猶如學生親臨生產(chǎn)現(xiàn)場，極大的調(diào)動了學生的學習興趣和動手實踐的期望。

圖3 精餾塔單元操作界面圖Fig.3 The diagram of distillation column unit operation

圖4 恒壓過濾實驗仿真界面Fig.4 The simulation interface of constant pressure filtration experiment

仿真軟件培訓項目包含冷態(tài)開車、正常停車、正常操作、事故處理四部分。讓學生充分了解在化工生產(chǎn)過程中開車、停車、穩(wěn)定運行中操作步驟和注意事項，以及各種事故處理的應對方法，提高了學生對化工生產(chǎn)的動態(tài)性和連鎖反應的認知；鍛煉了學生對操作參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制能力；縮短了實驗室與化工廠的距離，讓學生具備走出實驗室就可以投身化工生產(chǎn)的能力。每個項目操作的過程中可以切換現(xiàn)場圖和DCS圖兩個界面，工藝流程中重要控制點和操作參數(shù)指標展現(xiàn)在桌面上，有利于學生理解復雜控制系統(tǒng)和動態(tài)調(diào)整方法。

任課教師為綜合訓練實驗錄制一個與之相匹配的課前導讀視頻提前發(fā)給學生；并提供電子版操作流程說明書。課前導讀視頻的內(nèi)容包括綜合訓練實驗的具體要求，比如項目完成的時間結(jié)點、完成的先后順序、項目的考核方法以及完成后需上交的材料等。任課教師在綜合訓練實驗結(jié)束后可通過登陸東方仿真易思在線軟件教師賬號，查看學生的完成情況和最終得分。并通過學生上交的操作質(zhì)量評分細則的文檔，了解學生在單元操作中的薄弱環(huán)節(jié)。通過東方仿真易思在線軟件來完成的綜合訓練實驗，可以讓學生自主安排時間、獨立思考問題、綜合運用所學到的理論知識。

2 化工原理實驗成績評定

傳統(tǒng)的實驗成績主要由出勤、課堂表現(xiàn)和實驗報告的成績組成。實驗過程中教師同時關注多名同學，這樣的方法無法動態(tài)的、綜合的評定學生的實踐能力，導致學生僅重視紙質(zhì)的實驗報告，而且產(chǎn)生很多雷同實驗報告，最終成績評定的區(qū)分度降低。線上仿真軟件的引入將會大大改善以上情況。

2.1 線上預習

首先利用歐貝爾線上仿真軟件進行化工原理實驗室安全培訓及考核。培訓過程中界面有操作步驟提醒模塊，學生可以按照操作指引，逐一學習掌握相關的實驗室安全知識，以此來提高安全防范的意識，養(yǎng)成良好的行為習慣，做到預防為主，將一切安全隱患遏制在萌芽中。

培訓結(jié)束后可申請安全考核，此過程將隱匿操作提醒，閉卷考核，滿分通過考核的同學取得進入實驗具體項目預習的資格。

實驗室安全培訓及考核模擬場景為一個綜合實驗室，內(nèi)有八臺原理相關實驗設備以及相關輔助設施，整個過程分為三部分：

(1)確認逃生通道及防護用品的位置，共計7個考核點，全部確認完必以后點擊提交。

(2)實驗室安全隱患排查：在最短的時間找到實驗室內(nèi)20處安全隱患，點擊現(xiàn)象并處理后得分。

(3)實驗室火災應急處理：危險源排查進行10 min時，警鈴大作，界面彈出“緊急火災，緊急火災，萃取塔設備運行過程中物料儲罐突然起火，可燃物為煤油，請速采取緊急措施”。需在10 min內(nèi)完成斷電、救火和逃生等內(nèi)容。以上三部分考核均在限定時間內(nèi)并且無操作錯誤即可得到滿分100分，此成績占總成績的5%其次，化工原理實驗項目預習(以恒壓過濾實驗項目為例)，學生通過閱讀電子版《恒壓過濾實驗仿真培訓軟件操作說明書》了解實驗內(nèi)容、實驗目的、實驗原理、實驗裝置流程圖、操作步驟和軟件使用注意事項。根據(jù)任課教師限定的時間節(jié)點，完成線上實驗操作，學生根據(jù)操作評分可迅速發(fā)現(xiàn)操作錯誤和所扣分數(shù)，線上操作可反復多次進行，取最高分為最終成績，滿分為100分，此項成績占總成績的10%。任課教師登陸教師賬號可瀏覽學生預習情況，包括練習次數(shù)、所用時間、思考題回答情況、操作成績、電子版預習報告、班級排名等，以此來了解預習情況，有針對性的進行線下實驗。

2.2 課堂表現(xiàn)

課堂表現(xiàn)考核要點主要包括以下內(nèi)容，三個考核點的總分為100分，此項成績占總成績的40%。

(1)實驗前的準備工作(滿分15分)：首先考核實驗前相關設備與器材是否準備好，例如在恒壓過濾實驗進行前，檢查壓縮空氣閥門、進料閥門、壓力調(diào)節(jié)閥門是否處于關閉狀態(tài)。其次觀察學生著裝是否符合進入實驗室的規(guī)定。最后由于一個實驗是由多名同學共同完成，實驗前是否合理分工。

(2)實驗進行中的操作要點考核(滿分75分)：同組學生實驗設備操作中是否能夠各司其職，并且在適當?shù)臅r候進行工作輪換，來保證每一個同學都得到全面訓練，并且在規(guī)定時間內(nèi)完成整個實驗項目，實驗進行中任課教師勤走動、細觀察，針對操作要點，對每組同學進行提問，詳細標記，對學生的動手能力進行打分。實驗原始數(shù)據(jù)記錄的完整性與準確性，例如在恒壓過濾實驗操作中是否在壓力穩(wěn)定后才開始取樣，取樣的時間間隔和次數(shù)是否合理、充足都應在考核范圍內(nèi)。以及實驗進行中學生的團結(jié)協(xié)作能力，是否存在畏難、互相推諉等現(xiàn)象。實驗進行過程中是否存在損壞設備或溶劑浪費、廢液亂排放等現(xiàn)象。

(3)實驗后的整理工作(滿分10分)：實驗結(jié)束后儀器設備是否復歸原位，使用的溶劑、藥品是否放回原處，水、電、門窗是否合理處置。

2.3 紙質(zhì)實驗報告

紙質(zhì)版報告主要考核以下三部分內(nèi)容，實驗報告的滿分為100分，此項成績占總成績的30%。

(1)報告的完整性，思考題和誤差分析的準確性(滿分15分)。實驗報告應包括實驗目的、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗設備流程圖、實驗操作步驟、注意事項、原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)果圖表、思考題、誤差分析。

(2)實驗原始數(shù)據(jù)及中間處理過程表格化，每計算步驟需要詳細的計算舉例(滿分45分)。

(3)使用規(guī)定軟件進行繪圖，繪制結(jié)果圖的規(guī)范性和準確性(滿分40分)。

2.4 綜合訓練實驗

綜合訓練實驗包括3D虛擬現(xiàn)場和中控的DCS操作界面，模擬真實工藝流程和工廠環(huán)境、再現(xiàn)工廠運行的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，利用綜合性實驗讓學生身臨其境的進入線上工廠進行“現(xiàn)場操作”和DCS界面參數(shù)調(diào)節(jié)，讓學生形成工程意識和觀念，將實驗由驗證性向探索性過渡。考核內(nèi)容包括以下兩部分：

(1)安全意識培訓。它區(qū)別于課前預習的實驗室安全培訓，更傾向于糾正工業(yè)生產(chǎn)中常見、常犯的不符合安全規(guī)范要求的行為和設備，讓學生了解化工廠基本安全規(guī)范和技術要求。在3D操作界面找到10處違規(guī)操作(例如在現(xiàn)場使用電話、不帶安全帽等)，即可得通過安全意識考核，取得滿分100分后才能進行其他項目的練習。

(2)工業(yè)技術能力培訓，主要考察學生理論聯(lián)系實際的能力。練習項目包含冷態(tài)開車、正常停車、正常操作、事故處理四部分，考核過程中由任課教師組卷，滿分100分，隨機選擇其中兩個項目組合來考核學生的掌握情況，與安全意識培訓項目得分取平均分后計入總成績中，此項成績占總成績的15%。

綜上所述，化工原理實驗的總成績組成如下：

總成績=線上預習(15%)+課堂表現(xiàn)(40%)+紙質(zhì)實驗報告(30%)+綜合訓練實驗(15%)。

3 結(jié) 語

將線上虛擬仿真技術分別融入到化工原理實驗課立體多維動態(tài)的線上、線下教學相結(jié)合的教學模式中，不僅有利于教學效果的提高，還能夠讓學生在畢業(yè)前得到應有的上崗技能鍛煉，更有利于開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，即普通高等學校本科大學生化工原理大賽和全國大學生化工實驗大賽?；ぴ韺嶒炚n總成績可作為遴選參考，教學和比賽相互促進，共同提高，為培養(yǎng)創(chuàng)造性和獨立工作能力的創(chuàng)新型人才打下堅實的基礎。