＊何昌春 王鹏 卫帅 葛奉娟 堵锡华 庄考昌 陈艳

（徐州工程学院材料与化学工程学院 江苏 221018）

近年来，围绕提高工程教育质量、深化工程教育改革，教育部积极推动建设虚拟仿真实验教学中心[1-2]，并提出建设新工科的研究和实践[3]。化工类专业的实践教学相对理论课教学具有其特殊性，通常具有高风险、高污染、高投入、高能耗、运行条件苛刻等特点，同时还可能伴随设备匮乏、故障和其他不确定因素，导致完全实现线下教学具有较高的难度，给教师的教授和学生的学习造成了较大的困扰。面对上述问题，将部分线下实践教学有难度的课程转为线上虚拟仿真实践教学已成为当前主流的解决方案。虚拟仿真实践教学极大提高了实践教学的上限，发展潜力巨大，是实践教学的重要组成部分，和传统的线下实践教学相辅相成，互为补充。目前，各大高校虚拟仿真实践教学的方式方法仍在不断摸索和形成当中[4-11]。

我校的绿色化工虚拟仿真实训中心目前拥有半实物仿真工厂和3D虚拟仿真机房两大功能区块，是我校化工类专业学生实践学习的主要阵地之一。以我校绿色化工虚拟仿真实训中心为依托的化工类虚拟仿真实践教学有多名教师参与，经过近几年的修正完善，获得了一些系统性的教学经验总结。

1.基于化工虚拟仿真实践教学平台的多维度教学

（1）实训实习教学。化工类专业通常开设数门专业实训实习课程，目的是提高学生的实践能力和工程素养。由于化工类专业实训实习的特殊性，采用实物装置进行实训具有一定的危险性，装置投资成本高昂，同时还可能出现故障；学生校外实习时，企业由于顾虑自身的正常生产及潜在的安全问题，学生通常是走马观花，无法接触到核心的工艺。上述问题已成为线下实习实训课程的主要痛点之一，化工虚拟仿真实践教学平台则直击该痛点，每位学生都能在线上实训实习中安全、独立和系统的学习，教师能够准确的把握教学内容和进度，为校外实习奠定坚实的基础，能够明显改善实训实习的教学效果。

我校绿色化工虚拟仿真综合实训中心（以下称虚拟仿真实训中心）的半实物工厂秉承“设备实而流体虚”的理念建设而成，根据一定比例仿制了实际工厂的苯制苯胺装置，包含苯制硝基苯、硝基苯制苯胺、废水处理和废气处理四个工段（图1），同时还配备了中央控制室（图2），拥有半实物和3D仿真软件系统，学生既可以选择使用半实物软件系统通过内外操作配合完成实训任务，实现模拟实际工厂生产场景的目的，也可以使用3D仿真软件系统独立完成实训任务，达到深入了解化工生产过程中开停工及突发事故处理步骤的目的；而3D虚拟仿真机房（图3）则拥有甲醇合成和精制3D仿真软件系统以及加氢反应系统安全应急演练3D仿真软件系统，配套了先进的服务器管理系统和虚拟现实（VR）体验装置，使学生能够通过3D系统身临其境的感受现场操作。此外，虚拟软件中的监示模块能够监督学生的学习情况，而考核模块能够方便的考核学生的掌握程度，避免了线下实训实习主要靠教师的主观感受进行评分，改善了评分的客观公平性。自我校虚拟仿真实训中心建成以来，化学工程与工艺、应用化学、材料科学与工程、高分子材料与工程专业均以虚拟仿真中心为依托开设了多门实训实习课程。

图1 虚拟仿真中心苯制苯胺半实物工厂装置

图2 虚拟仿真中心苯制苯胺半实物工厂中控室

图3 虚拟仿真中心3D虚拟仿真机房

为了指导我校师生充分利用我校虚拟仿真中心的资源，规范虚拟实验实训教学内容，提高教学效率，虚拟仿真中心组织相关教师编写了《化工仿真实训教程》教材[12]，内容涉及化工原理实验、化工工艺专业实验、3D工厂仿真实训、半实物工厂操作实训和安全应急演练仿真实训。该教材填补了我校在该领域教材方面的空白，对于提升我校的实践教学水平具有重要意义。

（2）实验教学。化工类专业学生的化工原理实验、化工工艺实验、仪器分析实验等课程通常会在线下完成，但在某些特殊情况下则需要借助虚拟仿真实验：①实验设备故障；②实验设备无法全部实现实验目的；③实验仪器数量较少；④缺少某个实验的实验设备；⑤实验仪器、试剂或样品昂贵，操作门槛较高，维护成本高昂；⑥实验项目具有一定危险性；⑦学生由于自身原因不适合现场操作；⑧由于特殊原因严禁人员近距离接触。由此可见，虚拟仿真实验具有独特的应用场景，是线下实验的有益补充，可以避免或减少线下实验的一些弊端。特别是近年来，由于特殊原因无法开展线下实验，虚拟仿真实验则为各高校顺利开展实验课程的教学提供了基础保障。

我校虚拟仿真中心的3D虚拟仿真机房配备了化工原理实验、化工工艺专业实验和仪器分析实验的相关虚拟仿真实验软件，以较低的经费投入扩展了上述实验课程的实验项目池，使学生有机会了解到高端精密仪器和先进装置的原理和操作步骤，也能根据自身兴趣选择可选实验项目，激发学生的学习热情。虚拟仿真实验还可以让每位学生独立完成实验，避免了线下实验教学过程中学生参与实验积极性不高的问题，有效地提高了实验课程的教学质量。另外，有的实验课教师尝试为每位学生设置不同的关键实验参数，迫有效减少了实验报告的抄袭现象。

（3）理论教学。化工类的部分专业课程如《化工原理》《化工设计》《化工设备基础》《化工仪表及自动化》《化工安全与环保》等与工程实际联系非常紧密，且常常存在跨学科现象，学生在学习时感觉较为费力，若在学习时能够结合实例或实物能够起到较好的教学效果。虚拟仿真教学平台可以快捷地展示一些教材中的原理、方法、计算和注意事项等，如可利用半实物工厂，讲解《化工设计》课程中的设备和管道布置的知识点和《化工仪表及自动化》课程中的自动控制系统的知识点，利用半实物工厂和加氢反应系统安全应急演练3D仿真软件系统讲解《化工安全与环保》中的废水、废气处理技术和化工放火防爆技术的知识点，进而能够使学生加深对于教材内容的理解，强化学生的工程思维能力。

我校材料与化学工程学院鼓励上述专业课程的教师将部分课时移至虚拟仿真中心尤其是半实物工厂进行讲授，第一次教授上述专业课程的教师需要参加虚拟仿真中心的培训或旁听相关实训类的课程，以便快速找到理论与实践的主要结合点，合理高效地安排课程。同时，实训类课程的教师也会有意识地介绍一些理论性的相关内容，可以起到巩固理论课程知识的作用。

（4）学科竞赛。学科竞赛能检验学生运用所学专业知识解决实际工程问题的能力，能拓宽专业视野，了解行业先进技术，充分激发创造性和主观能动性，强化自我学习能力和终身学习意识，培养团结协作能力、组织协调能力和工程管理能力，锤炼意志力和自信心。虚拟仿真教学平台可提供学生一个验证或实现其设计构思的场所，也可使学生能够参考既有设施进行改进、拓展和类比，为充分发挥学生的创造性和主观能动性提供了客观条件，对于提升化工类专业学生的工程认知有着重要的意义。

我校以虚拟仿真中心作为平台基础，积极组织学生参加了大学生化工设计竞赛、大学生化工实验竞赛、高校化学化工联盟大学生实验竞赛、江苏省大学生化学化工实验竞赛等学科竞赛，充分挖掘虚拟仿真中心对于学科竞赛的助力点，潜心打造优秀参赛作品和锻炼学生的实验技能，同时鼓励化工类专业课程的教师参加相关竞赛培训，成立学科竞赛指导教师团队，互相取长补短，不断提升学科竞赛的指导水准。

（5）学生科研。学生参加科研可以激发学生学习新知识和探索新事物的乐趣，增强学生科研思维和素质，为学生今后的继续深造打下良好的基础。科研要求学生对某一问题进行深入的思考，提出新颖的解决思路，而学生可以在学习过程中发现虚拟仿真教学平台中存在的一些工程性问题，并将这些问题拓展为某项研究课题，如化学化工模拟计算、工艺流程开发和改进、化工设备设计和校核、仿真软件功能扩展等，满足学生多方面的科研需求。

我校化工类专业学生主要通过大学生创新训练计划项目从事科研工作。鉴于近几年防控的原因，一些学生为避免进出实验室的限制而申请了化工设计和计算类的研究课题，其中某些研究课题参考了我校虚拟仿真中心的一些元素，使学生在进行课题研究时可以做到有的放矢，如我校2021年立项的校级大学生创新训练计划项目“丙酮加氢法制异丙醇工艺的模拟和优化”，可以参考虚拟仿真中心的半实物工厂确定工艺、设备和控制方案设计以及设备管道的空间布置，使学生能够加快项目研究进度。另外，一些实验性的研究课题要求学生操作某些贵重仪器和处理仪器表征数据，虚拟仿真中心配备的仪器分析的虚拟仿真实验软件可以很好的起到初级培训效果，降低了仪器损坏的风险，减少了实验样品的消耗，如我校2022年立项的省级大学生创新训练计划项目“高效氮化碳光催化剂的设计合成及降解水中污染物的应用”需要用到物理吸附仪、化学吸附仪、热重分析仪、气相色谱仪等贵重仪器进行样品表征，项目前期学生已通过相关虚拟仿真软件快速掌握了一些仪器的操作步骤和数据处理方法，为后续的项目开展奠定了坚实的基础。

（6）毕业设计。很大一部分化工类专业学生需要通过毕业设计以完成最终学业，但学生大多缺乏实际工程设计经验，导致无从下手，虚拟仿真教学平台特别是半实物工厂则可为学生提供设计的基础参考，如工艺设计、设备管道布置、自动控制方案和安全环保措施，一定程度上减少了学生毕业设计的难度，使学生有精力思考毕业设计中工艺和设备的改进创新等关键性问题，以提升学生毕业设计作品的质量。

近几年我校加大了化工类专业的学生毕业设计的比例，如2022年化学工程与工艺专业的学生毕业设计的比例达到70%以上。在前期利用虚拟仿真中心进行实训操作、学科竞赛和科研的基础上，使学生逐渐建立起工程设计的概念和信心，能够意识到毕业设计课题的重点和难点，并提出问题的合理解决方案。同时，教师也需要利用虚拟仿真中心特色，结合自身科研方向，提出难度适宜的毕业设计课题，规定合理的设计内容，使教学科研紧密融合，不断积累毕业设计的指导经验和方法。

2.教学效果

近年来，我校化工类专业学生参加了大学生化工设计竞赛（图4）、大学生化工实验大赛（图5）、大学生化学实验创新大赛、高校化学化工联盟大学生实验竞赛和江苏省大学生化学化工实验竞赛等多个学科竞赛，均取得了优异成绩，近五年共获得30余个省级以上奖项及多个国家级奖项，且每年获奖数量有不断上升趋势。近五年，化工类专业学生共获得大学生创新训练计划项目100余项，其中江苏省项目40余项，学生以第一作者发表论文30余篇，部分论文被SCI和EI数据库收录，另外还申报了多项专利。学科竞赛和科学研究是理论、实验、实训和实习课程所学知识的综合运用，既培养了学生的多维实践创新意识，又提升了学生的实践创新能力。

图4 大学生化工设计竞赛获奖

图5 大学生化工实验大赛获奖

3.结论

利用虚拟仿真中心，我校在实践教学、理论教学、学科竞赛、学生科研和毕业设计等多个维度进行突破，调动了学生的积极性和创造性，培养了学生的工程思维，丰富了学生的工程知识，强化了学生的工程素养，提升了学生在就业或进一步深造时的竞争力。这种多维度教学模式也驱使教师有意识地尝试新的教学方法，通过外延课程和突破课程间的壁垒，使各课程紧密联系，真正让学生做到融会贯通，举一反三。此教学模式具有系统性和可操作性，能够使教学深度融合，相互促进，可显著提升教学质量，具有一定的示范推广意义，并存在进一步改进的空间。