任 浩，陈务平，朱剑刚

(南京林业大学国际教育学院，江苏 南京 210037)

虚拟仿真实验教学项目是近年来高等教育教学改革、开展精品课程建设中的一部分，是教育信息化建设的重要内容之一。深入推进现代化信息技术与实验教学的深度融合，加强实验教学优质资源建设与应用，是着力提高实验教学水平的一个关键举措[1]。新冠肺炎疫情全球爆发以来，线上教学成为高校“停课不停学”的主要手段，这样虚拟仿真实验等线上精品课程就在原来的基础上被赋予了更高的使命和开发价值。本文以轻化工程制浆造纸专业的实验教学为例，探讨常规工科类专业实验教学中存在的问题，拟通过开展虚拟仿真实验教学弥补常规的实验教学存在的不足，同时提高后疫情时代的工科类实践教学环节的在线教学质量。

1 轻化工程制浆造纸专业中实验教学的设置和要求

1.1 实验教学课程设置

轻化工程制浆造纸专业实验教学课程包括植物资源化学实验、制浆工艺实验和造纸工艺实验三门课程，分别与植物资源化学、制浆原理与工程和造纸原理与工程三门专业核心课程相对应，是制浆造纸专业实践教学必修课程，着重培养学生的专业实践能力、工程应用能力和创新能力，使学生能够创造性地运用制浆造纸基础理论和专业知识解决实际应用中遇到的问题。

1.2 实验教学课程学分及学时

植物资源化学实验、制浆工艺实验和造纸工艺实验分别为1个学分，合计为3个学分，占实验实训课程总学分的27.3%；学时数均为32学时，合计为96学时，占实验实训课程总学时的34.3%。

轻化工程制浆造纸专业实验教学课程设置、学分及学时详见表1所示。

表1 轻化工程制浆造纸专业实验实训课程

1.3 实验教学课程基本要求

实验教学是在理论教学基础上进行，运用所学的理论知识解决实践中的问题，或验证理论的正确性，是课程教学的重要组成部分。

通过实验课程学习，让学生进行探究性实验，培养学生的实践操作能力、独立思考能力、数据处理能力、分析问题和解决问题能力，对提高学生创新性思维能力具有重要的意义[2-4]。

制浆造纸生产工艺过程复杂，生产中涉及的工艺控制参数较多，而且各参数间具有一定的关联性，实验操作要求与生产过程相一致，确保实验数据的完整度、精确度和适用性，如果实验参数与实际生产工艺参数有出入，实验结果不准确，对实际的生产没有指导作用，甚至会误导生产，导致生产事故或经济损失。

制浆造纸实验教学在现有教学大纲的技术上应该制定更加严格的实验教学计划，兼顾理论课程教学内容，并与实际工业生产相一致，完善和规范使用实验教学仪器，确保实验安全性。

1.4 疫情对工程类学科来华留学教育带来的困难

2020年1月，国内新冠肺炎疫情突发，大量留学生滞留在境外，从2019-2020-2学期开始，来华留学教学工作出现了新困难。虽然境内绝大多数中小学、幼儿园和大学都经历了线上授课、线上考试的困难阶段，随着国内疫情的缓解2020年5月开始线下基本全面复课，但是国际往来的通道尚未打开，多数留学生至今仍然滞留境外。在理论教学的开展上，教师们可以利用腾讯会议、QQ、雨课堂等软件克服困难，但是工程实践类教学很难在线进行，如1.2所述在工科专业中实践教学环节所占比重大，疫情不全面解除、国门不全面打开的大背景下，许多学生的毕业期限被迫延长，这将对来华留学的培养质量和培养效果带来重大影响。虚拟仿真实验课程软件的建设在解决上述问题中能够发挥重要作用[5-6]。

2 轻化工程制浆造纸专业实验教学满足建立虚拟仿真实验课程的基本要求

2.1 实验操作存在高危性

制浆造纸过程需要使用一定的化学药品，如氢氧化钠、硫化钠、硫酸、二氧化氯等，这些化学药品具有一定的腐蚀性和爆炸性，如操作不当，发生泄漏极易产生燃烧或爆炸的危险。

2.2 实验操作成本费用高

制浆造纸实验操作需要使用实验原料和各种化学药品等，还要有大量的实验操作仪器和检测仪器，且需要专人维护，而且实验过程需要消耗大量的水、电、汽等能源。实验原料虽然价格不高，但往往获得成本较高，需要仓库存贮、占地面积大；各种化学药品价格较高，而且有一定的使用期限，超过使用期限即失效，需要重新购买；实验仪器和检测仪器价格昂贵，很多精密仪器需要采用进口设备，据不完全统计，学生一次实验费用约50元，一个班按30人计算，一次一个班实验费用约1500元，按一门课32学时，实验费用高达4.8万元，制浆造纸专业实验必修课程3门，每学期仅学生实验费用就要约15万元/班。

2.3 某些化学反应及操作的不透视性

制浆造纸实验操作很多都是在密闭容器中进行，大型的生产设备、工艺等不能直接呈现给学生，无法了解设备运行状况和工艺实现的具体过程。

2.4 实验操作综合性

制浆造纸实验是一个系统性工程实验，各个实验环节具有相关性但又不能完全独立，全流程实验操作需要的时间长，学校组织学生去了解工厂的生产工艺等往往需要考虑到不影响工厂的正常生产和安全因素，学生只能远距离观看，以见习为主的教学效果非常不理想。

2.5 后疫情时代大量实验教学需要按期完成

由于新冠肺炎疫情影响，学生无法入境参与线下教学，所有工科的实验类教学、工程实践类教学都迫切需要开发虚拟仿真教学软件，以保障学生在线、高质量地完成学习任务。如果实验教学环节不实施，学生在理论学习的基础上难于向工程实践过渡，更无法完成毕业设计或毕业论文的要求，势必导致学生不能按期完成学业。

3 轻化工程制浆造纸专业实验教学改革研究

针对以上轻化工程制浆造纸专业实验教学环节存在的问题，必须高度重视实验教学在整个教学培养计划中的重要作用。为此，教学团队成员根据国家级虚拟仿真实验教学项目认定的学科专业和认定标准，结合校内现有实验教学大纲规定的教学内容和实际生产线，开发了高档环保AGM隔板纸生产虚拟仿真实验教学软件。拟采用先建设应用、后评价认定、持续监测评估的方式，推进我校工程实践类教学环节的改革。

3.1 虚拟仿真实验项目选题要合理，避免题目过大和复杂

虚拟仿真实验项目虽然是用计算机来模拟实际的实验操作过程，但选题一定要合理，题目太大、过于复杂，在虚拟仿真项目建设过程中包括场景建设，设备建模及工艺设备布局等，需要花费大量的时间和精力，不利于项目的建设。

虚拟仿真实验教学项目要把真实实验室不能够实现的实验，同时又是专业知识必须掌握的虚拟实验展现出来，充分体现“虚实结合，能实不虚”的原则。切勿追求表面形式，一定要认真研究虚拟实验的形成，开展的必要性和重要性，尊重教育教学规律，做到时空上和实验教学实际情况同步。

3.2 虚拟仿真实验项目应符合本专业实验教学大纲要求

制浆造纸行业应用型强，工艺过程复杂，各工序间关联度高，而且生产过程连续性，实验室条件限制，实验往往片面化，间歇式操作，参数可控性差，与实际生产工艺过程相差较大，实验数据很难满足生产化要求。

通过虚拟仿真实验教学软件开发，可以精准模拟实际生产过程及参数，实验简单易行，结果快速准确，数据可靠性高，可以作为实际生产参数选择的依据。

3.3 虚拟仿真实验项目在后疫情时代的实践教学环节发挥更大作用

在后疫情时代，留学生长期滞留境外，很多实践类课程一再推迟，虚拟仿真实验软件可以让学生实现在线实验，通过真实地模拟生产线、生产设备、工艺参数切换等操作环节，使学生“身临其境”，另外学生可以通过多次不限时间地在虚拟空间漫游，透彻掌握知识点、学会生产运行的关键技术，集知识性和趣味性于一体，让学生“学有所得、乐在其中”。

4 轻化工程制浆造纸专业虚拟仿真实验教学效果评价

高档环保AGM隔板纸虚拟仿真实验教学项目自2019年上线运行以来，受到本专业境内外师生和相关企业的普遍欢迎，学校和社会评价良好，具体体现在如下几个方面：

4.1 开展虚拟仿真实验教学，有利于调动教师和学生的积极性

传统的实验教学模式就是学生进入实验室进行实验操作，实验前学生预习所要实验的内容，实验内容均已经按照实验设置要求确定好了，多数学生实验仅仅是按照实验步骤要求重复实验过程，有时多人同时做同一个实验，传统的实验教学模式对学生的创新能力和自主思维能力的培养和训练程度不够。此外，学生对知识点的理解也难于深入，没有举一反三的训练环节和时间。通过虚拟仿真实验教学，学生可以灵活安排学习时间，通过多次反复练习，在试错、犯错和改正中达到对知识点全面、深刻掌握的效果。

4.2 开展虚拟仿真实验教学，有助于提高整体实验教学质量

传统的实验教学在实验室内完成，比较直观，学生可以通过简单的动手实验，直接体会实验操作、实验现象和实验结果；但对于多数工科类专业，由于实验环境和设备限制，实验室数据与实际工业生产差距较大，学生通过实验无法体会到工业生产环节上的对应知识点的要求。虚拟仿真实验，可以让学生身临其境地体会工业生产和连续性地工艺过程(见图1)，通过仿真，可以让学生大胆地尝试、容错性强，即使实验失败也不会带来危险性和经济损失，提高了学生对连续工艺生产过程的整体认知和把握。

图1 虚拟仿真实验教学场景

4.3 开展虚拟仿真实验教学，视角效果好

通过精心设计构建集实物仿真、过程模拟、创新设计和智能指导于一体的情景沉浸式虚拟仿真实验教学系统，遵循从“设备认知”、“整机化操作”、“产品质量评定”、“工艺设计提升”的认知和学习规律，包含“认知-操作-评价-反馈-探究提升”五层次递进式实验模块。根据学生所学的理论知识要求，循序渐进，对制浆造纸生产工艺过程作精确模拟。整个虚拟仿真实验项目的所有“人机互动”教学方式的设计，不仅为学生专业基础知识的掌握提供了有效工具，而且能够支持学生进行参数改变和新方案的设计优化，并通过虚拟仿真进行可视化表达。图1为高档AGM隔板纸虚拟仿真实验部分模拟场景画面。

4.4 开展虚拟仿真实验教学，实验成本低、实验可以多次进行且方便快捷

虚拟仿真实验教学是利用虚拟仿真实验软件，在电脑端设置的虚拟场景中进行，实验所使用的原材料、化学品及实验装备等都是软件开发中虚拟生成的，不需要消耗真正的原材物料；生产工艺参数可以在一定范围任意设定，不同参数设定可以获得不同产品质量指标，从而优化出产品最佳性能指标的工艺技术参数，通过虚拟平台达到培养学生亲自动手和创新实践能力。在后疫情时代，虚拟仿真作为线上精品课程中的一类可以克服来华留学教育教学中遇到的困难，可以成为工程实践类课程教学改革的样板[7-8]。

5 结 语

新冠肺炎疫情突如起来，线上教学成为一种常态而被境内外广大师生所接受。南京林业大学轻工类虚拟仿真实验教学项目是从2019年起开始建设，目前为止已经成功运行了2年多，不仅解决了中国学生工程实践类教学环节以线上方式完成工厂实习、认识实习的需要，对滞留境外的相关专业的留学生理解专业、完成实验教学也起到了重要作用。当前，对于来华留学教育而言，网上的课程资源短缺，线上教学仍然困难重重，英文的专业课、专业基础课、工程实践类课程的虚拟仿真实验项目都亟待开发。本文仅以轻化工程制浆造纸专业为例，今后应当以来华留学线上教学与精品课程建设研究为主题，更充分地展开多学科领域的相关教学改革。