于永生 蔡静静 王莎莎 井强山

基金项目：教育部2022年产学合作协同育人项目“离子膜烧碱和煤制甲醇生产工艺虚拟仿真师资培训”（220604697020857）；河南省本科高校新工科新形态教材“化工原理”（教办高[2023]395号）；河南省示范性虚拟仿真实验教学项目“离子膜烧碱生产工艺虚拟仿真实训”（教高[2018]991号）；河南省虚拟仿真实验教学项目“煤制甲醇生产工艺3D虚拟仿真实验教学项目”（教高[2020]502号）；信阳师范大学研究生教育改革与质量提升工程校级项目“化学课程与虚拟仿真实验研究”（无编号）；信阳师范大学2024年高等教育教学改革研究与实践项目“化工虚拟仿真实验教学平台建设与运行机制研究”（无编号）

第一作者简介：于永生（1979-），男，汉族，河南通许人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为化学教学及功能陶瓷材料。

*通信作者：井强山（1970-），男，汉族，河南信阳人，博士，教授。研究方向为化学教学及非金属矿。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.023

摘  要：化工原理是化工类专业极为重要的一门以实验为基础的必修课程。该课程知识面广、工程实践性强、实验多，但因受实验场地、实验设备、重理论轻实践的教学模式的影响而忽视对实验操作能力的培养，最终培养出的学生大多是知识型人才。鉴于此，该文通过探究虚拟仿真模拟在化工原理课程教学中的应用，与传统理论与实验教学相比分析其优势，指出其不足，进而为更好地培养学生，建设虚拟教学体系；提出加大师资力量建设、培养学生使用意识、资金投入三点建议。

关键词：化工原理课程；虚拟仿真技术；工程素养；创新培养；实验教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0092-05

Abstract： Principle of Chemical Engineering is a very important experimental based compulsory course for chemical engineering majors. This course has a wide range of knowledge， strong engineering practice and a lot of experiments. However， due to the influence of experimental sites， experimental equipment and the teaching mode that emphasizes theory over practice， the training of experimental operation ability is neglected， and most of the students cultivated in the end are knowledge-based talents. In view of this， this paper explores the application of virtual simulation in the teaching of Principle of Chemical Engineering， analyzes its advantages compared with traditional theory and experiment teaching， points out its shortcomings， and then builds a virtual teaching system to better train students. The paper puts forward three suggestions， strengthening the construction of teachers， cultivating students' awareness of use， and increasing capital investment.

Keywords： Principle of Chemical Engineering; virtual simulation technology; engineering literacy; innovation training; experimental teaching

化工原理是化学工程学科中的基本理论之一，其内容包括单元操作设备设计选型、构造、实验操作原理、研究方法和数据处理等，按照课程特点可分为传质分离单元、流体力学与传热、化工原理实验及化工见习与化工课程设计五个板块。化工原理实验具有基础性、实践性和工程性较强等特点，在培养学生工程实践能力方面具有重要作用[1]，是整个化工原理教学最为关键的版块。通过实验可以让学生了解化工生产的实验设备、操作过程，并反映学生的理论知识掌握情况。传统课程教学按照老师讲授理论—老师实验—学生分组进行练习，但受限于实验设备条件和场地面积无法保障每个学生同步进行相同实验，且大多数实验药品对身体有害，实验者的工程素养参差不齐，因而教学效果不佳。其次，应试教育重理论轻实践的教学模式，培养出来的往往只是知识型人才。大部分学生并不具备解决实际复杂工程问题的能力，难以满足社会对实用型人才的要求。应如何解决学生工程能力边缘化，满足企业对实用型人才需求这一难题呢？

近年来，虚拟仿真技术借助于信息化的互联网技术发展迅猛，尤其在2017年，教育部发布《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》。国家对高校建设虚拟仿真实验室给予了政策支持，各高校纷纷开启了“平台共享与项目开发”虚拟仿真建设。在一定程度上促进了高校对实验教学模式的改进[2]。经过四年多的发展，已经取得了初步成效。这一效果在高校工程基础实验教学领域体现明显，如基于化工“互联网+仿真实验原理”的网络控制实验中心建设，使学生能够在不受时间和空间限制的情况下与同学共享信息，进行探究学习式的协作。这种以学生为中心着重培养学生的工程和专业素养，从而提高创新创造活力的培养方法，不同于传统的应试教育的教学模式，而是由理论教育和实践能力结合化的培养要求，二者相互促进，满足了社会发展对人才的需要[3]。

一  虚拟仿真技术的定义

虚拟仿真技术从广义上讲是在媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技基础上，以构建全系统虚拟环境集成与控制模拟器实体，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术。它与VR技术有着相似的原理：都是通过使用虚拟仿真对现实世界中人们很难接触到的过程进行还原，让人们通过网络体会到。它基于计算机软硬件系统，以现实中的化工工艺、仪器设备等为模拟对象和基础，利用特定的计算机软件程序模拟化工设备的操作和具体的工艺流程[4]。在虚拟仿真软件里，学生通过3D虚拟仿真练习不仅能够真实地感受化工生产环境，还能从工厂的布置，区域的划分中参与虚拟的真实工艺过程。一方面弥补学生在理论学习中对管道、调节器、阀门等设备了解的不足，进一步提高学生对化工厂的工艺流程、设备布置、化工生产技术的理解能力，巩固所学的理论知识；另一方面加强学生工程设计能力，提高学生理论与实际操作相结合的能力。

二  传统化工原理课程教学存在的不足

（一）  理论教学存在的问题

化工原理课程知识点冗杂、抽象、流程覆盖面广泛，教师较难讲解的通俗易懂[5]。目前，大多数高校化工原理理论教学分一周二到三次，由于课程内容多、学时短，有的老师为了加快教学进度，讲课速度快，师生互动有限，因而很多学生被迫处在一种“满堂灌”的状态中，跟不上老师讲课的节奏，造成对知识点理解把握不牢。这些情况只是在客观上完成了教学计划，但培养出的学生往往只是知识型人才，忽视与生产实际相结合，并不具备解决实际问题的工程能力，不能满足当前社会对化工人才的要求。

（二）  实验教学存在的问题

1  学生学习缺乏主动性

化学实验分为研讨性实验和验证性实验，它们都是有一定的实验目的并按照实验步骤进行的。在实际操作中，研讨性试验很少涉及。而传统的化工验证性实验教学模式是“学生预习实验—教师讲解实验原理—演示操作—学生操作记录数据—学生写实验报告”。在这个模式中，会存在以下问题。

第一，目前国内大多数高校化工专业的基础理论与实验配套课程在内容选材上与引领科技前沿的创新性实验相差比较远，学生不感兴趣。因此，对课程重视程度不够。第二，很多教师没有通过构建问题情境激发学生的兴趣和动机，学生没有养成在实验中探索、在实验中分析和解决问题的好习惯。这样，学生只会把它当成任务消极被动地完成作业。第三，以实验报告为主作为结课成绩的考核方式并不合理，很多学生仅仅是去抄袭，导致一些学生的实验积极性和学习热情不高，教学效果较差。

2  操作要求严苛，容错率低

化工原理实验会涉及各种各样的化学物质，有的化学药品属易燃性和毒性物质。因此，在进行化工实验时，要特别注意这些不安全因素对实验操作条件的要求。例如，热态实验和热辐射实验，实验环境对于温度压强要求严苛，此外该试验涉及环节多、周期长，因而操作复杂，如果学生一旦误操作会对设备有很大的影响。正是由于其容错率很低，所以高校开设的化学实验，都受限于安全担保能力的制约，以至于某些实验不能跟进生产实际，从而制约了实验教学水平的提高[6]。

3  教学条件不足

化工原理实验不同于基础实验中以小型玻璃仪器为主，其更接近实际化工生产过程，具设备实验场地所需面积大，单台设备费用高、投资大、占地面积大等特点[7]，学生因而只能分成小组进行实验。每个小组个体负责整个实验的某个环节，学生只能从局部感知实验，没有办法参与整个实验的全流程，这在一定程度上会限制学生的大型实验操作学习，导致学生只能从局部看问题，不利于培养学生统领全局的能力。实验装置的材料大多由钢制品制成，容易生锈腐蚀，而且后期维护费用高。这些问题给教学带来了极大的挑战，影响教学效果。

三  化工原理课程虚拟仿真模拟教学的优势

（一）  激发理论学习兴趣

化工生产过程是包括流体输送、沉降、过滤、吸收等在内的多个化工操作单元的集合。在理论讲授过程中可以利用化工虚拟仿真软件将这些基础实验操作单元通过动画人物讲解、VR实验等众多新形势的大众化使用进行形象的演示和互动操作，使学生体验到工程技术人员的角色[8]。例如，在溶液结晶设备选择的理论课授课中可以通过虚拟仿真软件了解DTB型结晶器内部结构构造，进一步通过虚拟KCL结晶生产过程，使学生深入了解生产工艺和过程控制，从而让学生明白与流化床型结晶器的区别。有别于传统理论讲授，通过这种有趣又直观的教学方式，可以激发学生学习的兴趣，摆脱学生只知理论，不懂过程的囧境。

（二）  提高课程设计能力

课程设计是化工原理重要的一个环节，它是综合运用理论知识完成化工单元操作重要的实训课程，是将理论应用到实际的重要转化。虚拟仿真随着计算机的发展，在化工课程设计应用中越来越广泛。以乙苯-苯乙烯粗馏塔设计为例，根据参数要求，通过在模拟软件Aspen Plus建立乙苯-苯乙烯操作单元动态模拟，软件由系统实现策略、单元操作模块、物性数据库三部分组成，具备绘制图标，优化流程，过程动态分析等功能，可以使学生直观地看到。因Aspen软件需要用到大量化工原理、化工过程传递、化工专业等方面的专业英语知识，因此，在学生学习掌握的过程中无形中复习巩固大量之前学到的知识。一方面巩固学生掌握对知识的迁移应用能力；另一方面可以提高解决故障能力，学生在使用过程中可以通过对有可能出现的设备缺陷、故障等紧急情况的处理，锻炼自己设计设备的思维、方式和对关键部位的改进能力[9]。在课程组合这种教学模式下，学生不再以认识学习软件为目的，而是通过软件和实验装置完成一定的生产实践任务，从而提高软件运用能力和课程设计能力。

（三）  提高实训综合能力

学生在去相关企业实习之前，通过仿真教学软件的演习，学习相关非正常操作情况的处理办法。即便在上机操作出现错误的情况下，也不必担心人身安全，因为软件有容错系统，实验的非正常操作现象可以在计算机上多次再现，若真有异常，完全可以退出登录重新开始。一般只要根据页面弹出消息对话框，按照警示和信息提醒就能避免出现错误。这种教学模式允许学生在错误中观察现象，可以锻炼学生解决问题的能力，深化自己对实际问题的理解。这样既可以使学生从宏观上了解大型化工生产的具体流程，又可以有针对性地在细节上了解重点设备及关键的工艺参数，然后再去现场参观学习便能很快适应操作环境，达到事半功倍的实训效果。

（四）  突破时空限制，提升参与感

虚拟实验通过数据处理系统快速对信息数据进行采样、收集，并在较短的时间内进行处理得到结果。因此虚拟仿真可以调整长周期实验的进度，缩短无效等待的时间，以便让学生从容完成每个实验。如在精馏操作实验中探究回流比和热负荷对整塔效率的影响，整个实验包括备料、加料、加热等多个环节。而探究各因素（回流比或塔釜加热电压）的影响需要在很长时间达到平衡时才能进行，因此实际实验需要花费很长时间，但由每个学生在微机上进行虚拟仿真实验，则可以克服这个难题，在较短时间内得出结论。在防疫期间，出于对学生安全问题的考虑，大部分院校采取线上教学，通过虚拟仿真，学生可以突破空间限制，在移动端、网络端进行随时随地的学习，不再受实验室的限制，使每个学生都可以感受实验过程，达到实际实验的效果[10]。

（五）  强化预习效果，培养工程能力

预习是化工原理实验课的重要组成部分。传统的预习方式是让学生阅读实验讲义、辅助设备管路和仪表图，看不到实际实验操作的全貌，接触不到真实的实验设备。由于预习效果不好，学生在真实实验中遇到问题时不知所措，小则造成实验误差，大则出现安全事故。如离心泵特定曲线测定实验中，阀门开度过大导致流速过大进而引起实验误差甚至损坏仪器。但如果结合实验讲义虚拟仿真软件进行相关预习，学生可以清晰地看到运行的全貌，对异常有正确的认识。这样便使操作过程变得简单易懂，进而强化实验预习效果，培养学生的工程能力和素养。

四  化工课程虚拟仿真的主要内容

化工原理实验平台的内容主要包括：化工流动过程综合实验、雷诺实验、特征曲线离心泵测试、填料吸收塔实验、蒸馏塔实验、恒压过滤实验、提取实验、二氧化碳的吸收与解吸、液-液萃取塔实验、流化床干燥实验、搅拌器性能测试及渗透膜分离实验[11]。

实训装置平台主要包括：流体输送综合实训装置、传热过程综合实训装置、精馏实训装置、间歇反应实训装置、吸收与解析实训装置模块。

实训平台主要包括：合成氨3D虚拟现实仿真系统、聚氯乙烯仿真、氯碱工艺流程仿真模块组成。

虚拟仿真模拟软件根据实际实验的相关参数，匹配化工实验的单元操作，在电脑上模拟实验现场，利用大数据技术对实验结果进行处理和数据分析，在操作单元设计的实验界面上显示真实的实验条件和设备，这些都给人带来很强的现实感。不仅如此，实验操作还简单易学，仅在电脑上根据实际实验参数完成运行现场使用的设备模拟操作。软件自带的帮助系统、数据记录和数据处理功能，将通过建立的数学模型对学生收集的原始数据自动进行处理，而且系统通过容错技术根据选定的拟合公式对数据进行绘制和必要的分析，展示实验规律，保证较好的安全性。从而提高操作者对实验装置的理解，加深学生对模拟实验的理解。

在离心泵的特定曲线H-Q测量中，学生进入仿真系统后，选择离心泵实验按钮，点击回车；点击操作按钮，进入H-Q曲线测量模拟界面。仔细阅读页面上实验步骤、实验设备照片，按照实验步骤在演示区可以观看相应的三维动画演示。在模拟项目的操作过程中，学生可以根据学习进度选择不同的仿真实验项目；还可以随意切换DCS页面和现场图表访问数据，非常方便。而且还具有放大局部效果的功能，使仪器和数据读取清晰，如图1所示为离心泵单元流程装置图。

五  当前高校化工虚拟化教学存在的问题

据了解，国内大多数高校都建立了虚拟实验室，虚拟模拟技术越来越多地被应用在实践教学中。虚拟实验教学模式在国内高校的发展和应用促进了实验教学改革的前进。2013年，教育部高等教育司阐述了虚拟仿真教学的内涵和要求[12]，对进一步扩大虚拟仿真实验教学中心建设指明了方向。与此同时，我国许多高校也开始了虚拟仿真教学教室的建设，但在仿真实验应用中也存在一些缺点。首先，实验结果是理想化的呈现与真实生产过程存在某些误差，同时学生误操作虽不会像实际生产中那样造成危险事故，但由于没有惩罚，也会使学生对实验现象认识不够深刻，导致学生过于懒惰，削弱基本训练和动手能力的培养，降低学生应对突发事件、排除故障和实验设备日常维护的能力。其次，在当前虚拟实验教学尚处于初级发展阶段，与虚拟教学配套的实验室服务有些高校尚不完善，因此在虚拟教学过程中，学生往往只图实验现象动画的新奇，忽略实验数据记录处理分析的手段，没有注重学习环境的重要性，学生之间缺少互相交流。最后，由于各个学校虚拟实验权限保护，仅仅只能使用本地的局域网，各单位之间很难进行协作交流、研究的分布式发展[13]。

因此，若想更好地谋求学生发展，必须坚持“虚拟与真实结合”的原则，在发挥虚拟仿真实验优势的同时也应注重实验室实验的重要性，改进教学手段，提高教学质量。

六  提高化工课程虚拟课堂建设的几点建议

（一）  加大师资力量建设

虚拟仿真是近年来兴起的一种高科技手段，如果要在教学中使用这种技术，首先，应不断补充专业技术人员师资队伍，并不断开展教师相关技能培训，以带动原有老教师，不断扩大自己的知识范围，接受新鲜事物，提高自己使用软件的能力。同时教师在培训过程中可以提前使用各个软件平台，通过对比向学生推荐适合的虚拟软件自学平台。这样便能更好地指导学生在课堂上学习，使用虚拟模拟软体进行实际操作[14]。

（二）  加大培养学生使用意识

大多数学生没有接触过虚拟软件，不知道如何使用，高校可以通过开放虚拟实验室，招聘志愿者，通过引导学生进行上机操作，培养学生的使用意识。通过专员辅导教学，学生可以尽快学习掌握。

（三）  加大资金投入

近年来，随着信息化教学模式的普及，高校仿真虚拟实验建设得到了一定的发展，然而对于部分不以工科见长的高校而言，对虚拟实验室建设的资金投入仍然不够充分，以至于某些学校的电脑都还是老旧版本，学生在操作时易引起卡顿现象。为此，国家应加大对虚拟仿真类实验建设的资金投入，招揽人才，开发优质软件平台。各高校也应积极响应通过设立专项维修费用，提高对虚拟仿真实验室的建设投入。

七  结束语

随着我国对技能型人才的日益重视，我们应充分利用互联网快速发展这一契机加快虚拟仿真教学应用于化工原理课程教学的改革。针对理论教学存在的困难和基于传统实验教学场地不足，设备复杂，不易操作等缺点，利用虚拟仿真技术为化工专业的人才提供完备的实验条件，结合实际应用于教学。这种虚拟与真实相结合的课程教学模式，以个性化、开放性激发学生的积极性，为学生由被动变主动学习开辟新的路径，在倡导培养应用型人才为核心的现代社会，必将会培养出更多具有高素质的应用型人才。

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