1、 Univ.Chem.2023,38(2),4955 49 收稿：2022-05-20；录用：2022-06-27；网络发表：2022-07-20*通讯作者，Email: 基金资助：校级高教改革课题(TDJGYB2117,TDGJYB2216)；兵团、校级一流课程(TDYLKC202014)；教育部协同育人项目(202002046052,202002105034)；国家一流课程(2020128142)；校级教学团队(TDJXTD2210)；国家级化工实验虚拟教研室 教学研究与改革 doi:10.3866/PKU.DXHX202205073 “互联网“互联网+教育”背景下化工实践教学的改革与探索
2、教育”背景下化工实践教学的改革与探索 赵苏亚，田维亮*塔里木大学化学化工学院，新疆 阿拉尔 843300 摘要：摘要：分析了当前化工实践教学所面临的困难，运用“互联网+教育”技术，将虚拟仿真技术引入到化工实践教学中，打造“四个层次、七大模块”的教学模式。此模式中加大了设计占比难度，形成了基本理论、认识实习、仿真操作、实训操作和过程设计的递进式教学方法，能够有效解决化工生产实习面临的难题，培养新时代需要的创新性的化工专业技术人才。同时，通过本教学模式能够实现对学生全程在线的监管、答疑、考核，使实践教学进入云教学时代。关键词：关键词：互联网+教育；化工实践教学；虚拟仿真 中图分类号：中图分类号：G
3、642.4；O6 Reform and Exploration of Chemical Practice Teaching in The Context of“Internet+Education”Suya Zhao,Weiliang Tian*College of Chemistry and Chemical Engineering,Tarim University,Alar 843300,Xinjiang Uygur Autonomous Region,China.Abstract:After analyzing the difficulties faced by the current
4、chemical practice teaching,the“Internet+Education”is used to introduce virtual simulation technology into the chemical practice teaching to create a teaching mode of“Four Levels&Seven Modules”.This model is integrated with the comprehensive design of practice,and forms a progressive teaching method
5、of basic theory,cognition practice,simulated operation,practical training operation and process design,and it can effectively solve the difficulties faced by chemical production practice and cultivate innovative chemical professional as well as technical talents in line with the needs of the new era
6、.At the same time,through this teaching mode,it will be possible to achieve online supervision,Q&A,and assessment of students throughout the whole process,and to bring practical teaching into the era of cloud teaching.Key Words:Internet+education;Practical teaching of chemical engineering;Virtual si
7、mulation technology 快速发展的现代信息技术促进了高等教育教学的改革，加速了教学模式的多元化发展。在高校实验教学中，虚拟仿真实验能构建逼真的实验环境、实验对象和实验内容，可以让学生在开放、交互的虚拟环境中进行自主的实验设计与操作，因而在培养学生的科学探索及实践创新创业能力中发挥越来越重要的作用。现在工科专业，特别是化工专业，在化工实践教学过程中学生的实习难、实习效果差，创新能力不够，多方面制约了实践教学的效果。信息技术发展日新月异，推动了虚拟仿真技术的完善，使后者能直接应用在化工实践教学中1。50 大 学 化 学 Vol.38 笔者基于国家级混合式课程的建设标准，结合化工生产
8、实习实践教学的困境，以培养出具有扎实理论知识、实践能力、创新能力的“新工科”人才目标为导向，在“互联网+”背景下，将虚拟仿真融入化工实践教学进行了改革和探索。1 化工实践教学面临的困境化工实践教学面临的困境 化工专业学习重在实践，这也是化工类专业人才培养方案中着重强调的方面。在实践过程中，学生动手动脑将所掌握的理论知识落地，解决现实问题。既让学生更加深入系统地了解了化工知识，也能让学生将理论所学应用于实践问题的解决，养成科学的思维和习惯，提高实验实践技能。现在化工专业的一大难题就是学生的实习难、实习效果差，创新能力不够。学习存在主观敷衍了事、准备不充分、技术水平低等不足2,3。1.1 化工生产
9、实习风险大、实习过程“走马观花”化工生产实习风险大、实习过程“走马观花”众所周知，在化工行业的生产过程中往往会涉及到较多易燃、易爆或具有一定毒性的化学物质，化工单元操作条件苛刻，很多都需要在高温、高压的环境下操作，这使得化工生产过程具有众所周知的高危、高毒、高风险的特点，极易造成安全事故的发生，严重威胁到工作人员和生产设备的安全46。化工企业对实习学生设置了更高的进入门槛，要掌握扎实的化学理论知识，要熟悉企业生产流程、技术参数、掌握设备操作技能等。很多企业为了避免不必要的经济损失和安全隐患，不愿意接受化工类专业学生进行深层次的现场生产实习，学生没有机会上岗动手操作。那么整个生产实习过程中学生只
10、能“走马观花”，仅凭“听”和“看”，很难真正了解现实中化工生产的工艺流程、设备性能等，更接触不到实际问题，很大程度限制了学生的主观能动性、创新性7,8。对于本科教育来说，其目标是将学生培养为工程师，能够在实际生产中解决一些复杂的工程问题，这就需要更丰富的培养环节来提升教学的高阶性，突出教学的创新性，增加教学的挑战度。1.2 化工生产实习准备仓促，学生的知识储备不足、生产操作生疏化工生产实习准备仓促，学生的知识储备不足、生产操作生疏 现在高校的化工生产实习流程，一般是对学生进行实习前的安全培训，再进入实习，而并没有经过真正操作技能的培训和指导。那么这一关键环节的缺失则会造成学生因知识储备不足、实
11、验操作技能生疏而导致生产原料的浪费、产品成分的改变、仪器的损伤等问题，更有可能引发安全事故，对企业造成较大程度的经济损失，因此很多化工企业对接纳高校实习生的积极不高。另外，因实习经费紧缺，学生在实习基地的实习时间短，企业也很难给学生安排一个比较系统的工作让学生深入生产前线了解实际生产操作。这种情况下，难以实现理论联系实际，锻炼学生较强综合分析、判断的能力的教学目标，这样也失去了实习的意义。1.3 利用信息化技术的能力不足利用信息化技术的能力不足 信息技术发展日新月异，企业必须适应市场需求，打造技术性企业，采用各种“软技术”。尤其是在化工行业生产的过程中应用DCS(Distributed con
12、trol system)操作系统后，操作人员可以通过操作画面完成各种操作功能，不仅降低了员工在操作过程中的难度、繁琐度，还能提高在化工生产过程中的安全性能。但目前学生对于这类自动化操作系统的理论知识的学习和实际操作能力不够。除此之外，学生对3D(3 Dimensions)、VR(Virtual reality)和AR(Augmented reality)等信息化技术的认知度、接触度和熟悉度也远远不够。2 互联网互联网+教育融入化工实践教学的意义教育融入化工实践教学的意义 2.1 虚拟仿真技术引入化工实践教学的意义虚拟仿真技术引入化工实践教学的意义 虚拟仿真软件配置的3D虚拟仿真系统和DCS控制
13、系统，可以模拟企业生产环境，为学生体验设备操作提供条件，也可以模拟生产事故的发生，让学生学会如何进行灵活应对，做好应急处置，还可以控制人物在化工厂里参观，可以看到对于化工厂的安全要求，而且还可以切换人物，感受不同的角色9。学生可以根据自己在工厂实习中遇到的难题设计实验场景，在确保人身安全和经济安全No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202205073 51 的模拟环境中进行反复操作和练习，大胆进行各项操作，将虚拟仿真技术引入实践教学，不仅能够有效解决学生实习难、效果差、化工生产风险大、生产操作能力不足等问题，还能够拓展实践教学的广度和深度，以达到巩固学生基础理论知识、培养创造思维
14、、提高应用化学设备的能力10。我们围绕将虚拟仿真技术引入实践教学的认可度，对2018级、2019级化工和应化专业306名接触过虚拟仿真实践教学的学生做了相应的问卷调查，共发放306份问卷，收到302份有效问卷，结果见图1。在线下教学环境中加入虚拟仿真环节，丰富学生学习体验，快速提升学生实践技能，让课堂价值得到最大程度的发挥。这种教学设计赢得了学生的认可。图图1 学生对引入实践教学认可度的问卷调查学生对引入实践教学认可度的问卷调查 2.2 线上线下混合式教学线上线下混合式教学 混合教学模式并非简单粗暴地将两种教学方式进行组合，而是更加注重教学方式选择的灵活性和针对性。根据课堂教学内容和目标任务，
15、灵活设计教学计划，将两种教学方式有机融合，最大程度地发挥两种教学方式的优势11,12。一方面充分利用互联网的在线教学优势，加强教师和学生的课堂互动；另一方面充分利用学习资源、学习环境、学习方式线上和线下的混合，拓展授课的时空边界，打造具有高阶性、创新性和挑战度的混合式课程。3 “互联网+”化工实践教学的改革思路和举措 “互联网+”化工实践教学的改革思路和举措 结合我校化工类相关专业现阶段的发展需求，以“中国制造2025”和“互联网+”模式为实验和实践教学研究载体，构建一个“互联网+”的信息化和现代化全国共享实践平台与方案，建成后将成为新疆南疆地区实践教学示范中心。学生通过线上线下混合式的理论学
16、习、仿真实验和实训操作训练、实验实训操作和化工厂设计的全程综合学习，可提高综合设计实验的能力，解决化工专业学生在实际生产中的困境。52 大 学 化 学 Vol.38 混合式课程的建设能促进化学工程与工艺专业、应用化学、食品科学与工程等专业的实验实践教学的多学科交叉与融合，教学质量和水平必将得到很大提高，促进化工等相关专业人才的培养，服务地方经济建设，社会效益较大。化工仿真实习实践教学的建设思路如图2所示。图图2 课程建设思路课程建设思路 3.1 具体建设思路具体建设思路 3.1.1 构建南疆化工实践教学线上教学平台，实现资源共享构建南疆化工实践教学线上教学平台，实现资源共享 紧密结合本校化学化工专业特色，让地处西部地区的新疆南疆化工学子接受全国一流的教育资源，全面提升南疆地区的教学质量和水平。通过3D、VR和AR技术，搭建“互联网+教育”的化工实践教学平台，无论在学校课堂、宿舍，还是在家里都可以通过网络或者手机学习，真正实现三维立体化教学的开展。3.1.2 全力解决化工专业学生生产实习难、效果差、学习兴趣低等难题全力解决化工专业学生生产实习难、效果差、学习兴趣低等难题 化工专业属于新工