虛擬仿真混合式實驗教學在應用型本科院?；I的探索

劉小娟 吳鋒景 顏東

(湖南工程學院材料與化工學院 湖南湘潭 411104)

根據《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），自2019—2021年期間，將認定萬門左右國家級一流本科課程，其中，需要完成6 000 門左右國家級線上線下混合式一流課程和1 500 門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程的認定工作，目的是消滅“水課”，打造“金課”，讓課程內容優起來、教學能力強起來、學生學習忙起來、學習效果實起來，形成具有專業特色的一流本科課程體系，構建更高水平的人才培養體系。

本著在應用型本科院校建立綜合能力的培養目標，需要加強對學生實踐能力，動手能力和工程設計能力的培養?；瘜W化工課程一般是以實驗和實踐為基礎的，但相關理論知識較為抽象，學生對知識的理解較為困難，加之提高學生解決問題和動手能力，均要依托于實驗和實踐教學[1-2]。針對當前學生對化學化工實驗課程的學習方式的單一，學習過程的枯燥，因此對化學化工相關的實驗課程進行了基于虛擬仿真的混合式教學模式的探索，以便提高學習的效果。

1 基于虛擬仿真的混合式實驗教學開展的必要性

在2020年初爆發的新冠病毒疫情下，多數高校不能及時開學，理論課程的線上教學平臺得以迅速發展，而相對于實驗課程卻沒有較為成熟可用的教學平臺，虛擬仿真實驗教學資源便成為教師授課、學生學習的有效途徑之一[3-5]。當前很多高校根據學科特點，開設了具有專業特色的虛擬仿真實驗，作為實驗教學的有益補充，或者作為實驗教學的一部分。而湖南工程學院材料與化工學院針對學科特點，也相繼在化工專業中進行虛擬仿真實驗教學。

在傳統的化工課程實驗教學中，涉及的設備繁多且結構復雜，比如反應釜、干燥器、換熱器、精餾塔和吸收塔等。在實驗教學過程中，由于化工設備多為金屬材質，設備的內部結構、儀器的運行狀態、換熱過程、液體流動情況等無法及時觀察及檢測，不利于學生直觀了解儀器內部流體流動情況。在實驗教學中需要進行的一些化工實驗，由于原料價格昂貴，儀器設備不易獲得，生產環節可能會產生揮發性有機物，以及酸、堿、重金屬等有毒有害物質[6]，需要提供專業的環保設施進行處理，由于實驗條件的缺乏，是不利于在學校實驗室環境下完成實驗的。此外，局限于設備臺套問題，只能開展一些演示性實驗和經典的驗證性實驗。比如：在該校開展的關于篩板塔塔板效率測定實驗，上課時教師會講述精餾塔實驗的原理和目的，以及操作方法，然后進行原料酒精與水的混合溶液的部分回流，以及全回流的實驗。實驗過程中，學生按照講義中提到的操作參數，比如進料流量、冷卻水流量、回流比等進行設置，然后采集數據，編寫實驗報告。而關于實驗過程中出現的操作問題，比如漏液、液泛和霧沫夾帶等問題，少有機會進行實操，畢竟以后去企業工作，該實操經驗的積累是遠遠不夠的，不利于工程思維的培養。另外，由于化工企業生產的復雜性和危險性，像以天然氣為原料的合成氨反應，原料易燃、易爆，反應常伴隨高溫高壓，學生去企業實習，是不允許動手操作，且生產現場自動化程度高，很多工段通過DCS系統控制，對部分生產過程學生是看不到、摸不著的，不能得到有效的學習效果。

在教學開展過程中，課前教師需要手動簽到，課中也需要手動記錄操作情況、批改報告、總結成績等，需要耗費大量精力來完成實驗教學任務。因此，基于虛擬仿真的混合式實驗教學方法探索是十分必要的。

鑒于此，結合改?；I實驗教學情況，融合多種教學手段，對教學內容、教學方法及手段進行改革及創新，構建了基于虛擬仿真的混合式的化工實驗教學模式，將優質虛擬仿真教學資源搬進實驗教學課堂，開展形式豐富的實驗教學，調動學生的學習興趣，提升學習效果。

2 基于虛擬仿真的混合式實驗教學模式的實施

2.1 基于虛擬仿真的混合式實驗教學模式的建立

根據該院化工實驗教學特點，實驗教學模式采用“線上線下”混合式教學，虛擬實驗和實體實驗相結合，以及學生自主操作和教師在線輔導相結合的方法開展教學。關于“線上線下”混合式教學模式，涉及課前、課中和課后單個環節學生與教師的互動。課前導學階段，學生通過登錄學習通平臺，進行虛擬仿真課程的“實驗預習”，并完成思考題；課中學生在學習通上簽到，老師講授重難點內容，注意事項，提出問題，學生進行自由討論，在實驗過程中老師指導學生自主完成實驗操作，分析數據；課后老師布置作業，提出問題，學生在學習通平臺上完成作業，參與討論。

而虛擬仿真與實體實驗相結合，是學生在虛擬仿真實驗結束后，需要開展實體實驗，達到虛實結合。在完成部分實體實驗后，進行學生自主操作和教師在線輔導相結合：學生在虛擬仿真實驗中可以自主完成全部實驗過程，對實驗過程中出現的疑難問題，在線上教師可以給予及時指導。

2.2 實驗教學內容

根據應用型本科高校的特點和虛擬仿真教學能實不虛、虛實結合的特點，結合專業特色和化工行業需求，現該院化工虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真軟件主要設置有化工原理實驗單元、化工操作實驗單元和化工設計實驗單元等虛擬仿真實驗教學內容，并通過教學實踐活動持續改進和完善教學內容。鑒于精餾實驗開展存在諸多弊端，比如操作周期長、成本高、實驗過程安全性差、部分極端條件無法展示等，該院利用精餾塔3D 仿真技術，主要包括精餾塔3D 設計型實驗仿真軟件，精餾塔工藝（脫丁烷）3D 仿真軟件和精餾（水-乙醇）實驗仿真軟件。該系列精餾塔3D仿真軟件內容主要有：精餾塔3D 設計型實驗仿真軟件，內容包括實驗室預設危險源，設計任務，精餾塔實驗設備以及相應的儀器、儀表和閥門等；精餾塔工藝（脫丁烷）3D仿真軟件，涉及精餾塔冷態開車、正常運行、停車，精餾塔熱蒸汽壓力過高、過低事故，精餾塔冷凝水中斷事故，停電事故，精餾塔回流泵故障事故和精餾塔回流控制閥閥卡事故等；精餾（水-乙醇）實驗仿真軟件，涉及塔釜加熱升溫，全回流、部分回流過程及數據處理等。

學生通過利用仿真軟件設計精餾塔，并對設計進行實驗驗證，建立學生完整的設計理念，培養學生的創造力和實踐能力，使學生深入系統地掌握精餾的工作原理及工藝流程，了解精餾過程的動態特性，提高學生對于精餾過程的認識，結合工程實踐進行教學，能有效提高教學效果，促進學生的有效學習。

3 基于虛擬仿真的混合式實驗教學模式的特點

基于虛擬仿真的混合式實驗教學模式的特點主要采用線上線下教學，虛擬現實3D 仿真實驗，“虛實互補”實驗教學和教師在線輔導相結合的方法開展教學。

3.1 “線上線下”教學

為了使學生在課堂上能夠更加高效率地理解所學知識，上課前老師通過學習通平臺給學生發送學習任務清單和拓展資料，比如：在精餾塔仿真實驗開展前，讓學生了解精餾塔化工實驗的原理、工藝流程和主要設備，并要求學生利用互聯網了解精餾塔的工業應用及操作注意事項，了解相關虛擬仿真軟件的主要內容，記錄精餾工藝難點等。老師針對學生課前的學習情況，講解實驗的難點和核心內容。布置任務，讓學生在仿真軟件上自主完成任務，在完成任務過程中學生會發現問題，討論問題，解決問題。在這樣的學習模式下學生能夠更專注、更主動地學習。當學習過程中遇到困難時，學生可以相互討論，也可以與老師探討。老師應盡量以啟發式方式跟學生進行探討交流，并在最后針對學生遇到的常見問題進行總結。在這種教學模式下，學生通過自主學習，與他人交流，學習能動性將會得到較大的提高。而老師的主要任務是通過講授知識和協助學生解決問題的方式來促成他們的個性化學習。這種由學生主導，老師協助的教學模式可以活躍課堂，鍛煉學生的綜合能力，提高教學質量。為了讓學生能夠更加深入地理解和運用所學知識，鞏固關鍵知識點，課后可結合老師課堂所講內容再次操作軟件，并總結自己操作失分的原因，完成仿真在線測試題目（老師在后臺可以看到學生的測試情況）和實驗報告，以及教師在線答疑輔導的方法開展課后教學[7]。

3.2 虛擬現實3D仿真實驗教學

學生在虛擬仿真軟件上自主學習。虛擬仿真軟件模擬化學生產過程中的流量、溫度、液位等數據，學生通過電腦輸入各種參數來控制精餾過程，使學生在近似真實的環境中去了解、熟悉，并操作其中的虛擬設備，體驗實驗的真實過程，比如漏液、液泛和霧沫夾帶等現象。這種類似于“玩游戲”的學習方法增加了學習趣味性，有利于提高學生的學習興趣。特別是在一些實物實驗難以呈現的特殊情況下的學習，如極端條件（如超高溫、超高壓等）和異常情況（停電、停水、泵故障等），虛擬仿真實驗有著不可替代的優勢。

3.3 “虛實互補”實驗教學

比如：在虛擬仿真軟件上的學習能使學生深入的了解精餾的原理、工藝流程，掌握精餾塔的操作步驟及異常情況處理方法，但是虛擬仿真實驗過程中不能接觸實物，無法真實感受化工的生產或實驗過程，因此仿真實驗對于學生動手能力的培養方面有所欠缺，而且容易引起學生學習理論與實踐的脫節。在工程實踐環節，學生在精餾塔實訓裝置上進行現場操作，完成在精餾塔的開車、正常運行、停車等實踐步驟，做到虛實互補。

4 基于虛擬仿真的混合式實驗教學模式的教學研究方法

4.1 排查法

虛擬仿真實驗教學要求“能實不虛”，因此首先應該對化工專業的實驗實踐課程進行仔細排查，按“四高”（高能耗、高消耗、高污染、高危險）程度給實驗課程依次排序，為后續實驗內容的選擇提供依據。

4.2 數據分析法

實施實驗教學項目后，收集所有參加學習的同學的實驗操作數據，包括操作錯誤點、實驗時間、測試分數等，并分析學生的實驗操作數據，為實驗項目的持續改進提供依據。

4.3 訪談法

與學生進行交談，了解學生對于虛擬仿真實驗教學項目的意見，包括項目的難度、問題點、興趣點、課程成績的評定等，為后續項目的完善提供參考。

4.4 創新多樣的教學方式方法

按照信息化時代背景下學生的需求特點，探索在虛擬仿真實驗教學中應用不同的教學方法，重點實行基于問題、案例的互動式、研討式教學方法，對于學生倡導自主式、合作式、探究式學習方法。

5 基于虛擬仿真的混合式實驗教學模式的教學效果

5.1 線上線下教學效果

課前，教師通過學習通教學平臺發放預習資料，并預設幾個問題。學生通過手機端便捷找到將要學習的內容，并帶著問題去學習，這樣以設問促教學，能有效提高學生的學習積極性。課后如果遇到問題，通過學習通討論板塊，跟他人積極交流，并且教師能在線進行答疑，可以提高學生的學習興趣。

5.2 虛擬現實3D仿真實驗教學效果

虛擬仿真實驗的開展，能有效解決傳統化工實驗占地面積大，原料、設備采購成本高，以及儀器維護，三廢處理困難等問題。在虛擬現實3D仿真實驗教學中，學生通過在虛擬仿真軟件平臺上輸入各種參數來操作其中的虛擬設備，體驗實驗的真實過程。這種類似于“玩游戲”的學習方法增加了學習趣味性，有利于提高學生的學習興趣。

5.3 “虛實互補”實驗教學效果

在化工實驗教學中，在前期采用了線上線下混合式教學，以及虛擬仿真實驗教學，學生對實驗目的和原理很清楚，對化工操作單元也很熟悉，在進行真實的實驗操作時，可以略講相關的理論知識，側重于設備的認知，以及操作單元的熟悉，體驗實驗的真實過程，比如漏液、液泛和霧沫夾帶等現象。這樣可以提高學生的操作能力，以及工程實踐能力。

6 基于虛擬仿真的混合式實驗教學模式的應用及意義

基于虛擬仿真的混合式實驗教學主要面向我院化學工程與工藝、應用化學、生物工程、材料化學等專業學生。在開設仿真實驗時，充分考慮到學生在校實驗條件的缺乏，工廠參觀實習的困難，通過逼真的仿真場景，了解并熟悉化工生產流程，并能結合工程實踐，設計出合理的工藝路線。

教學效果評價辦法方面，將虛擬仿真混合式實驗教學納入化工專業培養方案和教學課程中，制定相關的教學效果評價辦法，并根據學生和教師的反饋，持續改進教學評價機制。目前，實驗采用線上線下相結合的評價體系對學生的實驗情況進行評價，實驗采用百分制，線上題目數量和分值比例由老師提前預設。課前預習通過線上闖關答題檢驗，預習成績按照10%計入最終實驗成績；課堂上以任務引導性操作為主，要求在規定時間內完成線上任務，按照30%計入最終實驗成績；而在實體實驗操作環節，設置的成績占30%；課后在規定時間內完成總結性檢驗試題，按照10%計入最終成績；實驗報告上交后，由老師批改，按照20%計入。

通過虛擬仿真的混合式實驗教學模式學習，增加了學生的學習興趣，提高了學生的實驗技能和科研創新能力，有利于對學生工程設計能力和綜合實踐能力的培養。近幾年來，該院學生成立實驗創新及設計興趣小組，積極參加化學化工實驗與創新設計競賽，均取得較好的成績。

7 結語

開展虛擬仿真的混合式實驗教學，即線上線下模式學習，以學生自主學習為主，老師講授和指導為輔，有效促進了學生的個性化學習，學生通過實踐獲得知識，印象更深刻，學習效果更好；虛擬現實3D 仿真實驗，這種類似于“玩游戲”的學習方式極大地激起了學生的學習興趣，增添了實驗教學的活力和動力，教學效果顯著提升，教學質量明顯提高?！肮に囋O計+仿真操作+工程實踐””的這種“三位一體”和“虛實結合”的實驗教學模式能有效地培養學生的工程設計能力和綜合實踐能力。