应用转型下化学类专业仿真模拟教学体系优化*

于淑媛，王福萍，郑慧敏，曹 健，李桂花，张成根

(廊坊师范学院化学与材料科学学院，河北 廊坊 065000)

当前，我国已经进入高等教育体系新阶段，需要应用型、创新型人才来适应产业升级发展的要求。2015年10月，教育部明确提出部分地方普通本科高校向应用型转变[1-2]。廊坊师范学院积极推进转型发展，服务地方经济社会发展成效显著，2020年成功入选河北省第二批应用转型发展试点高校，着力培养实践能力强、创新能力强、具备竞争力的高素质复合应用型人才。

1 化学类专业仿真模拟教学的必要性

由于受师资、经费等客观条件的限制，现有化学类专业实验条件不能满足学生的实际需求。特别是疫情期间，时间和空间受到很大限制。在培养学生的实验操作及教学能力方面存在以下问题：(1)化学教学中存在关于放射性、高危险、高污染、有毒有害、易燃易爆、抽象理论难以通过真实实验完成的瓶颈问题；(2)化学类生产工艺流程复杂、价格昂贵，有的大型仪器和设备只有一套甚至没有，并且分组实验开设太少，学生所受训练不够充分；(3)不同专业学生的培养目标不同，需要分类对待开设不同实验项目；(4)疫情期间，学生进实验室时间和实验分组人数有限制。这一系列现实困境在很大程度上制约了学生的发展，使其实验操作达不到应有的水平[3-6]。

化学类仿真模拟实验无污染、低成本、可多次重复操作，还可培养学生运用现代技术的习惯和理念。化学类仿真模拟实验教学概念的提出至今已有几十年的时间，目前国内的一些高校也建立了化学类仿真模拟实验室[7-14]。仿真模拟实验教学的开展和优化正是顺应了教育信息化的发展趋势和复合应用型人才培养的现实需要，构建比较完备的化学类专业仿真模拟化学实验教学体系，是普遍关注的问题。

2 我校仿真模拟教学体系优化探索

我校为河北省第二批应用转型发展试点高校，化学与材料科学学院现有化学、应用化学和材料化学三个本科专业，其中化学和应用化学专业为河北省一流本科建设专业，虚拟仿真实验和高分子化学为省级一流本科建设课程。近几年结合一流本科专业、课程建设和我校应用转型发展的要求，按照服务地方经济和培养创新性、应用型人才的培养宗旨，针对化学类专业的教学需求，我院积极探索构建适合地方本科院校化学类专业的仿真模拟教学体系，提高学生的创新应用能力。

表1 化学类分专业分模块仿真模拟教学体系Table 1 Simulation teaching system of chemistry by specialty and module

2.1 整合优化仿真实验课程模块，构建完善的仿真模拟教学体系

针对应用转型新形势下地方高校大学化学类实验教学的特点和需要，以我校信息化平台和应用计算化学研究所为基础，依托我院河北省化学实验教学示范中心，以及应用化学和材料化学两个廊坊市重点实验室，与北京欧倍尔软件技术开发有限公司、安徽省科大奥锐科技有限公司合作开展化学类专业仿真模拟实验教学中心的建设。如表1所示，中心设计并建设了五个仿真模拟模块，分别为实验室安全及考试模块、大型分析仪器仿真模块、基础化学实验仿真模块、化工操作仿真模块和材料化学仿真模块，并通过仿真模拟实验教学平台实现开放共享。通过近几年的运行实践，取得了良好的效果。

2.1.1 实验室安全及考试模块

安全重于泰山，对于化学类专业，实验室安全又是重中之重。我校和安徽省科大奥锐科技有限公司合作开展了实验室安全及考试模块。所有化学类专业的学生在进实验室做实验之前必须进行在线理论和视频模拟学习，并考试合格后才能进入实验室做实验。实验室安全学习包括用电安全、消防安全、化学危险品、实验室安全、新手安全、生物医学、辐射防护、治安防护等方面。学生经过学习培训并合格后进入实验室，安全警觉性明显提高，操作更规范，有利于实验室安全的长治久安。

2.1.2 大型分析仪器仿真模块

大型分析仪器仿真模块，包含气相色谱仪仿真、气质联用仪仿真、液相色谱仪仿真、凝胶渗透色谱仪仿真、X射线单晶衍射仪仿真、核磁共振波谱仪仿真等项目。因为大型仪器价格高，配套少，分组人数太多又不能起到应有的教学效果，而大型分析仪器仿真训练起到了很好的作用。学生在仪器操作之前，先进行仪器操作仿真训练，掌握仪器的组成和操作，对后面的仪器实验起到事半功倍的效果。不同化学类专业的学生，可以根据不同专业的仪器需求进行选择性的仪器仿真模拟训练，针对性强，选择自由，效果良好。

2.1.3 基础化学实验仿真模块

基础化学实验仿真模块，包括无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等实验项目。针对化学专业，开设基础化学实验仿真项目，学生学习仿真操作、录制微课视频，并分组讲解讨论。从概念理解、课堂演示、报告撰写、教学反思等方面加以提高，增强学生的实践应用能力。在教学过程中，采用翻转课堂等教学方法，互动性强，提高了学生的课堂积极性和学习效果。

2.1.4 化工操作仿真模块

化工操作仿真模块主要为应用化学专业设计，包含精馏塔、填料吸收、恒压过滤、传热等基本单元操作和催化裂化工艺、乙醛氧化制乙酸工艺和葡萄酒生产工艺等综合实验项目。葡萄酒生产工艺仿真和乙醛氧化制乙酸工艺仿真实验克服了学生学习大型生产工艺时进厂参观和实践的困难，通过计算机软件仿真模拟使学生身临其境，深入学习生产工艺和操作要点，培养学生的应用实践能力。

2.1.5 材料化学仿真模块

材料化学仿真模块主要为材料化学专业设计，包含聚氯乙烯工艺仿真实验、储氢材料仿真和聚烯烃反应机理仿真等综合实验项目。储氢材料仿真[15]和聚烯烃反应机理仿真[16]是根据老师们的科研成果转化的仿真训练项目，结合最新科研动态，培养学生与时俱进的科研素养。

五个仿真模拟模块体系相辅相成，对于化学类不同专业选择自由，重点突出。对于实验室安全及考试模块和大型分析仪器仿真两个模块，三个专业的学生都需要进行针对性的训练。而对于其它三个模块，化学专业侧重于基础化学实验仿真模块，应用化学专业侧重于化工操作仿真模块，材料化学专业侧重于材料化学仿真模块。通过实际教学运行，起到了良好的培养效果。

图1 聚氯乙烯分子结构示意图Fig.1 Schematic diagram of molecular structure of polyvinyl chloride

下面以聚氯乙烯工艺仿真为例，介绍仿真模拟实验的教学过程及效果。氯乙烯的聚合方法在化学工业生产中，目前以悬浮聚合为主，少量采取乳液聚合法，仿真模拟实验流程采用悬浮聚合仿真法。聚氯乙烯(图1)具有价格便宜、化学稳定性好等优点，广泛应用于化工、汽车、日用化学品等行业，与材料化工行业息息相关。聚氯乙烯在生产过程中需要真空条件、大型的实验设备、生产工艺流程复杂，所以高校实验室并不具备开展此实验的条件，学生不能得到充分地训练，而仿真模拟实验起到了很好的训练效果。仿真模拟实验的组织教学分为实验前预习、实验中操作和实验后总结报告三个阶段。

实验前，先让学生带着问题进行预习，例如：“温度高于多少度时，聚氯乙烯开始降解？”“本次实验制备聚氯乙烯采用的工艺是什么？”自主学习聚氯乙烯生产工艺、分组讨论汇报，并提交预习报告。指导教师根据学生们的预习情况，进行针对性的讲解，让学生了解聚氯乙烯生产的背景、现状，熟悉聚氯乙烯工艺过程和生产工艺，了解聚氯乙烯工艺主要工作岗位的工作方法、工艺、技术标准要求、质量验收标准及安全防范措施，为上机实验做好准备。

实验中，学生学习聚氯乙烯工艺设备性能参数及操作规程；学会软件中的操控画面、阀门启闭与调节，能根据操作要求对操作参数进行设置；并且能够独立操作仿真软件，完成聚氯乙烯工艺的全过程(图2)。实验内容包括开车准备、反应器注料、反应温度控制、聚料的成品处理、废水汽提工段、回收工段等过程。实验过程中，让学生体会反应器注料的速度、温度等对实验结果的影响。为了与实际生产更紧密的结合，实验过程中模拟突发情况的处理，例如冷却水中断、泵故障、停电事故等。让学生正确分析和处理操作中出现的问题，培养学生分析并解决问题的能力。

图2 聚氯乙烯工艺仿真图Fig.2 PVC process simulation diagram

实验中同学们操作的结果有较大差别，30%以上的同学初次操作得分在80分以上，这些同学预习充分、操作规范，能够顺利得到合格的产品；大部分同学初次操作得分在60～80分之间；也有极个别同学，初次操作得分不及格，这些同学往往预习不充分，操作急躁，由于系统的惯性，使得生产情况超出基本限度，发生报警，最后生产出不合格产品，甚至导致设备故障。初次操作不合格的同学，可以重复操作，改正缺点、减少失误，直到得到合格的产品。总之，任何一位同学都可以通过重复操作，熟悉工艺流程、模拟探索。

实验后，学生根据自己实验操作情况撰写实验报告，总结经验教训。仿真实验让学生们学会了工厂的相关设备的开关车流程，在仿真模拟训练中总结了生产操作的经验，吸取失败的教训，从思考、失败、再思考中受到训练，培养了学生的应用实践能力，为以后走上生产岗位打下了良好的基础。通过近几年的实践，学生的实验规范操作和实践能力明显增强，实现了从学生到应用实践人才的转变，学生们毕业后到相关企业能够更快更好的进入角色，受到用人单位的好评。

2.2 完善仿真模拟教学体系的考核环节

实验考核是检验学生学习效果的重要手段，仿真模拟教学中采用项目成绩综合测评的方法，根据不同的实验项目，由实验预习、上机实验操作、实验报告等环节组成。重点关注实验课前预习效果和实验预习报告的规范性，仿真设备正确运用程度，实验操作过程中工艺流程的正确性和规范性，设备操作的规范性，实验报告的文本格式规范性，实验结果的讨论等。结合课程特点以及目标，增加系统结果输出、课程设计等多种评价方法，增加考核体系的灵活性，提高考核的效果，注重考察工业实践能力。

2.3 科研带动化学仿真模拟实验教学

结合大学生创新创业项目和毕业论文，开展“仿真模拟创新实践课”，组织学有余力、有科学研究兴趣的同学尽早进入实验室，接受仿真模拟科研实践素养培训。我院有五位老师专门从事化学仿真模拟相关的科研工作，搭建了专门的由高性能计算机组成的仿真模拟实验和计算化学实验室，积累了丰富的虚拟仿真网络实验教学资源，实现辅助教学和网络智能管理。老师们申请了多项与化学模拟相关的国家级和省级科研基金项目，也乐于为学生传授先进的模拟实验方法和仿真技术手段。在老师们的指导下，近年学生们申请获批多项与仿真模拟相关的国家级和省级“大学生创新创业项目”，起到了很好的培养效果，增强了学生的科研素养和创新能力，很多学生顺利考研到985、211和双一流等重点院校进一步深造。

3 结 语

通过整合优化原有模拟实验课程，我院构建了化学类分专业、分模块的仿真模拟教学体系。在运行过程中把仿真模拟课程教学和大学生创新创业项目、毕业论文有机结合起来，注重创新和实践能力的培养训练，不断提高人才培养的质量。通过近几年的实践，特别是疫情期间，化学类仿真模拟教学体系起到了很好的教学效果，学生们多次在大学生创新创业项目、挑战杯、全国大学生化工设计竞赛中取得优异成绩，各专业的毕业生就业率都保持在90%以上，在推进专业实践教学改革、提高教学质量上起到了示范作用。