段亨攀 胡承波 劉紅盼 王維勛 楊和山 黃孟軍

摘? ?要：化工實(shí)驗(yàn)以化工設(shè)備為依托，對(duì)設(shè)備的正確認(rèn)知和操作是化工實(shí)驗(yàn)課程開展的重要內(nèi)容。由于化工設(shè)備結(jié)構(gòu)龐雜，傳統(tǒng)的圖文教學(xué)資料對(duì)設(shè)備表達(dá)不夠清晰、抽象難懂，難以滿足初學(xué)者對(duì)化工實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)需求。提出了化工實(shí)驗(yàn)“線上線下”教學(xué)模式，即以“線上”設(shè)備認(rèn)知、軟件仿真和“線下”現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為一體的教學(xué)方式，幫助學(xué)生深入理解化工設(shè)備結(jié)構(gòu)、裝配原理及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程。以此提高學(xué)生對(duì)化工實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：化工實(shí)驗(yàn);線上線下;教學(xué);虛擬仿真

化工實(shí)驗(yàn)是對(duì)化工原理知識(shí)的檢驗(yàn)和實(shí)踐，是化學(xué)、化工制藥類專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程之一?；?shí)驗(yàn)課程主要涉及流體輸送、傳熱、過濾、吸收和精餾等單元操作，這些單元操作均以化工設(shè)備為載體，而化工設(shè)備裝配復(fù)雜、控制點(diǎn)繁多，正確的設(shè)備操作是實(shí)驗(yàn)過程安全性和教學(xué)效用最大化的保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以“線上-軟件模擬”結(jié)合“線下-硬件操作”的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式正在被廣泛研究[1]，基于這一背景，并結(jié)合化工實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，本課題提出了化工實(shí)驗(yàn)“線上線下”課程教學(xué)的開展思路。

1? ? 化工實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及教學(xué)實(shí)施情況

1.1? 化工設(shè)備特點(diǎn)

不同于基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，化工實(shí)驗(yàn)的開展需要借助大型的化工儀器設(shè)備，如精餾塔、過濾機(jī)、吸收裝置等，這些設(shè)備尺寸規(guī)模較大，零部件裝配復(fù)雜，管道連接交錯(cuò)，控制對(duì)象涉及溫度、流量、壓力等多個(gè)變量，控制點(diǎn)繁多，實(shí)驗(yàn)操作容錯(cuò)率較低[2]，而且為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和精準(zhǔn)操控，許多化工設(shè)備還配備了各種控制器和顯示儀表，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。因此，在化工實(shí)驗(yàn)開展之前，對(duì)化工設(shè)備的正確認(rèn)知和熟悉十分重要。

由于化工設(shè)備規(guī)模大，在實(shí)驗(yàn)過程中處理的物料相對(duì)較多，加之這些物料大多易燃易爆或有毒有害，實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)容易導(dǎo)致物料泄漏，危險(xiǎn)性增加。有些實(shí)驗(yàn)甚至還需要在較高的溫度和壓力下進(jìn)行，如精餾、超臨界萃取等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)苛刻，不正確的操作可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。此外，化工儀器設(shè)備通常是金屬材質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)過程中難以看清設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物料運(yùn)行情況，不可控因素增加，這些情況不免使得初學(xué)者對(duì)這群“龐然大物”望而生畏。

1.2? 傳統(tǒng)化工實(shí)驗(yàn)課程開展情況

為了提高化工實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效率，課程教師一般會(huì)在實(shí)驗(yàn)前提供化工設(shè)備的說明書及實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程等資料，以供學(xué)生預(yù)習(xí)。但由于化工設(shè)備裝配的復(fù)雜性，這些看似詳盡的二維圖紙材料對(duì)于初學(xué)者來說仍然生澀難懂，在看到儀器設(shè)備實(shí)物之前，還是難以想象出完整的設(shè)備立體裝配結(jié)構(gòu)和物料的控制及流向，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果不佳?；ぴO(shè)備價(jià)格昂貴，維修成本高，大多數(shù)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可提供的化工設(shè)備臺(tái)套數(shù)較少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中難以讓每個(gè)學(xué)生都得到充分的操作學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)[3]。由于對(duì)化工設(shè)備及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行缺乏全面的了解，加之現(xiàn)實(shí)生活中各種化工企業(yè)生產(chǎn)車間爆炸的負(fù)面新聞時(shí)有報(bào)道，容易使學(xué)生對(duì)化工實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生恐懼、抗拒心理，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)過程中過于謹(jǐn)慎，甚至不敢操作設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低、學(xué)習(xí)效果差強(qiáng)人意。另外，有些化工設(shè)備長(zhǎng)期處于老化待修狀態(tài)，為防止實(shí)驗(yàn)教學(xué)事故，有些教師在教學(xué)過程中只做演示講解，而將化工設(shè)備作為模型擺設(shè)，學(xué)生參與化工實(shí)驗(yàn)操作程度低，沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的目的。

2? ? 現(xiàn)代化教學(xué)手段在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

2.1? 化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備表達(dá)方式的多樣化

在計(jì)算機(jī)軟、硬件及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，教學(xué)模式已經(jīng)從傳統(tǒng)的口述和單一的文字視覺傳遞過渡到現(xiàn)在以多媒體為主的多元化課堂，教學(xué)資源也更加豐富[4]?；?shí)驗(yàn)課程的教學(xué)資料不再只是傳統(tǒng)生澀難懂的平面圖文，化工設(shè)備還可以借助三維視圖、動(dòng)畫模擬和設(shè)備實(shí)物錄像等多種手段表達(dá)，細(xì)微的部件組成、復(fù)雜的裝配方式和隱蔽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都可以通過先進(jìn)的視圖和軟件模擬技術(shù)解析呈現(xiàn)。同時(shí)，以手機(jī)為代表的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端使教學(xué)更加便利，學(xué)生可以隨時(shí)隨地獲取和在線瀏覽化工設(shè)備的音視頻和動(dòng)畫模擬等資料，這些豐富的教學(xué)資源可以幫助他們更容易地讀懂化工單元設(shè)備，提高學(xué)習(xí)興趣。

2.2? 仿真模擬與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合

課堂的教與學(xué)正在享受著科技進(jìn)步帶來的紅利，教學(xué)方式不斷朝著多元、高效、便捷的方向發(fā)展，諸如可視化教學(xué)、云課堂等模式日益成熟[5-6]。目前，以理工科為代表的計(jì)算機(jī)軟件仿真課程與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程相結(jié)合的理實(shí)一體教學(xué)模式正在步入高速發(fā)展的階段[7]。基于上述化工設(shè)備和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的特點(diǎn)，化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展如果只是完全依靠實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，教學(xué)效率低，而且實(shí)驗(yàn)過程安全性難以保證。為此，在化工實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)實(shí)施之前，可先通過“在線”的設(shè)備動(dòng)畫模擬認(rèn)知，熟悉設(shè)備的操作流程，同時(shí)，利用虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。這種“線下”現(xiàn)場(chǎng)操作前的“線上”虛擬演練，可以大大提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的效率和實(shí)驗(yàn)過程的安全性。

3? ? 化工實(shí)驗(yàn)“線上線下”課程建設(shè)

3.1? “線上”教學(xué)資源的開發(fā)

化工實(shí)驗(yàn)“線上線下”教學(xué)的開展關(guān)鍵在于“線上”教學(xué)資源的開發(fā)和運(yùn)用。首先，任課教師作為課程的主導(dǎo)者，應(yīng)該主動(dòng)承擔(dān)起化工實(shí)驗(yàn)課程改革和建設(shè)的重任，在“線上”教學(xué)資源的挖掘和課程準(zhǔn)備方面投入時(shí)間精力，多方爭(zhēng)取主管單位對(duì)課程建設(shè)的支持，推進(jìn)課程教研教改。對(duì)于化工設(shè)備結(jié)構(gòu)的線上認(rèn)知教學(xué)，目前，許多網(wǎng)站已經(jīng)共享了各類設(shè)備的圖文、動(dòng)畫和視頻等教學(xué)資源，教師在備課的過程中應(yīng)充分挖掘和收集，避免重復(fù)建設(shè)。值得注意的是，由于不同設(shè)備廠商提供的化工設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能有所差異，籌備的視圖資料應(yīng)盡量與實(shí)際教學(xué)設(shè)備相匹配，當(dāng)然也可以根據(jù)這些現(xiàn)有的視圖資源進(jìn)行二次開發(fā)，制作符合自己教學(xué)實(shí)際情況的教學(xué)資料。此外，還可借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）、3d Max等專業(yè)繪圖軟件，師生合作共同制作化工設(shè)備的視圖教學(xué)資料;特別是CAD工程制圖作為化工專業(yè)的必修課程之一，將不同課程知識(shí)交叉融合、活學(xué)活用，可以有效提高學(xué)生的綜合能力。當(dāng)然，教師還可以通過提前錄制化工設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)視頻，以供學(xué)生在“線上”對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行預(yù)習(xí)和視覺學(xué)習(xí)。

學(xué)校層面應(yīng)該加大對(duì)實(shí)驗(yàn)“線上”課程的建設(shè)和改革力度，支持沖破學(xué)科界線，跨專業(yè)、跨學(xué)科組建教研教改課程團(tuán)隊(duì)，打造在線精品課程。一般來說，化工專業(yè)的教師缺乏計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，而計(jì)算機(jī)專業(yè)的老師又不懂化工知識(shí)，如果將兩個(gè)專業(yè)的老師交叉聯(lián)合，組建化工仿真軟件開發(fā)隊(duì)伍，可以開發(fā)出符合自己學(xué)校特色、學(xué)科特點(diǎn)的設(shè)備模擬仿真軟件，打造教學(xué)示范課程。

此外，通過推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研融合，搭建校企合作的橋梁，校企雙方互惠共贏建設(shè)化工實(shí)驗(yàn)課程的軟硬件精品資源[8]。如在現(xiàn)有的硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和設(shè)備供應(yīng)商合作開發(fā)配套的設(shè)備動(dòng)畫圖，通過透視、解剖和局部放大等表現(xiàn)方法展現(xiàn)設(shè)備完整內(nèi)外結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系和物料運(yùn)行過程。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)目標(biāo)，開發(fā)配套的虛擬仿真軟件，軟件功能包括設(shè)備操作模擬練習(xí)模塊、實(shí)驗(yàn)條件控制和設(shè)備響應(yīng)模塊以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出和結(jié)果分析模塊等。

3.2? 設(shè)備認(rèn)知-虛擬仿真-現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)三位一體的線上線下教學(xué)模式實(shí)踐

與傳統(tǒng)的化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，“線上線下”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式增加了“線上”化工設(shè)備的多媒體認(rèn)知和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?；?shí)驗(yàn)教學(xué)可以從設(shè)備認(rèn)知、虛擬仿真到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次遞進(jìn)開展，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)能“看”懂設(shè)備，模擬仿真時(shí)能熟悉操作步驟、把握實(shí)驗(yàn)規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)能正確操作并達(dá)成預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

實(shí)驗(yàn)前，先要求學(xué)生通過手機(jī)或電腦端在線學(xué)習(xí)化工設(shè)備結(jié)構(gòu)，通過動(dòng)畫圖示充分理解設(shè)備裝配關(guān)系、實(shí)驗(yàn)原理和物料控制方式;然后，利用虛擬仿真軟件在線練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作步驟，研究實(shí)驗(yàn)條件改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響關(guān)系，探索實(shí)驗(yàn)規(guī)律，為“線下”的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作條件設(shè)置提供依據(jù)。此外，利用仿真軟件在線模擬錯(cuò)誤操作引發(fā)的各種實(shí)驗(yàn)后果，通過反面案例闡述實(shí)驗(yàn)正確操作規(guī)程的重要性。只有經(jīng)過在線仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)并考核通過后，學(xué)生才可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作，這種“線上”的可視化實(shí)驗(yàn)仿真訓(xùn)練可以為“線下”的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有序開展提供保障，同時(shí)，還可以通過“線上”、“線下”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，研究造成理論與實(shí)踐數(shù)據(jù)偏差的原因，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

4? ? 結(jié)語

化工實(shí)驗(yàn)的“線上”課程主要涉及化工設(shè)備的可視化認(rèn)知和仿真實(shí)驗(yàn)過程，意在打造生動(dòng)、詳細(xì)、易讀的化工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)指南，幫助學(xué)生在脫離儀器設(shè)備實(shí)物時(shí)也能夠容易地進(jìn)行設(shè)備認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。通過“線上實(shí)驗(yàn)?zāi)M”和“線下實(shí)踐操作”的結(jié)合提高化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

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