王 筠 楊 可 陳泳興

(周口師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,河南 周口 466001)

自2017年以來,為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革,教育部先后發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》等建設(shè)導(dǎo)向文件,積極推進(jìn)新工科建設(shè),探索中國特色工程教育模式,助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)。在全國高校中開展新工科建設(shè)是深入貫徹黨的十九大精神,全面落實(shí)新時(shí)代全國高校本科教育工作會(huì)議有關(guān)要求的重要舉措。新工科更注重學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性,符合未來人才發(fā)展方向,其中人工智能類、大數(shù)據(jù)類和智能制造類等專業(yè)備受關(guān)注[1]。那么,對(duì)于傳統(tǒng)工科來說,如何把握機(jī)遇,挖掘出與新工科建設(shè)的契合點(diǎn)并形成協(xié)同發(fā)展就成了下一步研究的工作重點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的迅速發(fā)展,計(jì)算機(jī)仿真軟件在交互性、生動(dòng)性、直觀性等方面取得了巨大的進(jìn)步。先后出現(xiàn)了動(dòng)畫仿真、可視交互仿真、虛擬環(huán)境仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等一系列新的仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)[2]。展示形式從二維到三維,從單純演示到互動(dòng)操作,從屏幕顯示到場景沉浸。從而可完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)中由于資金不足、場地有限、不可重現(xiàn)、操作中存在危險(xiǎn)、有毒環(huán)境等條件限制而無法完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[3]。信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的深度融合破解了高校實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中的老大難問題,解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題[4]。

1 目前化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的突出問題

1.1 教材更新慢,教材內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)

化工行業(yè)發(fā)展隨著科技進(jìn)步日新月異,再加上國家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和安全生產(chǎn)要求日趨嚴(yán)格,新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備不斷應(yīng)用于化工生產(chǎn)。而化工教材講義大多是幾年甚至十幾年前的,沒有及時(shí)更新。特別是教學(xué)內(nèi)容缺失了對(duì)新工藝新技術(shù)的講解,使得學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中未能及時(shí)學(xué)習(xí)到當(dāng)前化工領(lǐng)域的新知識(shí)。例如書本上介紹硫酸生產(chǎn)工藝,仍然以煅燒硫鐵礦為例,而實(shí)際生產(chǎn)中由于環(huán)保要求日趨嚴(yán)格,而硫鐵礦制酸有周期長、污染較多、排污處理成本高等缺陷,目前采用硫鐵礦制酸產(chǎn)量已經(jīng)下降至20%以下,冶煉氣制酸、硫磺制酸工藝得到廣泛應(yīng)用。這充分反映出教材更新慢、教材內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)的矛盾。

1.2 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量不足、實(shí)訓(xùn)設(shè)備落后老化

由于高校擴(kuò)招及新建專業(yè)的增設(shè),學(xué)生數(shù)量越來越多,但是實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量卻沒有跟上。另外受實(shí)驗(yàn)室面積所限,無法容納更多的設(shè)備臺(tái)套數(shù)和更多學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。此外,一些設(shè)備陳舊老化嚴(yán)重,甚至使用年限已到達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),卻還在用于教學(xué)。這些問題不僅影響實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量,更有可能會(huì)造成安全隱患。

1.3 校外實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)不足,企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)效果不理想

因?yàn)樾Ｍ鈱?shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)不足,學(xué)生實(shí)習(xí)工作難免捉襟見肘?？紤]到化工企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn),具有一定的危險(xiǎn)性,學(xué)生參與實(shí)習(xí)的積極性不高。大部分化工生產(chǎn)工作崗位須嚴(yán)格培訓(xùn)和持證上崗,企業(yè)出于對(duì)生產(chǎn)和實(shí)習(xí)學(xué)生安全的考慮,禁止學(xué)生在生產(chǎn)現(xiàn)場操作和貼近生產(chǎn)流程觀察,因此學(xué)生們常常走馬觀花,難以深入了解企業(yè)的工藝原理和操作流程,實(shí)習(xí)質(zhì)量無法保證。

基于以上原因,近年來我院化工專業(yè)在開展實(shí)踐課程教學(xué)中,不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),探索利用虛擬仿真技術(shù)來填補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)中的一些空白,取得了一定的教學(xué)成果。

2 新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在我院化工專業(yè)實(shí)踐課程中的建設(shè)與應(yīng)用

2018年我院化學(xué)工程與工藝專業(yè)數(shù)位老師組建了虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊(duì),研討實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選題,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo),豐富知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。聯(lián)合北京東方仿真公司進(jìn)行技術(shù)開發(fā),實(shí)現(xiàn)教學(xué)軟件界面友好、響應(yīng)快捷、操作簡單等功能。經(jīng)過近3年的建設(shè)積累,取得了一些成績。建成校級(jí)虛擬仿真教學(xué)中心平臺(tái),立項(xiàng)主持1項(xiàng)省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、1項(xiàng)省級(jí)虛擬仿真一流課程、1項(xiàng)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、2項(xiàng)校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目。依托該教學(xué)中心,3年來服務(wù)學(xué)生總數(shù)約1 200人,60余名學(xué)生參與全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、化工原理實(shí)驗(yàn)大賽、大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽,獲得各級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。在建設(shè)中我們團(tuán)隊(duì)主要圍繞以下3點(diǎn)開展工作。

2.1 創(chuàng)新虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

為了申請(qǐng)化工專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證,團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí),突出創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì),建設(shè)滿足“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程,構(gòu)建綜合性、研究性仿真問題情境,開展基于問題、案例的互動(dòng)式、研討式教學(xué),倡導(dǎo)自主式、探究式學(xué)習(xí),探索智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。開發(fā)了基于超導(dǎo)核磁共振氫譜儀Bruker400教學(xué)操作與日常維護(hù)3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、化工實(shí)驗(yàn)室安全管理與事故處理3D虛擬仿真等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 注重現(xiàn)代教育技術(shù)手段的應(yīng)用

虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)注重信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)深度融合,充分利用多媒體音視頻、Virtual Reality、Augmented Reality等各種媒介。按照智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念,規(guī)范設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程、算法、場景呈現(xiàn)、多維度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、知識(shí)點(diǎn)考核等要素,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。基于此,我院與東方仿真公司、杭州百子尖科技股份有限公司共建現(xiàn)代智能化工廠VR教學(xué)體驗(yàn)系統(tǒng)和桌面智能仿真工廠精餾工藝,用于大一新生的專業(yè)導(dǎo)論課程體驗(yàn)和大四專業(yè)實(shí)習(xí)中校內(nèi)實(shí)訓(xùn)階段教學(xué)。

2.3 持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),修訂了2020版人才培養(yǎng)方案,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入人才培養(yǎng)方案,制訂教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法。依據(jù)《周口師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)指導(dǎo)意見》要求,達(dá)成度評(píng)價(jià)小組成員討論并設(shè)置了該課程目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)機(jī)制。確定和審查課程體系與畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度矩陣;確定和審查各課程的教學(xué)大綱;開展課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià);收集數(shù)據(jù),實(shí)施評(píng)估,撰寫報(bào)告,提出持續(xù)改進(jìn)要求。在評(píng)價(jià)過程中把教學(xué)條件作為課程建設(shè)的基礎(chǔ),把過程管理作為課程建設(shè)的保證,把實(shí)際效果作為課程建設(shè)的根本,三者結(jié)合起來,進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 結(jié)語

綜上所述,虛擬仿真軟件解決了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目條件中涉及高危環(huán)境、高成本、高消耗、高費(fèi)用等問題,提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目。后續(xù)我們將持續(xù)建設(shè)線上教學(xué)平臺(tái),依靠穩(wěn)定安全、開放共享的可持續(xù)運(yùn)行模式,進(jìn)一步向省內(nèi)外各高?；I(yè)學(xué)生、企事業(yè)單位等推廣項(xiàng)目教學(xué)成果。