《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》课程思政优秀教学设计

“思政引领下氯乙酸虚拟仿真实验国家级一流本科课程教学设计”

化学与环境科学学院  庞秀言  闫芹芹

课程名称：《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》
课程性质：必修
授课对象：化学学院全部专业、生命科学学院生物工程专业
教学方式：线上、线下混合

一、教学目标
1.价值目标
(1)通过介绍化工前辈的创业事迹和杰出贡献,帮助学生树立爱国家、爱社会、爱学校的信念，并在学习中发扬拼搏精神；
(2)结合氯乙酸反应原理、工艺流程、设备布置的教学，培养理论联系实际、崇尚科学、实事求是的态度;
(3)通过工艺流程优化与实施，培养绿色环保、节能、可持续发展的工程理念。
2.知识目标
(1)掌握乙酸与液氯在硫磺催化下合成氯乙酸反应的基本原理；
(2)熟悉原料、中间产物及产品的物化特性；
(3)具备组织、优化氯乙酸生产工艺流程的基本能力；
(4)了解工艺流程布置方案、布局原则；
(5)在任务引领模式下，熟练完成氯乙酸生产工艺认识实习与生产实习操作。
3.能力目标
(1)能够综合运用化学基础理论、原料产品的物理化学特性以及化学工程知识，组织氯乙酸工艺流程；
(2)能够解释液氯储罐、液氯汽化器、氯气缓冲罐以及氯化液结晶釜、离心机、物料仓等设备的布局原理；
(3)基本具备节能、清洁生产、理论联系实际的工程素养。
二、教学内容分析
1.学情分析
学生已经在《无机化学》、《有机化学》、《物理化学》等课程中掌握了反应原理、反应热力学、反应动力学基础知识；在《化学工程基础》理论课程中储备了化工传递工程学及化学反应工程基础知识；在《化工基础实验》中接触到了基本单元操作及设备；但是尚不具备综合运用基础化学知识、化工单元操作知识按照化工生产的绿色、节能的要求组织、优化完整工艺流程的能力。
2.教学重点
(1)乙酸与液氯在硫磺催化下合成氯乙酸反应的基本原理；
(2)原料、中间产物及产品的物化特性；
(3)氯乙酸生产工艺流程的组织、优化；
(4)单元操作设备布置；
(5)氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验认识实习与生产实习操作。
3.教学难点
(1)乙酸与液氯在硫磺催化下合成氯乙酸的反应历程；
(2)氯乙酸生产工艺流程的组织与优化；
(3)氯乙酸生产工艺设备布置。
4.对重点、难点的处理
(1)对于反应基本原理，引领学生运用有机化学知识，解释乙酸与液氯在硫磺催化下合成氯乙酸的反应历程；
(2)对于氯乙酸生产工艺流程的组织、优化，运用反应动力学知识理解液氯汽化、气体的搅拌作用；利用反应热力学知识理解反应的控温、反应器温度控制措施；利用原料、中间产物及产品的冷凝温度、溶解度、凝固点等物理性质的差异，建立回收、分离提纯方法；最终系统组织、优化工艺流程。
(3)对于设备布置，以机械能守恒定律、机械能损失的影响因素为理论指导，遵循节能、安全生产、绿色化学的原则，进行设备布置。
三、课堂组织与实施
1.教学过程
(1)课前
①发布学习资料,布置预习任务
课前至少一周，授课教师在河北大学网络教学平台(http://i.mooc.chaoxing.com/space/index?t=1633999719748)(图1)、实验空间（易思在线）（www.ilab-x.com）向学生发送《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》课程学习相关资料(包括思政案例)（图2)，并提出预习要求。

图1 河北大学网络教学平台《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》课程资料截图

图2 实验空间《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》课程窗口截图
②预习
学生利用河北大学网络教学课程平台、实验空间、实验教材、易思在线（http://www.es-online.com.cn/Default/index.html）等任意一种途径进行课前线上、线下预习。预习资料中融入思政案例，在河北大学82届毕业生现任河北诚信集团有限公司书记、总经理褚现英的创业事迹启迪下，树立爱国家、爱社会、爱学校的信念，并在学习中发扬拼搏精神。
③预习考核
采用局域网模式，线上对学生预习情况进行检查考核。考核成绩80分以上者允许进入实验操作教学环节。预习成绩按照12%计入实验成绩。
(2)课上
①重点、难点引领讲解
采用引领与探究模式，对乙酸与液氯在硫磺催化下合成氯乙酸反应的基本原理、原料中间产物及产品的物化特性讲解，进行氯乙酸生产工艺流程的组织与设备布置，完成氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验的认识实习与生产实习操作操作。此环节可以培养综合运用化学基础理论与化学工程知识，进行化工产品的生产工艺流程组织与优化的解决复杂问题的综合能力，培养理论联系实际的能力与崇尚科学的态度以及绿色生产、可持续发展的工程素养。
②仿真实验操作
在任务引领下，沉浸于3D场景中（图3），依次完成氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验的认识实习与生产实习操作操作。操作成绩按照36%计入实验成绩。通过完成仿真操作，认识化工设计、化工生产的复杂性、严谨性与科学性。同时体会互联网+教育的魅力。

图3 《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》操作
③总结考核
采用局域网模式，线上检查学生的课堂学习效果，成绩按照12%计入实验成绩。
(3)课后
按照实验报告模板要求，学生撰写实验报告，总结感想与收获。指导教师评阅实验报告，进行教学评价、反思。
2.教学方法
(1)充分利用课前、课上、课后教学环节，采用线上、线下混合模式完成教学内容。在完成知识目标的同时，有效切入思政案例，做到知识目标与育人目标相辅相成。例如，在学习通平台上放置氯乙酸生产工艺背景知识与《河北诚信集团有限公司》褚现英的创业事迹，激发学生学习兴趣与拼搏精神，培养爱国、爱社会、爱学习的热情。
(2)在氯乙酸生产工艺流程的组织、设备布置、实验操作的讲解过程，利用基础化学理论、化学工程基础与氯乙酸生产工艺的结合点，培养学生理论联系实际的能力与崇尚科学的态度。例如：在氯化氢的吸收副产盐酸、原料及中间体的冷凝回流、过滤母液的回收处理、利用位能差完成氯化液、结晶悬浮液、滤饼的自动输送等的引领学习中，有意识的培养学生绿色化学与清洁生产的理念，以及过程优化与节能意识。
(3)以学生为中心，采用“引领式”、“探究式”的BOPPPS模式，提高其解决实际问题能力。例如：在解读液氯储罐、液氯汽化器与氯气缓冲罐三个设备直线连接时，引领学生运用流体阻力与机械能损失的知识；对于氯化氢与二氧化硫、氯气、乙酸、二氯化二硫、乙酰氯与氯乙酰氯、惰性气体三类气体混合物，遵循绿色化学、清洁生产理念，引导学生利用气体混合物的常见分离方法，给出冷却、冷凝、回流、吸收、放空的有效分离方法。
3.教学活动设计
《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》的教学设计分为课前、课上、课后三个阶段。教学活动设计如表（1）所示，教学实施流程如图（4）所示。
(1)学生自学《河北大学氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》反应原理、工艺流程、操作规程、《实验空间-氯乙酸3D虚拟仿真软件注册、登录、下载、安装学习程序指导》、《思政案例》等学习资料，进行课前预习。
(2)课前预习考核，检验预习效果，发现预习中存在问题。
(3)课上，采用引领模式，结合学生预习情况与课程重点、难点，进行反应原理（图5）、工艺流程（图6）、设备布置（图7）、操作规则讲解。学生单人、单机，协作、讨论进行实验操作。
(4)实验操作结束，通过总结考核，检验、巩固学习效果；
(5)课后，学生撰写实验报告，进行课程总结、提升；教师评阅报告，进行教学总结、反思。
表1 《河北大学氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》课程教学设计
角色 课前 课上 课后
教师 1.教学内容设计
2.教学资源准备
3.预习效果评价
4.课中教学准备 1.重点、难点讲解
2.学习任务设定
3.问题解决与提升 1.过程成绩评定
2.教学总结与反思
学生 1.了解学习任务
2.学习预设资料
3.课前在线测验 1.独立进行仿真操作
2.完成预设任务
3.协作研究与提高 1.完成课后考核
2.完成实验报告
3.交流学习心得

图4 教学过程实施流程图
   
图5氯乙酸反应原理

图6氯乙酸工艺流程

图7氯乙酸设备布置

4.课程思政理念及分析
化学是一门以实验为基础的科学。化学工程基础实验在化学基础理论与生产实践之间起着桥梁作用。《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》为虚拟仿真实验类国家级一流本科课程。该课程不但可以通过综合运用基础化学、化学工程基础等知识培养学生解决实际问题的能力。同时，化工前辈的创业精神、理论联系实际崇尚科学的案例、绿色环保的发展理念、过程优化与持续发展的意识等一系列丰富的思政素材可以助力学生工程素养及正确的人生观、价值观的培养。
(1)结合教学内容知识背景挖掘化工前辈的创业精神和杰出贡献
《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》工艺背景为《河北诚信集团有限公司》的氯乙酸工艺。公司现有员工4800人，是中国最大的氰化物及其衍生物的生产基地之一。公司已通过质量管理体系认证，环境管理体系认证，职业健康安全管理体系认证和KOSHER食品认证,具有进出口经营自主权，产品远销南北美、欧洲、亚洲、澳大利亚、南非等几十个国家和地区，在国际上享有极高的信誉和知名度。《河北诚信集团有限公司》党委书记、总经理褚现英为河北大学化学系82届毕业生。其自担任河北诚信有限责任公司领导以来，将一个亏损160万元、濒临倒闭的小厂，发展成为年销售额已经达到60多亿元，累计上缴税金16亿元的《河北诚信集团有限公司》。褚现英先后获得“专业技术拔尖人才”、“优秀企业家”、“劳动模范”、“有突出贡献的企业家”、“河北省‘百名杰出企业家’”、“全国劳动模范”称号。为了回报社会与母校，公司每年为河北大学化学与环境科学学院提供20余人的为期一周的全程免费实习。为母校毕业生提供多个就业岗位，每年接收河北大学各专业毕业生不低于20余人次。
(2)结合氯乙酸反应原理、工艺流程的教学，理论联系实际，培养学生的崇尚科学、实事求是的态度
引导学生利用反应动力学知识,确定需要通过传热单元操作,将液氯变为氯气,以便提高反应速度;利用反应热力学知识,根据控温的要求，解释为什么反应需要采用在分程控制下分别通入水蒸汽、冷却水的夹套式釜式反应器;利用有机化学知识，分析从乙酸、氯气到氯乙酸的反应历程。使学生认识到理论学习、理论与实际结合的重要性。
(3)绿色环保的发展理念、过程优化与节能的意识
在吸收氯化氢副产盐酸、原料及中间体的冷凝回流、过滤母液的回收处理、利用位能差值完成氯化液、结晶悬浮液、滤饼的自动输送、为了减少机械能损失而将液氯储罐、液氯汽化器与氯气缓冲罐三个设备进行直线连接的布置等的引导中，引导有意识的培养学生绿色化学的发展理念及科学态度，以及过程优化与节能的意识。
(4)3D虚拟仿真实验手段应用，丰富了学习方式，激发学习兴趣与积极向上的求学态度
逼真的3D工艺场景、身临其境的效果、适宜自学的任务引领模式，使学生感受到了互联网+教育的独特魅力，激发学习兴趣与积极向上的求学态度。
四、教学效果分析
通过对学生的访谈，以及其在提交实验报告中感想与收获中的交流，证实《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》的教学很好地达成了预定知识传授、能力培养以及思政育人目标，也受到了学生的好评（图8）。该课程的实施，既提高了其综合运用基础化学、化学工程基础等知识培养学生解决实际问题的能力，激发了学习兴趣与动力，提升了对化学工业的敬畏之心与热爱，同时，培养了其理论联系实际、崇尚科学的意识、绿色环保与持续发展的工程理念。
《氯乙酸生产工艺3D虚拟仿真实验》课程被认定为虚拟仿真实验类国家级一流本科课程。并代表河北大学申报了由虚拟仿真实验教学创新联盟组织的百门实验教学应用示范课程。同时，该课程为河北大学实验中心、化学与环境科学学院重点建设课程。

图8 学生感想与收获