天大金课 | “可视化”“容错式”加压氢化反应的虚拟仿真实验

天津大学始终把本科教育放在核心地位，注重课程建设和课程管理。在教育部公布的首批国家级一流本科课程中，学校共有45门课程获得认定。为进一步提升课程建设质量，分享一流课程建设经验，特开辟“天大金课”专栏，让我们一起走进这些“金课”课堂吧！

项目介绍

加压氢化作为一种重要的技术与手段，具有反应收率高、原子经济性高、污染少等特点，在化学、化工、材料科学等领域均有广泛应用。由于涉及使用易燃易爆气体、高压釜等特种设备等，难以在教学中广泛开展。本项目以三位诺贝尔奖获得者在氢化反应领域的相关工作为基础，开展虚拟仿真实验。通过项目的实施，将拓展实践教学，锻炼学生的基本操作、研究设计以及创新能力。同时，使学生体会重大发现及应用过程，培养学生人文素质和创新意识。

项目网址：http://www.ilab-x.com/details/v4?id=4895&isView=true

课程目标

氢化反应种类繁多，从学生知识学习和能力培养的角度出发，本项目以三位诺贝尔奖获得者Paul Sabatier，Geoffrey Wilkinson，Ryōji Noyori（野依良治）的工作为基础，选择三类典型的催化剂（非均相金属催化剂，均相催化剂，含手性配体催化剂），通过虚拟仿真实验，从易到难、从简入繁、从知识学习到仿真操作、从模仿到优化设计，对学生进行的全方位训练。通过虚拟仿真实验，预期达到以下教学目的：

按照安全规程要求使用危险气体及高压设备，培养学生安全意识；

仿真操作加压装置，培养学生基本动手能力；

完成参数设计实验，培养学生探究设计能力；

利用控制变量法设计优化条件，培养学生自主研究能力；

体会科学家重大发现和研究成果的应用，培养学生人文素质和创新意识。

项目团队

项目依托于：化学化工国家级实验教学示范中心（天津大学）；化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心（天津大学）；天津大学理学院；国家级及天津市教学团队；北京欧倍尔软件技术开发有限公司。

课程建设情况

 本项目已取得软件著作权。并于2020年11月获批虚拟仿真实验教学一流课程。目前本校应用化学专业学生都会在虚拟仿真实验中心进行为期一周的生产实习课程，目前已累计有700人次左右进行学习，同时在天津城建大学应用化学专业200人左右的学生已进行三年的示范教学，其中实验内容之一的加压氢化反应的虚拟仿真实验，如图10所示在教学部的实验空间网站上已有1780人包括天津、新疆、辽宁、重庆、湖南、山东、湖北、甘肃、黑龙江、上海，10地区14所高校参与本实验操作。

项目特色

（1）实验方案设计思路：

在实验内容的选取上，基于三位诺贝尔奖获得者的工作，选择三种典型的催化剂进行实验。实验的产物由大化工产品到精细化学品，由简单到复杂，从平面到立体。实验内容的选取上，时间跨度大，产品覆盖面，适用性强，便于项目的使用与推广，示范性良好。

（2）教学方法：

在教学方法上，从易到难，从简入繁，从知识学习到仿真操作，从模仿设计到自主研究, 适用于不同层次和水平的学生学习,有利于以学生为中心方式进行教学; 从“仿真操作，自主学习”到“指导设计，自主验证”,再到“任务驱动，自主研究”,多种手段与方法结合, 巩固了学生基础理论知识，培养了学生实际操作能力、分析解决问题能力、提升了学生的研究设计能力和创新能力。

在不同的仿真实验过程，学生将根据软件运行过程中提示的要求，完成不同实验任务，若操作出现严重失误会出现爆燃等场景，则实验失败需要重新实验。在化学反应阶段会展示分子运动视频，让学生从微观角度观察化学反应。

（3）评价体系：

在评价体系上，根据项目实施的不同层次，不同目的，不同要求，设置不同的评价体系和标准。从注重基本知识及基本操作的规范，到实验设计能力，再到分析和判断等综合能力。

（4）传统教学的延伸与拓展:

在传统的理论教学中，很多环节与过程涉及到加压氢化过程，但只有进入专业实验室后才会有所接触。项目的实施与开发，增加理论与实际相联系的机遇，丰富和拓展了传统的教学。

学生评价

评价主要包括学生评价，校外评价，以及教师评价。学生评价主要是在实验报告以及慕课网站的评价，大部分学生希望能够继续开展类似课程，通过学习本课程巩固了之前学习化学及化工原理的相关知识，应用到了自己学过的知识，同时认识到自身不足，并通过本次课的学习增强了对化学化工安全意识，并能够对之后工作学习提供帮助。

编辑：潘泽悦

审核：陈胜蓝  成雷鸣