郭曉峰，王少鋒，王 帥，呂亮國(guó)，袁 博，譚 心

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

近年來(lái)，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命與中國(guó)加快轉(zhuǎn)變制造業(yè)發(fā)展方式形成歷史性交匯，面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展浪潮，流程企業(yè)需利用這些新技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型。此同時(shí)，新形勢(shì)下相關(guān)企業(yè)對(duì)專業(yè)人才的工程實(shí)踐知識(shí)和綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力提出了更高的要求，不僅需要學(xué)生掌握單個(gè)機(jī)器和設(shè)備的設(shè)計(jì)，而且需要學(xué)生具有集成成套裝備的能力。

“過(guò)程裝備成套技術(shù)”是針對(duì)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門與工程實(shí)際緊密結(jié)合的綜合性專業(yè)課程，其是以工藝生產(chǎn)過(guò)程為主線，以增強(qiáng)學(xué)生“系統(tǒng)”觀念和工程意識(shí)為目標(biāo)，將過(guò)程工藝、過(guò)程裝備與過(guò)程控制等三大知識(shí)體系相結(jié)合，課程涉及的知識(shí)面寬，且具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與綜合性。目前，由于該課程的特殊性，很難在課內(nèi)開(kāi)展過(guò)程裝備成套裝置的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)，隨著虛擬仿真技術(shù)的興起，國(guó)內(nèi)許多教育研究者將傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，相繼開(kāi)展了一系列教育教學(xué)改革的探索與嘗試，并提出了理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的混合式課程教學(xué)方法[1-3]。目前，這一新型的教學(xué)方法豐富了課程教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)涵，重構(gòu)了課堂教學(xué)，使學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐，做到了對(duì)所學(xué)課堂內(nèi)容的二次或多次梳理和消化，這極大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)間和空間，并有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。基于此，詳細(xì)探討了過(guò)程裝備成套技術(shù)混合式課程的建設(shè)思路，闡述了虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的混合式課程創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。

1 “過(guò)程裝備成套技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及改革需求

目前，“過(guò)程裝備成套技術(shù)”課程在內(nèi)蒙古科技大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)第七學(xué)期開(kāi)設(shè)。學(xué)生在學(xué)習(xí)化工原理、壓力容器及過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)、過(guò)程流體機(jī)械、過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用等先修課程的基礎(chǔ)上，該課程以工藝生產(chǎn)過(guò)程為主線，將工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備和管道設(shè)計(jì)、過(guò)程控制設(shè)計(jì)相結(jié)合，把學(xué)生在大學(xué)前三年所學(xué)到的各類自成體系的知識(shí)進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián)與集成，使分散的知識(shí)系統(tǒng)化，從而形成完整的現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)的概念。課程教學(xué)內(nèi)容從新產(chǎn)品生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境評(píng)價(jià)、機(jī)器和設(shè)備的選型、工藝參數(shù)的自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)與選擇、管道設(shè)計(jì)、絕熱與防腐蝕設(shè)計(jì)，直到裝置的安裝、檢驗(yàn)及試車，課程講授內(nèi)容廣泛涵蓋了化工機(jī)械、電氣、儀表、暖通、土建、財(cái)務(wù)等各種專業(yè)知識(shí)，這使得課程具有極強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性[4-5]。這一特點(diǎn)客觀上要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程過(guò)程中能夠由專業(yè)理論知識(shí)聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，并從實(shí)踐中獲取更多的創(chuàng)新知識(shí)。然而，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，受限于實(shí)驗(yàn)成套裝置規(guī)模較大，使得過(guò)程裝備成套裝置的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)往往難以在課內(nèi)開(kāi)展，我?！斑^(guò)程裝備成套技術(shù)”課程多采用理論教學(xué)與課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的形式完成。近年來(lái)，通過(guò)教學(xué)過(guò)程監(jiān)控和課后考核發(fā)現(xiàn)：由于學(xué)生知識(shí)面偏窄，且理論教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)結(jié)合不夠緊密，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程存在脫節(jié)現(xiàn)象，這就從客觀上需要改變傳統(tǒng)、單一的教學(xué)方式和方法[6]。

隨著我國(guó)信息化、智能化和工業(yè)化深度融合的不斷推進(jìn)，過(guò)程工業(yè)不僅需要學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出相關(guān)過(guò)程單元設(shè)備與機(jī)器，而且要求其能夠?qū)⒏鞣N單元設(shè)備集成為過(guò)程成套裝備，即過(guò)程工業(yè)越來(lái)越需要高校培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才。人才培養(yǎng)的創(chuàng)新，客觀上需要課程先行。“過(guò)程裝備成套技術(shù)”作為一門提升學(xué)生（相關(guān)）專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的專業(yè)核心課程，當(dāng)前的教學(xué)形式與手段難以達(dá)到預(yù)期的課程教學(xué)目標(biāo)和效果。鑒于此，為了進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)對(duì)工程應(yīng)用型人才的實(shí)際需求，亟需開(kāi)展課程的教學(xué)，尤其是實(shí)踐教學(xué)改革。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)“過(guò)程裝備與控制工程”專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)掌握過(guò)程工藝原理、裝備與控制等多學(xué)科基礎(chǔ)理論知識(shí)和技能，能夠在能源、電力、石油化工、機(jī)械、煤化工、醫(yī)藥、食品、新材料等相關(guān)領(lǐng)域從事過(guò)程裝備的研究開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)制造、監(jiān)測(cè)檢測(cè)、運(yùn)行維護(hù)和項(xiàng)目管理等方面工作的高素質(zhì)應(yīng)用研究型人才。為了有效破解實(shí)驗(yàn)器材、儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)較少和實(shí)驗(yàn)成套裝置規(guī)模較大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題，專業(yè)基于智能制造數(shù)字孿生教育平臺(tái)FABDT，自主開(kāi)發(fā)了以高純氫還原三氯氫硅制多晶硅生產(chǎn)過(guò)程為主線的過(guò)程裝備成套技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括多晶硅生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型與布置、管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置、成套裝置可行性分析與評(píng)價(jià)等四個(gè)方面。

2.1 多晶硅生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

在過(guò)去的20 年間，國(guó)內(nèi)外多晶硅生產(chǎn)工藝多采用改良西門子法，其原理是在1100 ℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上[7]，工藝流程如圖1 所示。針對(duì)這一工藝方法，確定整個(gè)生產(chǎn)流程中各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的具體工藝、順序和組合方式，以便實(shí)現(xiàn)由材料制得所需的目標(biāo)產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，繪制工藝流程圖，如圖2（a）所示，即用圖解的方式表示各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的物料和能量變化、流向，以及所采用的設(shè)備、閥門和控制儀表等。

圖1 高純氫還原三氯氫硅制多晶硅工藝流程圖

圖2 高純氫還原三氯氫硅制多晶硅過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)

2.2 設(shè)備選型與布置

基于多晶硅生產(chǎn)工藝流程，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要涉及兩類裝備，即靜設(shè)備和動(dòng)設(shè)備。其中，靜設(shè)備主要包括換熱器、合成塔、還原爐和儲(chǔ)罐等；動(dòng)設(shè)備又包括泵、壓縮機(jī)和離心機(jī)等。這些設(shè)備所涉及的種類繁多，并且各設(shè)備的功能和型號(hào)各不相同，如何選擇合適的機(jī)型，并將各種設(shè)備、管道與儀表貫穿起來(lái)，直接決定了生產(chǎn)過(guò)程能否長(zhǎng)周期高效率運(yùn)行，這也是傳統(tǒng)理論教學(xué)的難點(diǎn)。對(duì)于學(xué)生而言，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以查看各種設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，明確各種設(shè)備的作用與用途，并進(jìn)行各種設(shè)備的選型與空間布置，如圖2（b）所示。這一模塊打破了傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間上的局限，有效地提升學(xué)習(xí)的廣度和深度。

2.3 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置

過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)是以流程性物料為原料，經(jīng)過(guò)一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，最終生產(chǎn)具有特定使用價(jià)值的產(chǎn)品[4]。要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，管道是實(shí)現(xiàn)物料輸運(yùn)所不可或缺的重要組成部分。在學(xué)生完成了設(shè)備選型與空間布置后，還需要將各種管線連接到相關(guān)設(shè)備的接管上，從而完成管道連接（如圖2（c）所示）。在這一模塊，學(xué)生可以通過(guò)布置管線的空間走向，進(jìn)一步明確工業(yè)管道的組成、選型、設(shè)計(jì)要求與程序，并為管道空視圖的繪制提供重要指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，比較不同管道設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，進(jìn)而理解管道設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

2.4 多晶硅生產(chǎn)裝置的可行性分析與評(píng)價(jià)

在對(duì)多晶硅生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備選型與布置、管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置完成的基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)境、健康和安全等方面進(jìn)行項(xiàng)目的可行性分析與評(píng)價(jià)（圖3），并結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)估算項(xiàng)目的總成本，以便加強(qiáng)學(xué)生在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)責(zé)任等方面的培養(yǎng)。

圖3 多晶硅生產(chǎn)裝置的可行性分析與評(píng)價(jià)內(nèi)容

3 混合式教學(xué)的創(chuàng)新與實(shí)踐

3.1 理論課程教學(xué)

在課堂教學(xué)中教師進(jìn)行過(guò)程裝備成套技術(shù)基本知識(shí)的講授，主要包括項(xiàng)目可行性研究與評(píng)價(jià)、工藝流程開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、過(guò)程裝備設(shè)計(jì)、選型與布置、管道設(shè)計(jì)與布置、絕熱和防腐設(shè)計(jì)、過(guò)程設(shè)備安裝、試車、驗(yàn)收及典型過(guò)程裝置實(shí)例等內(nèi)容。課程中段安排進(jìn)行管道應(yīng)力分析、管道柔性設(shè)計(jì)等實(shí)踐和理論相結(jié)合的學(xué)習(xí)活動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

眾所周知，化工成套裝備千差萬(wàn)別，樣數(shù)千奇百怪，想要短期內(nèi)以工藝生產(chǎn)過(guò)程為主線將實(shí)際生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)串成一體，其難度可想而知。為了更好地實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)目標(biāo)，在傳統(tǒng)理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以多晶硅生產(chǎn)過(guò)程為主線，將工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型與布置、管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置和可行性分析與評(píng)價(jià)等內(nèi)容有機(jī)融入教學(xué)過(guò)程（圖2）。這有助于將枯燥的理論知識(shí)直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教材內(nèi)容的理解與掌握，同時(shí)有效地提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

3.3 拓展與企業(yè)實(shí)際需求相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在開(kāi)設(shè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（圖2）基礎(chǔ)上，學(xué)生可以從自身興趣和生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，以企業(yè)和市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在時(shí)間自主、空間自由和實(shí)現(xiàn)安全、便捷方面的優(yōu)點(diǎn)，基于FABDT 虛擬仿真平臺(tái)，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的二次開(kāi)發(fā)，這有效推動(dòng)了“虛擬與現(xiàn)實(shí)”“教學(xué)與科研”之間的相互融合與相互促進(jìn)。近年來(lái)，學(xué)生已開(kāi)展了多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中氯硅烷分離提純、合成氣干法分離和四氯化硅冷氫化等工藝過(guò)程的虛擬仿真系統(tǒng)搭建，上述實(shí)踐活動(dòng)落實(shí)了“以學(xué)生為中心”“應(yīng)用創(chuàng)新為牽引”的教學(xué)理念。

3.4 課下討論、答疑和測(cè)試模塊

在課程學(xué)分受限的情況下，為了更好地豐富課程教學(xué)內(nèi)容，并引導(dǎo)學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式由老師講授為主導(dǎo)向?qū)W生為主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變，課程基于前期開(kāi)發(fā)的慕課教學(xué)平臺(tái)[8]，增設(shè)了老師與學(xué)生之間的互動(dòng)。針對(duì)每一章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，教師提出了具體的討論題目，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的練習(xí)，及時(shí)幫助學(xué)生消化每一章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容。對(duì)于難點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)生可以在互動(dòng)討論區(qū)與老師、同學(xué)進(jìn)行交流，及時(shí)得到必要的外部支持。同時(shí)，學(xué)生可以在線提交作業(yè)、參加課程問(wèn)卷和參與在線測(cè)試，課程線上討論、答疑和測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)示例如圖4 所示。

圖4 線上討論、答疑和測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)示例

3.5 教學(xué)改革的評(píng)估與體系完善

“過(guò)程裝備成套技術(shù)”課程是過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)重要的核心課程，也是畢業(yè)設(shè)計(jì)以及工作中都要應(yīng)用的一門課程，其重要性不言而喻。對(duì)于本課程的教改，為慎重起見(jiàn)，授課教師采用對(duì)比組的形式進(jìn)行改革試點(diǎn)，即將部分參與教學(xué)改革的學(xué)生組和不參與教學(xué)改革的學(xué)生組的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。教學(xué)當(dāng)中要收集相關(guān)資料，如：學(xué)生的裝備設(shè)計(jì)資料、教學(xué)資料和模型、教學(xué)過(guò)程記錄、教學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告；收集學(xué)生的成績(jī)單、教師和學(xué)生的心得體會(huì)、教師評(píng)價(jià)和學(xué)生的自我評(píng)價(jià)及教學(xué)總結(jié)報(bào)告。分析所得的數(shù)據(jù)，開(kāi)展教學(xué)改革總結(jié)，并修正教學(xué)實(shí)踐改革中所出現(xiàn)的問(wèn)題和不足，完善改革措施，為全面推行新的教學(xué)體系做好充分的準(zhǔn)備。

4 結(jié)語(yǔ)

“過(guò)程裝備成套技術(shù)”的課程特點(diǎn)客觀上需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式和方法。以學(xué)生為主體，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將傳統(tǒng)理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，詳細(xì)介紹了過(guò)程裝備成套技術(shù)混合式課程的建設(shè)思路，闡述了虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹了理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的混合式課程創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。實(shí)踐證明：混合式課程重構(gòu)了課堂教學(xué)，豐富了課程教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)涵，擴(kuò)展和延伸了傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)間和空間，其讓課堂充滿彈性。本研究探討一種先進(jìn)的教學(xué)方法和相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為新時(shí)期下過(guò)程裝備成套技術(shù)課程教育教學(xué)新體系的改革提供參考和借鑒。該教學(xué)方法符合目前一流課程和一流專業(yè)的建設(shè)需求，滿足專業(yè)認(rèn)證中持續(xù)改進(jìn)的要求，其使該課程教育教學(xué)效果達(dá)到一個(gè)新高度，對(duì)持續(xù)提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力具有重要的指導(dǎo)意義。