基于新工科理念的“石化装备设计综合实训”课程改革与实践

林玉娟，丁宇奇，杨志军，刘长海

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318）

0 引言

新经济的发展推动了高等工程教育的 “新工科”建设，从2017年开始，鼓励各种类型的高等院校积极申报新工科类型的研究与实践教学项目，从而为各类地方、行业类的应用型高等院校提供了多个方面的发展机遇和教学改革模式。东北石油大学作为一所国家产、教融合发展的工程应用型的、工科为主的高等院校之一，以及本省的示范性的、应用型的、工科为主的本科高等院校，始终坚持“以本为本”、推进“四个回归”、注重提升质量的创新人才培养机制。

基于新工科理念的应用型人才培养目标是：使学生在个人能力方面基本具备：自主学习专业知识与专业知识应用的能力，分析问题和解决问题的能力，对所从事领域装备的工程设计能力，对所学知识的创造和创新能力等；在团队的合作能力方面应该具备：与团队合作者语言表达与交流的能力、个人理性的情绪控制和管理能力；在全局意识方面应该具备：跨学科、领域的思维能力、系统的思考、判断能力等等。为此，我们将《石化装备设计综合实训》课程作为应用型新工科人才培养体系改革的重点实践课程进行建设和示范，组建了“石化装备设计综合设计”教学团队，按照“三核心、多综合”的综合课程实践构建模式，强化学生的团队协作、工程教育实践、工程设计与知识创新的能力。

1 “石化装备设计综合实训”的构建思路

专业课程体系中的过程装备类课程主要包括：过程原理及设备Ⅱ、过程装备的设计、过程装备成套技术、过程装备制造、过程装备控制、过程装备的维护与管理等。这些课程的内容，即相互独立又互为关联，比如：有的课程是注重本专业的基础知识，有的课程是注重设备的工艺设计，有的是注重设备的结构和零部件设计，有的是注重设备的控制问题，有的是注重设备的制造技术等等。这些课程的基础理论知识体系和内容各自相互独立，只依靠学生个人的学习是无法达到综合运用目的的。而且，对于装备的学生，各种设计规范的应用和掌握、工艺流程图和设备工程图的绘制和阅读能力都是装备类课程的必学和需要掌握的内容，但确没有哪一门课程能够将这些知识联系在一起[1]。

以往本专业的设计类型课程内容大多数均以理论教学为主，课堂的教学和学习过程是比较单调和枯燥的，学生难以将理论知识用于工程实处，这不利于提高学生的专业素养和培养学生的工程实践能力；而且，理论知识如果过多，不仅会造成教学资源的浪费，也会给学生带来学习上的负担。为此，本专业在对原有教学资源进行不断整合和优化的基础上，提出了“以系统化的专业知识为主线，以某个科研项目或工程项目作为实训研究对象，以理论联系实际为实训基础，以激发学生兴趣、主动求知为实训动力，以培养学生知识创新能力为目的”的全新综合性、开放式、自主式课程实训模式。其基本思路是：通过一个开放式的综合性课程实训，使学生能够得到一次系统化的综合应用相关理论知识的实践锻炼机会[2]。

“石化装备设计综合实训”就是用大工程性的理念将课程体系中的多门相关课程联系在一起[2]，强化学生的大工程意识，培养学生的工程实践能力；改变传统的以课程为中心对事物进行的知识分割教育，转向以学生为中心的对事物进行知识整合式教育。工程教育的实质就是要注重理论知识的实践、突出工程问题，用系统化的思想进行课程内容的交叉整合，从而构建出体现大工程观念和注重工程实践的课程体系，让学生能够直接面对复杂性的工程实际问题[3]，并使他们具有分析和解决问题的初步体验。

“石化装备设计综合实训”将课程的理论知识教学和课程的实践环节进行了有机的融合，将过程装备成套技术课程中的工艺流程图和管道图的阅读和绘制、典型设备的化工工艺计算、典型设备的结构设计与强度计算、设备图的绘制等多个单元知识模块进行综合训练，引导学生进行互助学习ChemCAD和Aspen Plus这两款流程模拟软件、要求学生掌握Auto CAD 、SW6的运用，同时鼓励学生在完成指导老师规定的设计任务时，根据自己的能力应用ANSYS等软件进行分析计算，从而为学生创造了工程实践和锻炼的机会，激发了学生对专业知识的学习热情，同时也促进了学生工程设计和实践创新能力的不断提升。

2 基于成果导向的“石化装备设计综合实训”模式及内容

“石化装备设计综合实训”属于本专业集中实践课程体系中最为核心的课程类实践之一，为此，实训指导团队参照本专业制定的人才培养目标和毕业要求，结合基于新工科和符合专业认证要求的人才培养标准，确立了本集中课程实训的学生素质能力培养目标，制定出了课程实训能力培养矩阵（图1）。本课程实训要求学生掌握的知识、技能和素养有：专业知识的灵活运用能力，熟练使用现代工具、行业规范和标准能力，个人和团队的沟通和协作能力，项目执行和完成能力等等。本课程实训的能力素质培养贯穿于整个典型设备的完整实训周期内，在项目的不同阶段有重点有针对性的强化学生能力的培养目标。

图1 “石化装备设计综合实训”课程实践的能力培养矩阵图

基于上述要求，我们提出了“三核心——多综合”的综合性课程实训构建模式，即：以一种典型石化装备的工艺设计、结构设计和强度校核为知识核心，引入了典型化工装置的综合工艺流程图、管道图，典型化工设备图的阅读方法，以及绘制流程图、管道图和化工设备图的方法，相关设计软件的应用与拓展等进行多角度的综合课程实训。针对每一种石油装备的设计任务，开设多个选题，要求学生以小组为单位，针对自己的选题，在教师指导和团队协作的基础上进行自主设计，独立实训。

本设计实训不同于以往的单一课程的课程设计，这种综合设计实训在具有知识综合性特点的同时，又区别于毕业设计。因为这种综合设计实训的选题是经过特别考虑的，它是以专业的教学平台要求为基础进行的。该课程实训被安排在第六学期进行，即：在专业方向课程学习的同时、毕业设计开始之前进行。学生根据需要完成的课程实训任务，需要自学一些与课程实训相关的理论知识、相关标准的运用知识、工程图的阅读和绘制知识等，然后通过设计小组成员之间的协作进行设计任务，再根据自己的设计条件完成各自的设计任务。同时，本实训还允许部分学生根据自己的兴趣选择适当的实训内容延伸，这不仅有利于调动学生的主观学习积极性，培养了学生的勇于实践新知识能力，同时也可以提高学生创新和独创意识。

通过“石化装备设计综合实训”，我们探索和总结出了一套培养学生能够熟练掌握典型石化装备的设计方法，如塔（直立）设备、换热器（卧式设备）和反应（立式搅拌反应釜）设备的结构、工作原理及设计方法，学生可以独立运用所学习过的相关专业理论知识，对本领域工程实际中应用到的相关典型设备能够进行工艺、强度和结构设计。通过本综合性的课程设计实训可以使学生树立起来严格按国家标准、专业标准、国家规范、行业规范设计的意识，并学会在设计的过程中了解、熟悉、掌握压力容器常用的标准、法规，例如TSG21-2016、GB150-2011、 GB151-2014、NB47041-2014、NB47042-2014等。

3 “石化装备设计综合实训”课程的组织与实施

“石化装备设计综合实训”是本专业的一个重要的实践教学环节，目的是为了培养学生可以综合运用“过程原理及设备（Ⅱ）”和“压力容器设计”等装备类课程中所学过的相关知识，独立对任务书中给定的特定设备可以进行化工工艺设计、设备方案确定、受压部件的强度核算和相关软件运用的能力，使学生可以初步学会对化工过程实际问题进行分析和解决的方法，可以有效提高学生的工艺计算能力、制图能力、强度计算能力、软件的综合运用及有分析地选用经验数据的能力，从而提高学生的工程素质。要求学生能够以文理通顺、分析正确、计算准确、图表清晰的撰写出设计计算书，用规范的设计图纸和汇报幻灯片把设计结果表达出来。从而可以有效的训练学生，用工程的特性把课程体系中的相关类型课程联系在一起，从而可以强化学生的大工程设计和管理理念，培养学生的工程实践能力；并且从以往的以单一课程为中心的知识分割型教育，继而转向以学生为中心的知识整合型教育。通过本模式的课程实训基本可以达到让学生直面复杂工程实际问题，直面分析和解决复杂实际工程问题的初步体验。

为此，“石化装备设计综合实训”课程选择了本专业较为成熟的、比较有特色的、适合实践教学的项目作为课程实训内容，形成从了解工艺流程→熟悉和掌握工艺流程→绘制工艺流程图开始，根据学生自己的目标选题进行工艺设计计算→结构设计计算→强度设计计算等几个步骤，从而有机的把本专业几门互为关联的装备类几门课程的主要内容穿插在了一起。下面以塔设备的课程实训为例介绍该综合课程实训的具体实施过程：

（1）首先了解、学习并掌握典型装置的工艺流程及流程图、配管图等的绘制方法；并且以小组合作的学习方式绘制出相应设备和装置的工艺流程图和管道透视图。

（2）了解塔设备的工艺计算内容，学习塔设备的工艺计算方法和相关计算软件，根据自己所选择的结构类型进行工艺设计，此时可以运用软件进行辅助计算（可以是ChemCAD，也可以加上自己感兴趣的软件计算）。

（3）根据已经学习过的塔设备结构和强度设计知识，学习与搜集与塔设备有关的各类相关标准和设计规范，并对前期通过工艺计算得出的结果参照规范和标准进行结构设计和强度核算，与此同时还可以运用相关软件进行辅助计算（比如：可以是SW6，还可以加上自己感兴趣的软件计算）。

（4）利用AutoCAD设计并绘制出符合化工制图标准的塔设备的工程图，对于学有余力的同学还可以画出三维实体图和零部件的装配体和装配过程。

（5）上述4个实训环节完成后，学生需要按照实训项目的任务书要求和相关的标准要求为依据，编制并整理出塔设备的实训设计计算书。实训的最后环节是组织学生进行PPT汇报和答辩，在这个实训环节中，通过对每个实训团队中每个学生设计的提问，可用考察出学生对整个塔设备在设计和实施过程的知识掌握程度，并根据整个实训阶段的任务分解，分别对理论知识方面的应用能力、设计及制图能力、实践能力和团队配合能力给出一个综合的评价。

（6）本实训给予部分学生发挥创作的空间，他们可以利用和学习相关软件。在完成指导教师布置的任务的同时，可以利用相关软件进行创作设计，比如：ANSYS、SW6、ChemCAD等。

整个的课程实训过程中，学生要完成的每一个小部分都是简单的，但是整合成一个整体又是复杂的，设计任务中所涉及到的每一个知识点都是对已经学过知识的重新回顾，也是理论知识在实践中的如何综合运用体现过程，这就使得学生在实训过程中既不觉得知识陌生和为难，又具有一定的挑战性。

4 “石化装备设计综合实训”的课程实训特色与创新之处

4.1 “石化装备设计综合实训”从课程综合应用的角度出发，精简了学时，提高了教学质量

“石化装备设计综合实训”综合了多门课程的知识点，从工程应用的角度出发选择设计训练题目，采取多种教学方式（比如：现场学习、专家讲座、与有成就的校友交流等），能够有效的提高学生分析和解决问题的能力，切实提高学生的综合素质；同时，把几个分散的课程设计通过较为合理的方式综合在了一起，在本行业新技术不断涌现的同时，可以达到在不增加学生负担的情况下，使教学质量得以提高。

4.2 结合本专业的人才定位和培养目标，建立了“三结合”的课程产学合作运行机制

通过“石化装备设计综合实训”课程实训有机的将学生→指导教师→实训基地结合在了一起，充分利用学生的自主创新和学习的积极性、指导教师的指导、实训基地工程师的讲解和引导，从而打破了原有的课程和人员界线。

4.3 “石化装备设计综合实训”课程建设与理论课程建设紧密联系

在“石化装备设计综合实训”的课程建设上，可以有效的改变不同理论课程之间知识体系相脱节的尴尬局面，将以往独立设置的课程设计（比如：化工原理和过程装备的课程设计等）进行了有效的综合，融合了相关理论课程知识与实践技能，进而进行综合的项目实践。

4.4 “石化装备设计综合实训”提高了学生对知识的综合应用能力、实践能力以及综合素质

“石化装备设计综合实训”的考核侧重考核学生的综合应用能力，注重的不是最终的结果，而是完成项目的过程。比如：“石化装备设计综合实训”的成绩由多个部分组成，其中包括绘图情况、设备的工艺计算情况、强度和结构的设计情况、报告的撰写情况、软件的应用情况等等。与此同时，通过本实训有效的激励每个学生都能够积极参与到教与学的整个实训过程中，每个人都成为了课程的主动学习者、实践者，使得整个学习和课程设计实训过程成为了一个人人参与的创造性的学习实践活动。

4.5 建立了“石化装备设计综合实训”课程实施的“五阶段”制

（1）设计实训的任务信息获取阶段——教师向学生下达任务书。

（2） 实训计划制定阶段——每个设计实训团队的指导教师负责帮助每个学生分析和研讨完成实训设计任务所必需的工作和学习步骤，每个实训项目的小组成员可用自行进行任务分解，并安排好设计实训的工作进度。

（3） 设计实训的任务决策阶段——由学生选择技术路线、确定技术方案，指导教师进行评价、并给予合理的建议，对技术解决方案进行优化并鼓励技术创新。

（4） 设计实训的任务执行阶段——学生根据教师发放的设计实训任务书要求，按照本人所在实训设计团队成员之间集体确定的实训技术方案和工作步骤着手实施实训。

（5） 评价阶段(即课程考核阶段)——每个组的项目完成后，分别由学生本人、项目组成员、指导教师一起共同完成对实训项目的评估。如图2所示的最终成绩由四个部分组成。

图2 “石化装备设计综合实训”成绩组成

4.6 充分发挥了部分学生在实训过程中展现出的能动性和创造性

即在项目的完成过程中给予学生充分的发挥空间，每个小组所完成的设计任务没有固定的要求，比如：设计塔设备的小组没有固定到塔的结构类型，学生可以自由选择结构类型和塔板类型；设计换热设备的小组没有固定到换热器的结构类型，学生同样可以参考相关资料自由的选择结构类型。在相关软件的应用方面也可以自由发挥，除了必须应用的SW6、AutoCAD和ChemCAD，其他的软件可以自由应用，比如ANSYS、Aspen Plus等软件的应用。

5 结论

过程装备与控制工程专业的“石化装备设计综合实训”已经进行了多届学生，期间针对专业认证的成果导向要求进行了阶段性考核改进，经过运行表明：该设计实训优化了本专业主要的装备类知识要素和实践的技能要素，使得知识的结构和层次、组织和管理都变得方便，学生的参与积极性升高，效果较为明显。主要体现在以下几个方面：

（1）石化装备设计综合性课程实训是围绕本专业的典型设备进行设计，涵盖的相关设备的工艺设计、结构设计等的知识内容较多。因此，基本能力要求高、综合性强，对学生的综合学习能力进行了全方而的培养。

（2）学生对于实训的主动性增强了，用同样的、甚至是变得更少了的实践时间，取得了更为明显的实践效果。

（3）每个学生都可以亲自进行典型设备的设计，从而激发了学生的钻研专业知识和参与课程设计实训的热情。从典型装置的流程图绘制、管道透视图的绘制等开始，每位参加设计实训的成员必须都要认真对待自己的设计实训任务，并且会仔细钻研和参与到实训任务中。而且对于自己不清楚和明了的课程设计实训问题也都会积极的进行小组内部讨论和研究，并且也会及时的请教负责设计任务的指导教师、同学，这有助于培养学生发现问题、解决问题、团结协作的能力及深入探究问题的精神。

（4）通过石化装备设计综合性课程实训，使得每个学生都经历了从已知参数到完成设备的整个工程实训过程，这就使得学生加深理解了对典型设备设计的过程和方法都有了明确的认识，而且学会了与本行业专业相关的标准规范和应用软件的使用。培养和锻炼了每个参与实训学生的实践和动手能力，为学生今后可以顺利从事自己专业领域的设备设计和管理工作提供基础。

（5）学生在经过石化装备设计综合性课程实训之后，或多或少的出现了新的变化，参与学习的积极性提高了，能够主动参与学习，问题变多，每一个环节，每一个实训步骤都会认真对待，精益求精。

总之，石化装备设计综合性课程实训课程实践，通过优化相关的知识要素、技能要素等，用具体的典型设备设计为主要依托，把已经学习过的相关知识要素和实训训练内容有机综合起来，充分调动了绝大多数学生的学习积极性和主动性，受到了学生的欢迎，取得了良好的课程实训教学效果。