项目式教学在化工原理课程中的应用*

李守博，佟永纯，杨自嵘，白庆玲

(河西学院化学化工学院,甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室，甘肃 张掖 734000)

项目式教学法，是2018年10月教育部、工业和信息化部、中国工程院发布的《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》(教高〔2018〕3号)中明确推广实施的一种教学方法[1]。在众多以学习者为中心的教学模式中，项目式教学由于其对学习者能力发展的全面性、学习产出的多样性而受到关注。项目式教学法尝试通过实施一系列完整的教学项目，将理论和实践有机地结合，它以任务为导向进行教学活动，以培养学生的专业技能为教学首要任务[2]。项目化教学的指导思想是将一个独立的项目或任务交给学生，教师起辅助作用，让学生自主把握和完成每一环节，增强实践技能和分析解决工程问题的能力[3]。该教学方法相于较传统教学法在提高学生的创新能力、研究能力、团队协作、沟通能力等方面具有明显优势。

《化工原理》课程是化工类及相近专业的一门主要技术基础课，它是综合运用数学、物理和化学等基础知识，分析和解决化工类型生产中各种物理过程(或单元操作)问题的工程学科，该课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，对化工类及相近专业学生的业务素质、工程能力与创新能力的培养起着至关重要的作用。《教育部关于一流课程建设的实施意见》明确提出：要提升课程的高阶性，突出课程的创新性，增加课程的挑战度。化工原理在理论与实践的教学过程中也要顺应工程教育专业认证和新工科建设的需要进行适时改变[4]。项目式教学法被认为是实现上述目标、打造金课的重要教学形式。

河西学院煤制甲醇生产工艺仿真工厂是河西学院与北京东方仿真软件技术有限公司于2019年共同开发建设的。该仿真工厂采取虚实结合的方式，展现了包括半实物流程装置单元、DCS模拟控制部分和仿真软件系统三部分在内的仿真实训教学系统。半实物仿真装置是按照典型的煤制甲醇生产工艺设立的半实物装置，包括了球磨机、离心式透平压缩机、精馏塔、吸收塔、解吸塔、合成塔、气化炉、变换炉、换热器等典型设备。我们将化工原理项目式教学与仿真工厂相结合心以“学生”操作为主体，教师指导为辅；力求贴近“工厂环境”，将教学、企业的需求直接转化成课程内容的设置安排，体现岗位职业化需求。

1 化工原理开展项目式教学的必要性

化工原理课程中的单元操作主要涵盖了化工过程的动量传递、热量传递、质量传递三个方面。化工原理教材设计及课程教学的思路一般为以某一单元操作为一个章节。在这一章中先介绍该单元操作的基础理论知识如基本概念、操作的目的与依据等，在此基础上讲解单元操作的基本原理、相关计算、设备结构、操作以及过程的优化[5]。但是教学过程存在与企业生产实际相脱节，学生对未来所能从事的工作岗位不明确，对工作岗位与本课程所学知识之间的联系不清晰等问题，因而导致学习本课程的目的性不强、主动性不够。因此，我们结合河西学院煤制甲醇仿真工厂引入项目式教学对化工原理课程的教学过程进行了改革探索。

2 项目式教学应用研究

我们结合河西学院煤制甲醇仿真工厂对化工原理课程的教学进行项目式教学。化工原理课程中的应用实际教学过程中，在讲授完每章知识后，要求学生完成项目任务。下面以流体输送机械中的学习为例展示在本课程中项目式教学法的应用，图1为化工原理开展项目式教学学生学习过程结构。

图1 化工原理开展项目式教学学生学习过程结构Fig.1 Learning process structure of students in project teaching of Chemical Engineering Principles

2.1 确定项目任务

项目任务的题目基于实际生产工艺，使得学生明确所学知识与未来工作岗位之间的联系，进而提高学生学习化工原理的兴趣。化工原理课程涉及的单元操作主要有流体流动、流体输送、过滤、沉降、传热、蒸发、蒸馏、吸收和解吸、萃取、干燥等。这些单元操作中，每一个都可以自成一体成为中型项目[6]。在项目式教学实施时，要在单元操作中选取难度适中的内容去制定项目任务书。项目任务书不仅要符合理论课的教学进度，而且不能超出学生能力范围，以免打击学生的自信心。例如流体输送机械这一章进行项目式教学时，我们通过展示流体输送机械的相关应用场景照片和视频，引导学生们发散思维，集思广益从而创设学生感兴趣的项目情境，提高学生学习流体输送机械的兴趣。

流体输送机械这一章进行项目式教学时，教师首先进行流体输送机械的相关知识的课堂教学，但是学生仅仅通过课堂学习只能初步了解流体输送机械的主要部件和运转的工作原理。在进行项目式教学时应该从全局出发，多角度考虑，将流体输送机械涉及到的工艺知识连接起来，例如我们基于煤制甲醇仿真工厂设计了低温甲醇洗工艺中贫甲醇泵的选择的项目任务。低温甲醇洗工艺是煤化工装置煤液化中采用物理吸收法的一种酸性气体净化工艺，利用变换气中的主要脱除成分H2S、CO2等在吸收剂甲醇中的溶解度不同，在吸收塔中进行分别吸收，并在后续的甲醇再生过程中，分别解析出来，进行回收利用。CO2送往CO2产品单元，H2S送入到硫回收单元。目前国内已有多套大型酸性气体净化装置采用了低温甲醇洗工艺，甲醇洗装置包括：原料变换气冷却、酸性气体H2S/CO2吸收、甲醇溶液闪蒸再生与有用气体H2、CO等的回收、CO2解吸与CO2产品气回收、H2S浓缩(N2气提)、甲醇溶液热再生与H2S回收、甲醇/水分离、尾气水洗回收甲醇。低温甲醇洗工艺涉及的流体输送机械如表1所示，该工艺能耗最低，但对设备要求严格，贫甲醇泵作为工艺系统的主洗泵，为CO2、H2S吸收塔提供贫甲醇，使贫甲醇泵压力达到工艺要求，其稳定运行是工艺的关键，并和系统的连续运行息息相关[7]。

表1 低温甲醇洗工艺涉及的流体输送机械Table 1 Fluid conveying machinery involved in low temperature methanol washing process

结合低温甲醇洗工艺不仅使学生学习了解了工艺原理、流体输送机械相关理论知识，而且拓展了学生化工视野。项目任务书包括六个子项目：(1)低温甲醇洗工艺中贫甲醇泵的选择；(2)贫甲醇泵基本原理；(3)低温甲醇洗工艺流程图和贫甲醇泵设备图的绘制；(4)低温甲醇洗工艺中贫甲醇泵的实际操作；(6)低温甲醇洗工艺产品仿真模拟测试。

2.2 项目实施

(1)确定项目任务，例如在确定低温甲醇洗工艺中贫甲醇泵的选择为项目任务以后，首先学生们经过课堂上对流体输送机械这一章的学习，对流体输送机械这一单元有一定的认识和了解，初步了解流体输送机械的工作原理及相关知识。根据教师给出的工作任务书，学生明确了将要查找和完成的任务内容，以便更好地进行工作。项目式教学提倡以学生为主体，但并不是教师在学生完成项目过程中袖手旁观，而是需要教师要时刻关注学生的项目进展，随时做好为学生答疑解惑的准备。

(2)合理分配项目小组人员，每三人一组，将擅长思考、基础较好的学生和基础一般的学生合理搭配，要求成功组队的各组推选出一名组长，组长负责分配工作任务、协调及实施等其他方面工作。要求成员之间要分工明确，积极交流，取长补短，最重要的是反思自身在学习中所存在的漏洞及时进行弥补。在分配过程教师可以对各小组的人员分配情况进行必要的调整。

(3)资料查阅、汇总整理，各小组通过图书馆、互联网等、数据库等渠道查阅低温甲醇洗工艺中贫甲醇泵的相关背景资料，整理汇总，针对任务书中的任务进行计算，并对计算结果进行交流讨论。教师可以尽可能给学生提供比较权威的图书资料、数据库以及软件资源供学生们使用。避免因搜集资料的差距悬殊导致的项目进度参差不齐。

(4)仿真工厂模拟实训，各小组在完成对低温甲醇洗工艺管路的设计、选择出合适的流体输送机械型号，可以在进行安全培训后进入到煤制甲醇仿真工厂对低温甲醇洗工艺进行认知学习，并且使用DCS模拟控制和仿真软件系统(如图2所示)对贫甲醇泵操作进行仿真实训。对学生的操作仿真软件系统会进行评价，会指出操作错误和操作失误所造成的事故。学生通过仿真实训可以思考如何在实践中规避失误，总结反思及时改进。

图2 低温甲醇洗工艺仿真工厂DCS画面Fig.2 DCS picture of low temperature methanol washing process simulation plant

(5)反馈信息，项目中期要求各小组组长汇报项目的进度以及过程中遇到的疑难问题，并通过集体讨论对项目中的问题进行有效解决。教师在此过程中，对存在问题小组进行个别的、启发式指导，真正以学生为主体给学生足够的空间去解决问题。

2.3 项目评价总结

评价总结是项目式教学过程的关键部分。教师要鼓励学生通过制作多媒体课件或者拍摄视频到台前来展示自己的作品。采取组员自评、小组互评、教师点评相结合的方式，分析各组的优缺点，引导学生取长补短和改进自己的作品。最后教师根据各组提交的项目说明书和设备图纸结合答辩情况给出综合成绩。

3 项目式教学效果评价

3.1 明确教学和学习目标，激发学生主动性学习

项目式教学不仅使学生增加了对化工原理的学习兴趣，同时让学生意识到了化工原理这门课程的重要性和实用性。本章的主要知识点在项目完成过程中基本上都得到了很好的运用，使枯燥的理论知识贴近了生产实际。

3.2 提高学生解决问题的能力，树立了工程意识

学生根据教师发布的任务书，自己查找资料、分析并解决项目中遇到的实际问题。学生们通过仿真工厂自己手操作，对单元操作有了更深一步的理解，此外，学生能通过项目式教学认识到了单元操作的本质以及应用场合。学生应用理论知识去处理工程问题的过程中逐步树立起了工程意识。

4 结 语

本课程的特色在于：(1)强调实践导向，聚焦于设计和实施项目式教学中的疑点和难点，如：如何选择合适的项目，如何设计项目式教学的课上活动等，最大限度保证项目式教学成功；(2)完整介绍项目式教学的设计流程，结合我校应用型人才培养目标，实施项目式教学的过程中，通过将仿真工厂用于化工原理的项目式教学，不仅可以克服学生在化工原理实验室所能接触到的实验装置设备种类有限的问题，而且以学生为核心，将教师从传统教学的核心转变为教学活动的组织者、监督者和辅导者，让学生在完成项目的过程中，以完成项目任务为目标，激发学生对化工原理的学习兴趣，夯实理论基础，团结协作、交际沟通等能力提高，有助于培养学生的团体意识和创新精神。