“过程装备成套技术”混合式课程建设与实践探索

郭晓峰，王少锋，王 帅，吕亮国，袁 博，谭 心

（内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古包头 014010）

0 引言

近年来，新一轮科技革命和产业革命与中国加快转变制造业发展方式形成历史性交汇，面对互联网、大数据、人工智能的发展浪潮，流程企业需利用这些新技术实现工厂数字化、网络化、智能化转型。此同时，新形势下相关企业对专业人才的工程实践知识和综合实践创新能力提出了更高的要求，不仅需要学生掌握单个机器和设备的设计，而且需要学生具有集成成套装备的能力。

“过程装备成套技术”是针对过程装备与控制工程专业学生开设的一门与工程实际紧密结合的综合性专业课程，其是以工艺生产过程为主线，以增强学生“系统”观念和工程意识为目标，将过程工艺、过程装备与过程控制等三大知识体系相结合，课程涉及的知识面宽，且具有很强的实践性与综合性。目前，由于该课程的特殊性，很难在课内开展过程装备成套装置的系统性实验。近年来，随着虚拟仿真技术的兴起，国内许多教育研究者将传统教学模式与虚拟仿真实验技术相结合，相继开展了一系列教育教学改革的探索与尝试，并提出了理论教学与虚拟仿真实验教学相结合的混合式课程教学方法[1-3]。目前，这一新型的教学方法丰富了课程教学环节的内涵，重构了课堂教学，使学生将理论知识应用于工程实践，做到了对所学课堂内容的二次或多次梳理和消化，这极大地扩展了传统教学的时间和空间，并有助于培养学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力。基于此，详细探讨了过程装备成套技术混合式课程的建设思路，阐述了虚拟仿真平台的构建与设计，重点是理论教学与虚拟仿真实验教学相结合的混合式课程创新实践活动。

1 “过程装备成套技术”课程教学现状及改革需求

目前，“过程装备成套技术”课程在内蒙古科技大学过程装备与控制工程专业第七学期开设。学生在学习化工原理、压力容器及过程设备设计、过程流体机械、过程装备控制技术及应用等先修课程的基础上，该课程以工艺生产过程为主线，将工艺设计、设备和管道设计、过程控制设计相结合，把学生在大学前三年所学到的各类自成体系的知识进行有机关联与集成，使分散的知识系统化，从而形成完整的现代过程工业的概念。课程教学内容从新产品生产工艺设计与开发、经济性和环境评价、机器和设备的选型、工艺参数的自动控制方案设计与选择、管道设计、绝热与防腐蚀设计，直到装置的安装、检验及试车，课程讲授内容广泛涵盖了化工机械、电气、仪表、暖通、土建、财务等各种专业知识，这使得课程具有极强的综合性和实践性[4-5]。这一特点客观上要求学生在学习本课程过程中能够由专业理论知识联系生产实际，并从实践中获取更多的创新知识。然而，在实际教学过程中，受限于实验成套装置规模较大，使得过程装备成套装置的系统性实验往往难以在课内开展，我校“过程装备成套技术”课程多采用理论教学与课程设计相结合的形式完成。近年来，通过教学过程监控和课后考核发现：由于学生知识面偏窄，且理论教学与生产实践教学结合不够紧密，导致学生学习过程存在脱节现象，这就从客观上需要改变传统、单一的教学方式和方法[6]。

随着我国信息化、智能化和工业化深度融合的不断推进，过程工业不仅需要学生能够设计出相关过程单元设备与机器，而且要求其能够将各种单元设备集成为过程成套装备，即过程工业越来越需要高校培养高素质复合型人才。人才培养的创新，客观上需要课程先行。“过程装备成套技术”作为一门提升学生（相关）专业基础知识应用能力和实践创新能力的专业核心课程，当前的教学形式与手段难以达到预期的课程教学目标和效果。鉴于此，为了进一步适应现代过程工业对工程应用型人才的实际需求，亟需开展课程的教学，尤其是实践教学改革。

2 虚拟仿真实验教学体系的构建与设计

内蒙古科技大学“过程装备与控制工程”专业的培养目标是培养掌握过程工艺原理、装备与控制等多学科基础理论知识和技能，能够在能源、电力、石油化工、机械、煤化工、医药、食品、新材料等相关领域从事过程装备的研究开发、设计制造、监测检测、运行维护和项目管理等方面工作的高素质应用研究型人才。为了有效破解实验器材、仪器设备台套数较少和实验成套装置规模较大的实验教学问题，专业基于智能制造数字孪生教育平台FABDT，自主开发了以高纯氢还原三氯氢硅制多晶硅生产过程为主线的过程装备成套技术虚拟仿真实验，实验内容主要包括多晶硅生产工艺流程设计、设备选型与布置、管道系统设计与布置、成套装置可行性分析与评价等四个方面。

2.1 多晶硅生产工艺流程设计

在过去的20 年间，国内外多晶硅生产工艺多采用改良西门子法，其原理是在1100 ℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上[7]，工艺流程如图1 所示。针对这一工艺方法，确定整个生产流程中各个生产过程中的具体工艺、顺序和组合方式，以便实现由材料制得所需的目标产品。在此基础上，绘制工艺流程图，如图2（a）所示，即用图解的方式表示各个生产过程中的物料和能量变化、流向，以及所采用的设备、阀门和控制仪表等。

图1 高纯氢还原三氯氢硅制多晶硅工艺流程图

图2 高纯氢还原三氯氢硅制多晶硅过程虚拟仿真系统

2.2 设备选型与布置

基于多晶硅生产工艺流程，在实际生产过程中主要涉及两类装备，即静设备和动设备。其中，静设备主要包括换热器、合成塔、还原炉和储罐等；动设备又包括泵、压缩机和离心机等。这些设备所涉及的种类繁多，并且各设备的功能和型号各不相同，如何选择合适的机型，并将各种设备、管道与仪表贯穿起来，直接决定了生产过程能否长周期高效率运行，这也是传统理论教学的难点。对于学生而言，基于虚拟仿真实验平台可以查看各种设备的内部结构和工作原理，明确各种设备的作用与用途，并进行各种设备的选型与空间布置，如图2（b）所示。这一模块打破了传统教学在时间和空间上的局限，有效地提升学习的广度和深度。

2.3 管道系统设计与布置

过程工业生产是以流程性物料为原料，经过一系列的物理和化学反应，最终生产具有特定使用价值的产品[4]。要实现以上目标，管道是实现物料输运所不可或缺的重要组成部分。在学生完成了设备选型与空间布置后，还需要将各种管线连接到相关设备的接管上，从而完成管道连接（如图2（c）所示）。在这一模块，学生可以通过布置管线的空间走向，进一步明确工业管道的组成、选型、设计要求与程序，并为管道空视图的绘制提供重要指导。在此基础上，通过进行管道应力计算，比较不同管道设计方案的优劣，进而理解管道设计的相关标准与规范。

2.4 多晶硅生产装置的可行性分析与评价

在对多晶硅生产工艺流程、设备选型与布置、管道系统设计与布置完成的基础上，从经济、节能、环境、健康和安全等方面进行项目的可行性分析与评价（图3），并结合理论教学内容，重点估算项目的总成本，以便加强学生在经济、社会责任等方面的培养。

图3 多晶硅生产装置的可行性分析与评价内容

3 混合式教学的创新与实践

3.1 理论课程教学

在课堂教学中教师进行过程装备成套技术基本知识的讲授，主要包括项目可行性研究与评价、工艺流程开发与设计、过程装备设计、选型与布置、管道设计与布置、绝热和防腐设计、过程设备安装、试车、验收及典型过程装置实例等内容。课程中段安排进行管道应力分析、管道柔性设计等实践和理论相结合的学习活动，提高学生学习积极性和动手能力。

3.2 虚拟仿真实验教学

众所周知，化工成套装备千差万别，样数千奇百怪，想要短期内以工艺生产过程为主线将实际生产中的各环节串成一体，其难度可想而知。为了更好地实现课程的教学目标，在传统理论教学的基础上，虚拟仿真实验教学环节以多晶硅生产过程为主线，将工艺流程设计、设备选型与布置、管道系统设计与布置和可行性分析与评价等内容有机融入教学过程（图2）。这有助于将枯燥的理论知识直观地展现给学生，有利于增强学生对教材内容的理解与掌握，同时有效地提高了学生解决复杂工程问题的能力。

3.3 拓展与企业实际需求相结合的实验项目

在开设基础虚拟仿真实验（图2）基础上，学生可以从自身兴趣和生产实际出发，以企业和市场需求为导向，充分发挥虚拟仿真实验在时间自主、空间自由和实现安全、便捷方面的优点，基于FABDT 虚拟仿真平台，自主进行实验项目的二次开发，这有效推动了“虚拟与现实”“教学与科研”之间的相互融合与相互促进。近年来，学生已开展了多晶硅生产过程中氯硅烷分离提纯、合成气干法分离和四氯化硅冷氢化等工艺过程的虚拟仿真系统搭建，上述实践活动落实了“以学生为中心”“应用创新为牵引”的教学理念。

3.4 课下讨论、答疑和测试模块

在课程学分受限的情况下，为了更好地丰富课程教学内容，并引导学生课后自主学习，实现学习模式由老师讲授为主导向学生为主导的转变，课程基于前期开发的慕课教学平台[8]，增设了老师与学生之间的互动。针对每一章节的知识点，教师提出了具体的讨论题目，并设计了相应的练习，及时帮助学生消化每一章节的重点内容。对于难点问题，学生可以在互动讨论区与老师、同学进行交流，及时得到必要的外部支持。同时，学生可以在线提交作业、参加课程问卷和参与在线测试，课程线上讨论、答疑和测试数据统计示例如图4 所示。

图4 线上讨论、答疑和测试数据统计示例

3.5 教学改革的评估与体系完善

“过程装备成套技术”课程是过程装备与控制工程专业重要的核心课程，也是毕业设计以及工作中都要应用的一门课程，其重要性不言而喻。对于本课程的教改，为慎重起见，授课教师采用对比组的形式进行改革试点，即将部分参与教学改革的学生组和不参与教学改革的学生组的数据进行统计。教学当中要收集相关资料，如：学生的装备设计资料、教学资料和模型、教学过程记录、教学实验报告；收集学生的成绩单、教师和学生的心得体会、教师评价和学生的自我评价及教学总结报告。分析所得的数据，开展教学改革总结，并修正教学实践改革中所出现的问题和不足，完善改革措施，为全面推行新的教学体系做好充分的准备。

4 结语

“过程装备成套技术”的课程特点客观上需要改变传统的教学方式和方法。以学生为主体，充分利用虚拟仿真实验平台，将传统理论教学与虚拟仿真实验教学相结合，详细介绍了过程装备成套技术混合式课程的建设思路，阐述了虚拟仿真平台的构建与设计，并重点介绍了理论教学与虚拟仿真实验教学相结合的混合式课程创新实践活动。实践证明：混合式课程重构了课堂教学，丰富了课程教学环节的内涵，扩展和延伸了传统教学的时间和空间，其让课堂充满弹性。本研究探讨一种先进的教学方法和相关教学经验，为新时期下过程装备成套技术课程教育教学新体系的改革提供参考和借鉴。该教学方法符合目前一流课程和一流专业的建设需求，满足专业认证中持续改进的要求，其使该课程教育教学效果达到一个新高度，对持续提高学生解决复杂工程问题的能力具有重要的指导意义。