基于煤制甲醇國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程的教學(xué)實(shí)踐

王訓(xùn)遒 , 寧卓遠(yuǎn) , 高 健 , 涂維峰 , 李 鵬 , 吳雙根

(鄭州大學(xué) 化工學(xué)院 , 河南 鄭州 450001)

1 課程建設(shè)及實(shí)施歷程

2021年9月,習(xí)近平總書記在中央人才工作會議上強(qiáng)調(diào),要培養(yǎng)大批卓越工程師,努力建設(shè)一支愛黨報(bào)國、敬業(yè)奉獻(xiàn)、具有突出技術(shù)創(chuàng)新能力、善于解決復(fù)雜工程問題的工程師隊(duì)伍。實(shí)踐教學(xué)是工科專業(yè)人才和工程師培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)和途徑,由于化工過程普遍存在易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)因素,且其生產(chǎn)連續(xù)化、自動(dòng)化程度高,化工類學(xué)生的實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)常存在3個(gè)共性問題:①實(shí)習(xí)難。企業(yè)從安全考慮對接納學(xué)生實(shí)習(xí)積極性不高,即使接收學(xué)生實(shí)習(xí)也往往是參觀的形式,學(xué)生難以接近裝置,更不可能進(jìn)行動(dòng)手操作,實(shí)習(xí)效果較差;②實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“一多一少”。即驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多,綜合性實(shí)驗(yàn)少,綜合多門課程實(shí)驗(yàn)的更少,難以滿足教育部對實(shí)驗(yàn)金課“兩性一度(高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度)”的要求;③條件受限。包括時(shí)間、空間(實(shí)驗(yàn)場地)和實(shí)驗(yàn)的臺套數(shù)等。為此,鄭州大學(xué)于2010年提出要建設(shè)一套綜合性強(qiáng)的半實(shí)物仿真工程[1]。甲醇是大噸位基礎(chǔ)化工原料,以甲醇為原料的一次加工品有近30種,深加工產(chǎn)品達(dá)上百種,是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的重要節(jié)點(diǎn),煤制甲醇工藝涵蓋化學(xué)反應(yīng)及流體流動(dòng)、流體輸送機(jī)械、傳熱、吸收、精餾等常見單元操作,是典型的化工生產(chǎn)過程,作為教學(xué)案例通用性好,有利于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握化工基本原理及設(shè)備。因此,2010年建設(shè)團(tuán)隊(duì)深入河南煤化集團(tuán)義馬氣化廠進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研,確定工藝流程與參數(shù),與天津睿智天成有限公司和北京東方仿真有限公司共同討論并確定最終建設(shè)方案。鄭州大學(xué)煤制甲醇半實(shí)物仿真工廠建設(shè)屬于國內(nèi)最早的一批,該實(shí)施中重要節(jié)點(diǎn)見圖1。

圖1 課程實(shí)施歷程

2 課程概況及存在問題

課程內(nèi)容涵蓋煤氣化、煤氣變換、煤氣凈化、甲醇合成及精制全流程的開車、正常操作、停車及典型故障處理。

課程主要內(nèi)容及知識點(diǎn)如圖2所示[2-3]。

圖2 課程主要內(nèi)容與知識點(diǎn)

自2011年開展教學(xué)活動(dòng)以來,已經(jīng)經(jīng)歷了十幾屆本科生,每年化工學(xué)院大部分本科生學(xué)習(xí)了該課程,授課學(xué)生來自化學(xué)工程與工藝、制藥工程、冶金工程、安全工程、環(huán)境科學(xué)、過程裝備與控制工程以及能源與動(dòng)力工程等專業(yè),同時(shí)還有來自天津大學(xué)、太原理工大學(xué)、江漢大學(xué)等外校學(xué)生參與了學(xué)習(xí)。特別是近幾年面對新冠疫情,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)因不受時(shí)空限制,更體現(xiàn)出其優(yōu)越性,在專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過不斷的磨合以及持續(xù)的教學(xué)改革,該課程的教學(xué)一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平[4]。但也存在一些不足需改進(jìn),具體問題主要集中在:①在虛擬環(huán)境下,學(xué)生思想上重視不夠,往往潛意識認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是“假”的,是在“練習(xí)”,無論是操作還是安全都出不了什么大問題等。②學(xué)生對虛擬式教學(xué)授課重視程度不夠,僅為拿學(xué)分而學(xué),意識不到該類課程設(shè)置對于專業(yè)訓(xùn)練的重要性,加之該課程綜合性很強(qiáng),表現(xiàn)出對虛擬仿真課程教學(xué)活動(dòng)的不適應(yīng),訴求度不高。③虛擬仿真教學(xué)對學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)性和自主性學(xué)習(xí)能力有很高的要求,從而在一定程度上弱化了教師主導(dǎo)地位,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀隨意性增加,影響預(yù)期教學(xué)效果。④虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容是在真實(shí)生產(chǎn)基礎(chǔ)上所建立起來的,這對于授課老師的專業(yè)性和實(shí)踐能力提出更高要求,教師需在適應(yīng)新的教學(xué)方式的同時(shí),還需不斷提升自身專業(yè)實(shí)踐素養(yǎng)。⑤隨著教學(xué)方式的不斷改進(jìn),如何科學(xué)、全面和合理的評價(jià)學(xué)生成績,仍需進(jìn)一步探索。

3 教學(xué)改革措施及效果

3.1 引入課程思政,提升學(xué)生思想意識

充分挖掘煤化工、煤制甲醇發(fā)展過程中蘊(yùn)含的思政因素,并將其有機(jī)融入教學(xué)中,在傳授專業(yè)知識的同時(shí)充分發(fā)揮課程的價(jià)值引領(lǐng)作用,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí),勇于創(chuàng)新,責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)目茖W(xué)家精神以及對設(shè)計(jì)獨(dú)具匠心、對質(zhì)量精益求精、對技藝不斷改進(jìn)、為制作不竭余力的工匠精神。例如,在甲醇精制教學(xué)中介紹我國精餾分離學(xué)科創(chuàng)始人余國琮先生,他攻克重水生產(chǎn)技術(shù)難關(guān),勇攀科技高峰,為國家科技發(fā)展默默奉獻(xiàn),他曾說:“我們中國人并不笨,我們能自主創(chuàng)新[5]。我不僅僅要去自己爭一口氣,更要把爭一口氣的精神傳承下去,讓更多年輕人繼續(xù)為中國爭一口氣!”?！盃幰豢跉狻鄙鷦?dòng)地詮釋了余國琮艱苦奮斗、科技報(bào)國的百年人生。通過與學(xué)生探討“卡脖子”技術(shù),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,為國家發(fā)奮讀書。

3.2 完善和優(yōu)化教學(xué)資源,提升學(xué)生的參與度和主動(dòng)性

開發(fā)并運(yùn)用3D技術(shù),吸引更多學(xué)生參與實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生積極性。3D認(rèn)知實(shí)訓(xùn)仿真軟件中包含廠區(qū)講解視頻等學(xué)習(xí)資源,在“自由練習(xí)”模式中,采用角色代入的方式,通過操作人物進(jìn)行參觀、知識學(xué)習(xí)和操作,了解裝置設(shè)備、廠房、管路的空間排布和公用工程外觀等,熟悉消防設(shè)備的使用,加深形象化記憶;在“實(shí)訓(xùn)任務(wù)”模式下,軟件中可以使人物根據(jù)引導(dǎo)步行線前進(jìn),對高亮設(shè)備,打開對應(yīng)界面學(xué)習(xí)知識點(diǎn),包括文字、圖片和視頻、動(dòng)畫等內(nèi)容豐富的資料,并完成測試題目。使學(xué)生在虛擬化工生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行漫游,詳細(xì)了解每個(gè)設(shè)備的相關(guān)知識點(diǎn),并進(jìn)行安全教育培訓(xùn)。3D仿真軟件使學(xué)生身臨其境的體驗(yàn)感更強(qiáng),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,借助3D仿真技術(shù)更好地進(jìn)行情景化教學(xué),使抽象、枯燥乏味的理論知識和工藝流程變得更加生動(dòng)和鮮活。此外,多方面多角度豐富題庫,提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的重視度,增強(qiáng)操作責(zé)任心,減少或避免唯成績現(xiàn)象,提高教學(xué)效果。

3.3 不斷提高教師的教學(xué)能力和工程實(shí)踐能力,為教學(xué)質(zhì)量的提升提高保障

①利用國家級虛擬教研室,加強(qiáng)與同行交流,提升教師能力。2021年7月,教育部高教司下發(fā)《關(guān)于開展虛擬教研室試點(diǎn)建設(shè)工作的通知》,首批擬推薦400個(gè)左右虛擬教研室進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè),探索“智能+”時(shí)代新型基層教學(xué)組織的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)路徑、運(yùn)行模式。通知指出,虛擬教研室是信息化時(shí)代新型基層教學(xué)組織建設(shè)的重要探索。為此,課程團(tuán)隊(duì)積極聯(lián)系太原理工大學(xué)等,共同申報(bào)虛擬教研室建設(shè)。2022年,太原理工大學(xué)牽頭,鄭州大學(xué)與寧夏大學(xué)、延安大學(xué)、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、塔里木大學(xué)和中北大學(xué)等化工特色高校參與的“煤化工實(shí)踐課程虛擬教研室”成為首批虛擬教研室。教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極參與虛擬教研室相關(guān)活動(dòng),運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)云存儲技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)直播技術(shù),進(jìn)行教學(xué)資源和教材共享,與相關(guān)高校教師討論從教學(xué)大綱到具體授課、考核方式等所有內(nèi)容,一起研究教學(xué)中遇到的共性問題、交流最新教研科研成果,適時(shí)將其加入教學(xué)內(nèi)容。通過分享課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)組織、教學(xué)方法、教學(xué)手段、資源建設(shè)等方面的做法和經(jīng)驗(yàn),不斷提高自身教學(xué)能力。

②鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)教師積極加強(qiáng)與企業(yè)合作,在實(shí)踐中提升自身的工程能力。牢記工程能力缺乏的教師不可能培養(yǎng)出工程能力強(qiáng)的學(xué)生。近年來,團(tuán)隊(duì)教師主持的超百萬元的橫向課題近10項(xiàng),這為教師工程能力的不斷提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.4 優(yōu)化考核評價(jià)方法,促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升

成績對學(xué)生的吸引力很強(qiáng),為此弱化軟件及現(xiàn)場的普通操作評價(jià),強(qiáng)化過程及質(zhì)量評價(jià),包括線上預(yù)習(xí)時(shí)長、預(yù)習(xí)效果、團(tuán)隊(duì)交流互動(dòng)等計(jì)入平時(shí)成績,并將此項(xiàng)比例提升至30%;同時(shí),對軟件內(nèi)置的評分細(xì)則進(jìn)行優(yōu)化,強(qiáng)化操作質(zhì)量和關(guān)鍵參數(shù)的把握,弱化簡單重復(fù)操作。實(shí)施后,學(xué)生成績的區(qū)分度顯著增大,學(xué)生反映通過該課程的學(xué)習(xí)自身的處理復(fù)雜工程問題能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神得到了顯著提升。

經(jīng)過13年的持續(xù)教學(xué)實(shí)踐,課程先后獲批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。在化工工藝、制藥工程及過程裝備與控制工程等6次專業(yè)認(rèn)證中,專家組一致認(rèn)為該課程是學(xué)校的亮點(diǎn),給予了高度肯定。教學(xué)團(tuán)隊(duì)今后將進(jìn)一步完善教學(xué)方法,擴(kuò)大資源共享,提高平臺使用效率,使更多學(xué)生受益。

4 結(jié)語

煤制甲醇實(shí)訓(xùn)課程的開設(shè)符合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展,不斷進(jìn)行教學(xué)探索和改革實(shí)踐永遠(yuǎn)在路上,課程團(tuán)隊(duì)將借助國家虛擬教研室平臺,加強(qiáng)合作交流,持續(xù)創(chuàng)新,不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,為學(xué)?！半p一流”建設(shè)及化工卓越工程師人才培養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。