基于虛擬仿真案例教學的化工裝備節(jié)能技術(shù)線上線下混合式一流課程建設(shè)

摘 "要 "以問題導向的自主學習為目標，開發(fā)短視頻數(shù)字化教學資源；以啟發(fā)引導學生自主學習為導向，提高線下教學的互動性；以科研成果、工程項目為依托，構(gòu)建多熱

源—多熱力循環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)和液化天然氣冷能梯級利用虛擬仿真系統(tǒng)，為工科高校線上線下混合式一流課程建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 "虛擬仿真案例教學；線上線下混合式；化工裝備節(jié)能技術(shù)；一流課程；數(shù)字化教學資源；短視頻

中圖分類號：G643 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）24-00-05

0 "引言

專業(yè)是人才培養(yǎng)的基本單元，課程是人才培養(yǎng)的核心要素。為貫徹落實習近平總書記關(guān)于教育的重要論述和全國教育大會精神，落實新時代全國高等學校本科教育工作會議要求，必須深化教育教學改革，必須把教學改革成果落實到課程建設(shè)上[1-2]。《教育部關(guān)于加強專業(yè)學位研究生案例教學和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》中指出，加強案例教學是強化專業(yè)學位研究生實踐能力培養(yǎng)，促進教學與實踐有機融合的重要途徑。所謂案例教學是指在教師的指導下，將學科專業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)問題以實際案例為依托，通過師生、生生之間的雙向和多向互動，積極參與，平等對話和研討，促使學生充分深入理解問題的復雜性和多樣性。案例教學以一個完整的案例為學習單元，對典型案例進行闡述，啟發(fā)和引導學生思考、分析和討論，以達到提高學生獨立思考和解決實際問題的能力為目標，實現(xiàn)觸類旁通。

國外也提出了“Problem-Oriented Teaching”

方法，在課程教學中拿出60%～70%的時間供學生開展綜合性或設(shè)計性項目的研究，設(shè)計解決方案，以此來提高學生的實踐創(chuàng)新能力?？v觀國內(nèi)外的專業(yè)課程教學，案例教學已成為培養(yǎng)學生工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力的重要方法。鑒于此，國內(nèi)多所高校的工科專業(yè)開展了相應的案例庫建設(shè)及基于案例教學的課程改革。例如：同濟大學開展了基于

“互聯(lián)網(wǎng)+”的專業(yè)學位研究生工程案例庫建設(shè)，研究了案例庫的建設(shè)方法，并確立了以WordPress網(wǎng)頁開發(fā)平臺與多媒體為基礎(chǔ)的案例庫開發(fā)技術(shù)，形成了案例庫系統(tǒng)框架[3]；東華大學機械工程專業(yè)學位研究生培養(yǎng)過程實施了基于案例教學的教學研究和探索實踐，設(shè)計了符合研究生培養(yǎng)方案的“機構(gòu)設(shè)計—機械制造—機電控制—產(chǎn)品改良設(shè)計”課程鏈，將案例教學融入研究生的培養(yǎng)過程，提升了學生的工程問題分析和解決能力，促進了學生工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。除此之外，中國礦業(yè)大學、華北電力大學、揚州大學、西安建筑大學、廣西民族大學等多所高校的專業(yè)學位研究生培養(yǎng)也都開展了基于案例教學的課程教學改革及案例庫建設(shè)工作，依托案例教學，有效地促進學生自主學習能力、工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真技術(shù)是科教融合、案例教學的強大載體，目前主要應用于涉危、高成本、大型或綜合訓練實驗平臺開發(fā)，在專業(yè)課程教學中的應用亟待加強[5-6]。本文基于科研成果、工程項目及科創(chuàng)設(shè)計，提煉教學案例，設(shè)計虛擬仿真實驗，開展化工裝備節(jié)能技術(shù)線上線下混合式一流課程建設(shè)，打造數(shù)字化教學資源，實現(xiàn)從傳統(tǒng)教學模式向智慧化教學模式的轉(zhuǎn)變。

1 "化工裝備節(jié)能技術(shù)線上線下混合式一流

課程建設(shè)實踐

1.1 "課程概況

化工裝備節(jié)能技術(shù)是中國石油大學（華東）國家級特色專業(yè)過程裝備與控制工程專業(yè)的選修課，選課人數(shù)占年級總?cè)藬?shù)的50%以上。課程主要任務是針對典型的化工過程系統(tǒng)、化工過程裝備進行熱力學節(jié)能分析，分析能量損失的原因、能量損失的分布，根據(jù)科學用能的基本原則給出節(jié)能的對策和可行的節(jié)能方案。

1.2 "線上線下混合式教學設(shè)計

傳統(tǒng)教學模式下，學生的學習過程主要由兩個階段組成[7]：第一階段是知識的講授，一般在課堂上通過教師講解完成；第二階段是內(nèi)化吸收，通過學生在課下自習，比如在作業(yè)或課題的解答中完成。線上線下混合式教學對這兩種形式進行了顛覆，知識傳授通過信息技術(shù)的輔助在課前先行自學完成，知識內(nèi)化則在隨后的課堂中經(jīng)教師的解疑或同學的協(xié)同探究完成，從而形成翻轉(zhuǎn)課堂。要實現(xiàn)“先教再學”向“先學再教”的轉(zhuǎn)變，需要依托短視頻等強大的在線資源[8]?；诖耍岢鰳?gòu)建如圖1所示的問題導向的線上線下混合式教學方式，線下教學擬借鑒加拿大高校課堂的經(jīng)驗[9]，加強課堂互動

性；線上教學通過虛擬仿真的案例分析，在知識記憶、理解的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)應用、分析、評價和創(chuàng)造的高階學習目標。

1.3 "線上線下混合式一流課程建設(shè)實踐

具體的課程建設(shè)實踐主要從數(shù)字化教學資源開發(fā)和虛擬仿真案例庫建設(shè)兩個方面實施。

1.3.1 "數(shù)字化教學資源開發(fā)

根據(jù)教學目標，確定教學知識點分布，完成短視頻錄制。如表1所示，該課程已完成32課時的錄播，按知識點剪輯成了40多個15 min左右的短視頻。首先，短視頻的制作要控制視頻的難度、保持適宜的時長并注重視覺效果，以增進線上學習的流暢度。其次，利用雨課堂，設(shè)置知識點檢測與隨堂測試，提高學生在線學習的參與度與課程管理的信息化水平。課程內(nèi)容設(shè)置注重理論與實踐相結(jié)合，比如，節(jié)能技術(shù)部分化工單元過程節(jié)能分析與化工單元裝備節(jié)能技術(shù)緊密結(jié)合，如圖2所示。

1.3.2 "虛擬仿真案例庫建設(shè)

從三個方向進行研究性案例開發(fā)：1）過程工業(yè)用能的熱力學分析方法及其應用；2）夾點技術(shù)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計綜合；3）能源裝備節(jié)能新技術(shù)。表2

列出了部分案例。同時鼓勵學生進行案例開發(fā)，比如，利用夾點技術(shù)進行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計優(yōu)化、改造綜合時，簡單的2～4股流的換熱問題，會在課堂上進行問題表法求解；較復雜的多股流換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點設(shè)計，鼓勵學生分組自學，利用Aspen Energy Analyzer等進行探究，研究結(jié)果用PPT進行課堂匯報，該部分成績占總成績的40%以上，既可培養(yǎng)學生運用所學理論、方法、知識解決復雜工程問題的能力，又可增強過程考核的強度和靈活性。

在過程工業(yè)用能的熱力學分析案例教學中，以余熱資源利用為例，選取工程實際中應用較廣泛的機械壓縮式熱泵技術(shù)、吸收式熱泵技術(shù)、有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)和卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)作為典型熱力循環(huán)，基于Aspen Plus化工流程模擬軟件設(shè)計了開放探索式多熱源—多熱力循環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)包括：1）余熱熱源供給系統(tǒng)，基于專業(yè)實習和工程項目實踐積累，已建成多過程、多工況余熱熱源庫；2）熱力循環(huán)系統(tǒng)，開放性設(shè)置，可根據(jù)工程技術(shù)發(fā)展實時補充新型熱力循環(huán)；3）冷卻系統(tǒng)；4）回熱系統(tǒng)，可進行不同類型冷凝器、換熱器的選型。

圖3展示了采用有機朗肯循環(huán)（ORC）進行污油泥熱解過程余熱回收的仿真系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)既能滿足學生開展多種類型余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計、熱力性能模擬，又支持學生自主進行單螺桿膨脹機、換熱器、泵、節(jié)流裝置等關(guān)鍵設(shè)備的選型以及裝置運行參數(shù)對余熱回收系統(tǒng)節(jié)能特性影響的研究。比如，可以設(shè)置包括工質(zhì)類型、熱源進出口溫度、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力等的工況參數(shù)，研究其對余熱回收系統(tǒng)效率的影響。圖4展示了六種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)效率隨熱源進口溫度的變化情況，便于篩選系統(tǒng)效率較高且對熱源溫度變化的穩(wěn)定性較好的工質(zhì)。

為了便于學生深入理解能量梯級利用及先進能源系統(tǒng)等新型節(jié)能技術(shù)，基于Aspen HYSYS流程模擬軟件設(shè)計了液化天然氣（LNG）三段式冷能梯級利用虛擬仿真系統(tǒng)（圖5）。按照溫區(qū)由低到高，設(shè)置三個冷能利用單元：輕烴分離單元、雙級串并聯(lián)ORC-碳捕集單元和制冷單元，分別對應低溫溫區(qū)（-162 ℃～-100 ℃）、中間溫區(qū)（-100 ℃～

-50 ℃）和普冷溫區(qū)（-50 ℃～0 ℃）。輕烴分離工藝可以將進口LNG中豐富的輕烴資源，通過閃蒸塔、脫甲烷塔、脫乙烷塔等進行分離，從而獲得高純度乙烷，不僅能降低乙烯生產(chǎn)和液化石油氣的能耗，還有利于天然氣資源的綜合化利用。雙級串并聯(lián)ORC-碳捕集單元，利用LNG接收站燃燒設(shè)備的低溫余熱作為熱源，通過四組ORC的合理串并聯(lián)配置，進行動力循環(huán)發(fā)電；同時利用LNG冷能將煙氣中的氣態(tài)CO2冷凝分離，無需將煙氣壓縮到高壓，降低了捕集過程能耗。制冷單元通過制冷工質(zhì)在換熱器內(nèi)吸收LNG冷能再釋放給用冷場所，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的輕烴—冷—電三聯(lián)供及碳捕集。該綜合用能系統(tǒng)幾乎涵蓋了所有典型化工裝備，如換熱器、分離器、泵、壓縮機、加熱器、冷卻器、塔、透平等，以及有機朗肯循環(huán)發(fā)電、低溫分離碳捕集、輕烴分離及機械壓縮制冷等多工藝過程。學生可以對各工藝單元的物理?、設(shè)備?損失以及LNG冷能綜合回收利用系統(tǒng)的總?效率進行分析計算，對系統(tǒng)進行熱經(jīng)濟性分析和環(huán)境影響評價，如計算碳捕集量和負碳因子等。

2 "結(jié)束語

一流課程建設(shè)是高等教育改革的必經(jīng)之路、重中之重。線上線下混合式一流課程建設(shè)，需要精心的教學設(shè)計、信息技術(shù)與教育教學的深度融合。建設(shè)的關(guān)鍵在于教學模式的轉(zhuǎn)變和數(shù)字化教學資源開發(fā)。虛擬仿真案例教學是科教融合、智慧化教育的重要抓手。當前，虛擬仿真技術(shù)主要應用于實驗平臺開發(fā)等實驗教學，在專業(yè)課教學中的應用亟待加強。應該鼓勵教師將科研成果、工程研發(fā)成果應用于虛擬仿真案例，這不僅有助于促進線上線下教學中師生的互動交流，還能引導學生進行探究式學習，在知識傳授的基礎(chǔ)上，加強思維訓練，實現(xiàn)學生對復雜工程問題進行分析、研究、評價和創(chuàng)造的高階學習目標。

3 "參考文獻

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