《過程設(shè)備設(shè)計》MOOC課程建設(shè)與實踐

董金善，王海峰，周劍鋒，周勇軍

（南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京）

一 引言

南京工業(yè)大學(xué)是全國最早設(shè)立過程裝備與控制工程本科專業(yè)的五所高校、最早設(shè)立化工過程機械博士點的三所高校之一，具有悠久的專業(yè)辦學(xué)歷史。八十年代的第一本全國通用教材《化工容器及設(shè)備》就有我校的戴樹和教授與錢惠林教授參加編寫。1998年全國本科專業(yè)調(diào)整后，我校與浙江大學(xué)、鄭州大學(xué)發(fā)起編寫《過程設(shè)備設(shè)計》教材，獲普通高等教育“十一五”“十二五”“十三五”國家級規(guī)劃教材，多次獲得全國石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀教材一等獎。本文結(jié)合該教材內(nèi)容，介紹《過程設(shè)備設(shè)計》MOOC課程資源的建設(shè)及實踐情況。

二 課程內(nèi)容

《過程設(shè)備設(shè)計》課程是“過程裝備與控制工程”專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。其主要課程內(nèi)容包括彈性力學(xué)基礎(chǔ)、壓力容器設(shè)計理論及方法、典型過程設(shè)備的基本理論及設(shè)計方法等。本課程對壓力容器中的筒體、接管以及封頭等過程設(shè)備的主要部件作了彈塑性力學(xué)理論分析和計算設(shè)計公式推導(dǎo)，并對設(shè)備設(shè)計過程中所涉及到的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及常用材料的選擇做了詳細(xì)介紹。在此基礎(chǔ)上對如壓力儲罐、反應(yīng)釜、換熱器以及各類塔設(shè)備等典型過程設(shè)備的典型結(jié)構(gòu)、原理及主要零部件的設(shè)計計算做了詳細(xì)講解。

三 課程目標(biāo)

本課程是南京工業(yè)大學(xué)“過程裝備與控制工程”專業(yè)的核心課程，其目的是通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生將課本理論同實踐的工程實踐相結(jié)合，使學(xué)生活用課本知識并初步獲得從事壓力容器、熱交換器等相關(guān)壓力容器設(shè)計和研究開發(fā)的能力。具體課程目標(biāo)如下：

課程目標(biāo)1：熟悉壓力容器總體結(jié)構(gòu)；掌握壓力容器分類方法；能分析比較國內(nèi)外規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

課程目標(biāo)2：掌握回轉(zhuǎn)薄殼、厚壁圓筒的應(yīng)力分析方法及外壓圓筒穩(wěn)定性的分析方法；熟悉圓平板應(yīng)力的基本原理及其應(yīng)力分布；了解局部應(yīng)力分析方法及降低局部應(yīng)力的措施。

課程目標(biāo)3：熟知壓力容器常用鋼材；能分析制造工藝和環(huán)境等外界因素對材料性能的影響；掌握材料選用基本要求及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

課程目標(biāo)4：理解壓力容器設(shè)計文件的基本要求；熟悉壓力容器設(shè)計準(zhǔn)則，掌握壓力容器主要受壓元件的設(shè)計方法及計算步驟；能基于應(yīng)力分類準(zhǔn)則進行分析設(shè)計和疲勞設(shè)計，完整制定壓力容器制造相關(guān)技術(shù)要求。

課程目標(biāo)5：掌握儲存設(shè)備、塔設(shè)備、換熱設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備等典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計要領(lǐng)、強度計算方法。

四 建設(shè)措施

1.科學(xué)規(guī)劃在線學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)教學(xué)資源共享。

在《過程設(shè)備設(shè)計》省精品課程教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，圍繞教學(xué)目標(biāo)精心設(shè)計教學(xué)活動，科學(xué)規(guī)劃在線學(xué)習(xí)資源。包括課程介紹、負(fù)責(zé)人介紹、教學(xué)大綱、教案演示文稿、在線作業(yè)、試題庫、參考資料和課程教學(xué)錄像、微課制作等[1]。

2.開展在線學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)相結(jié)合、探索翻轉(zhuǎn)課堂等多種方式的課堂教學(xué)模式。

第一，探索《過程設(shè)備設(shè)計》翻轉(zhuǎn)式教學(xué)模式，課前組織學(xué)生觀看教學(xué)視頻，對本章授課內(nèi)容進行初步預(yù)習(xí)和針對性的練習(xí)；學(xué)生針對預(yù)習(xí)時的問題在課堂上認(rèn)真聽講并互相交流，發(fā)現(xiàn)并提出解決不了的共性問題，教師集中引導(dǎo)學(xué)生解答；教師設(shè)計應(yīng)用問題和項目，學(xué)生分組進行協(xié)作研究，課堂匯報成果；課后教師對教學(xué)效果進行評測。通過翻轉(zhuǎn)課堂，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高教師授課效率和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獲得團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新思維能力[2]。

第二，實施《過程設(shè)備設(shè)計》分層次提高教學(xué)模式改革，按照逐層遞進的原則將課程設(shè)置進一步細(xì)化，逐層提高學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ嫣嵘龑W(xué)生的理論創(chuàng)新能力與工程實踐應(yīng)用能力[3]。同時，將《過程設(shè)備設(shè)計》與《ASME設(shè)計軟件》課程結(jié)合，讓學(xué)生體驗國內(nèi)外的設(shè)備設(shè)計方法，在熟悉國內(nèi)SW6設(shè)計軟件的基礎(chǔ)上，能及時掌握國外ASME設(shè)計軟件，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計及就業(yè)等打下堅實基礎(chǔ)。

3.實施先進的實驗教學(xué)方法，提升“先進的實驗教學(xué)信息化水平”。

創(chuàng)新和使用多媒體實驗教學(xué)、仿真實驗教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)輔助實驗教學(xué)、自主式研究式實驗教學(xué)、開放式合作式實驗教學(xué)等教學(xué)手段，積極開發(fā)綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗項目[4]。為保障課堂內(nèi)容的與時俱進，教師將最新的研究成果生動并且高效地轉(zhuǎn)化為具有實效性、創(chuàng)新性和綜合性的實驗教學(xué)內(nèi)容。與此同時大力支持在校本科生積極參加大學(xué)生挑戰(zhàn)杯創(chuàng)新活動和創(chuàng)新基金資助計劃等相關(guān)國家級、省市級競賽。通過這些科研創(chuàng)新競賽活動，不僅可以使學(xué)生將所學(xué)知識學(xué)以致用，進而加深對課程內(nèi)容的理解；而且還可以激發(fā)出學(xué)生對參與科研過程的積極性，增強創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力。對于教師而言，教學(xué)要基于基本問題并結(jié)合典型項目和經(jīng)典案例開展互動式、研討式的教學(xué)方式；在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)、積極、深入地學(xué)習(xí)和研究知識。與此同時也要注重課本基礎(chǔ)知識與前沿科研成果、理論公式與工程實踐、經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合，虛擬仿真與實驗研究相結(jié)合，基本規(guī)范養(yǎng)成、基礎(chǔ)能力訓(xùn)練與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合，這樣才能使學(xué)生深刻掌握并靈活應(yīng)用所學(xué)知識，促進其多樣化成才[5]。

在通訊技術(shù)飛速發(fā)展的今天，教學(xué)隊伍將現(xiàn)代通訊信息技術(shù)融入到傳統(tǒng)教學(xué)方式中，通過利用線上師生溝通的方便性以及線上教學(xué)的靈活性，推進信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合。建設(shè)普通實驗教學(xué)、研究性實驗教學(xué)和虛擬仿真實驗教學(xué)等信息化實驗教學(xué)資源，利用學(xué)校信息管理平臺建立統(tǒng)一的實驗教學(xué)中心，推動課程管理、師生交流、教學(xué)評價的信息化，實現(xiàn)實驗內(nèi)容、空間、時間、人員、儀器設(shè)備等的高效利用和開放共享[6]。

4.按照“講一、學(xué)二、考三”的要求，建立多元化學(xué)習(xí)評價體系。

傳統(tǒng)對學(xué)生課程考核方式多是以期末考試成績?yōu)樵u價標(biāo)準(zhǔn)，此考核方式存在諸多弊端，不能客觀、科學(xué)地反映學(xué)生的全面水平[7]。因此在課程考核中，針對傳統(tǒng)考核方式“一錘定音”的局限性，擬按照“講一、學(xué)二、考三”的要求，建立多元化學(xué)習(xí)評價體系。不僅是單純考核學(xué)生背題答題的應(yīng)試能力，更主要的是考核學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)后，對該課程回顧和思考后提出問題、分析問題和自我解決問題的綜合能力。同時進一步深化對學(xué)生線上聽課情況考核和線下練習(xí)完成情況考核相融合，探索平日課程學(xué)習(xí)過程性評價、階段性評測和終結(jié)性評價相結(jié)合的多維度考核評價模式，促進學(xué)生自主性學(xué)習(xí)、過程性學(xué)習(xí)和沉浸體驗式學(xué)習(xí)，進而全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)能力。課程成績由終結(jié)性考核并結(jié)合過程性考核綜合評定。

五 MOOC課程資源

南京工業(yè)大學(xué)《過程設(shè)備設(shè)計》課程于2010年獲江蘇省精品課程，2016年獲批“十三五”江蘇省高等學(xué)校在線開放課程（MOOC），2017年完成了MOOC課程資源建設(shè)，在愛課程（中國大學(xué)MOOC）運行平臺上正式上線運行（https://www.icourse163.org/course/NJTECH-1001753225）。該MOOC課程資源包括課程公告1個、授課視頻46個、非視頻資源58個、測驗和作業(yè)16次習(xí)題總數(shù)206道、考核（試）2次試題總數(shù)53道，開課周數(shù)17周56學(xué)時。其中授課視頻包括課程介紹（說課）1個、壓力容器導(dǎo)言4個、壓力容器的應(yīng)力分析8個、壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響4個、壓力容器設(shè)計16個、儲運設(shè)備3個、換熱設(shè)備3個、塔設(shè)備4個、反應(yīng)設(shè)備3個，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 《 過程設(shè)備設(shè)計》MOOC課程授課視頻資源

六 課程特色

1.課程選用國家級規(guī)劃教材，課程內(nèi)容豐富。

本課程的教材選用鄭津洋、桑芝富（南京工業(yè)大學(xué)）等主編的《過程設(shè)備設(shè)計》，該教材2001年由化學(xué)工業(yè)出版社出版的“十二五”普通高等教育國家級規(guī)劃教材，2005年、2010年、2015年及2020年共五版，獲中國石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀出版物（教材類）一等獎。課程團隊主講教師董金善、王海峰于2020年參加了該教材“第五版”的修訂。

2.科學(xué)規(guī)劃在線學(xué)習(xí)資源，繁中求簡，責(zé)任引領(lǐng)。

本課程自2017年9月在中國大學(xué)MOOC平臺開放運行至今共6期。第一批國家一流本科課程申報后，補充了授課視頻23個，課程資源已包含教材8章全部內(nèi)容。建設(shè)過程貫徹“少而精、博而通”的教學(xué)思想，主動對接過程工業(yè)發(fā)展對先進設(shè)計人才的知識和能力需求，結(jié)合國家及行業(yè)發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)規(guī)劃學(xué)習(xí)資源[8]；并通過國際標(biāo)準(zhǔn)ASME的介紹，緊跟業(yè)界最新技術(shù)進展，與業(yè)界無縫對接，實現(xiàn)責(zé)任引領(lǐng)。

3.依托品牌，多方融合，培育工程能力。

南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)為江蘇省首批品牌專業(yè)，本在線課程是品牌專業(yè)的重要成果之一。依托品牌專業(yè)，團隊人員自主開發(fā)了“薄壁容器應(yīng)力測試、外壓容器失穩(wěn)、高壓容器爆破、攪拌容器性能測試”等實驗裝置，其中“攪拌容器性能測試裝置”獲國家發(fā)明專利。這批實驗裝置已在全國60余所高校獲得推廣應(yīng)用，促進了專業(yè)發(fā)展，受到兄弟院校的好評。同時，本專業(yè)通過了中國工程教育專業(yè)認(rèn)證，在線課程以專業(yè)認(rèn)證理念和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計教學(xué)方法和組織教學(xué)內(nèi)容，堅持“以學(xué)生為中心”，有力地培養(yǎng)了學(xué)員解決工程項目問題的能力。

4.按照“講一、學(xué)二、考三”的要求，建立多元化學(xué)習(xí)評價體系。

“講一”即老師講的內(nèi)容是1/3，“學(xué)二”即學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自學(xué)剩余的2/3內(nèi)容，“考三”即平時考核（在線討論與單元作業(yè)）、單元測驗、結(jié)課考試相結(jié)合[9]。擬按照“講一、學(xué)二、考三”的要求，探索平日課程學(xué)習(xí)過程性評價、階段性評測和終結(jié)性評價相結(jié)合的多維度考核評價模式，促進學(xué)生自主性學(xué)習(xí)、過程性學(xué)習(xí)和沉浸體驗式學(xué)習(xí)，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)能力，打通了全過程評價鏈。

七 MOOC課程的運行

《過程設(shè)備設(shè)計》MOOC課程分別于2017年09月25日-2017年12月31日、2018年03月05日-2018年06月30日、2018年09月01日-2019年01月31日、2019年03月04日-2019年06月30日、2020年02月16日-2020年06月08日、2020年09月08日-2021年01月30日開設(shè)了6期，共計6000余人參加，選課高校包括南京工業(yè)大學(xué)、常州大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、西南交通大學(xué)、中國石油大學(xué)（華東）、鄭州大學(xué)、南昌大學(xué)、中國科學(xué)院等40余所高校的“過程裝備與控制工程”專業(yè)學(xué)生參與選課學(xué)習(xí)，同時還有企業(yè)從事壓力容器設(shè)計與制造的工程技術(shù)人員參與選課學(xué)習(xí)。

1.申報高校教學(xué)中的應(yīng)用。

專業(yè)課程教學(xué)中，在線課程與本校課堂教學(xué)同步進行，校內(nèi)本專業(yè)學(xué)生100%參加在線課程學(xué)習(xí)及考核，課程予以綜合考核，加權(quán)考慮了在線課程以及課程思政情況。通過在線互動、在線討論等環(huán)節(jié)，增加了學(xué)生對課程的興趣，解答了學(xué)生的疑難問題，課程的通過率、對應(yīng)的畢業(yè)要求達成度都得到了顯著提高。如與開展MOOC學(xué)習(xí)前的2017學(xué)年相比，4個自然班的平均成績由75.3提高到2019學(xué)年的78.9。尤其在2020年疫情管控期間，本在線課程發(fā)揮了重要作用，選課人數(shù)劇增，實現(xiàn)了“停課不停教、停課不停學(xué)”。

2.面向其他高校學(xué)生和社會學(xué)習(xí)者的應(yīng)用。

本MOOC課程自2017年09月上線開課至今，開設(shè)了7期，共計4821人參加。選課高校包括華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、西南交通大學(xué)、中國石油大學(xué)（華東）、鄭州大學(xué)、南昌大學(xué)等32所高校，同時還有企業(yè)從事壓力容器的工程技術(shù)人員參與選課學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者評價：很棒，不錯的學(xué)習(xí)平臺。在線課程中老師們用簡單的語言描述抽象的概念，讓我十分輕松就能理解原本冗長的公式、概念，而且它提供了一個移動課堂。老師講解很清晰、易懂，課后題也可以讓我很好的復(fù)習(xí)，受益匪淺。從事壓力容器行業(yè)的人員可以多多學(xué)習(xí)，很好。平臺學(xué)習(xí)者評分為4.8分（滿分5分）。

3.行業(yè)專家的評價。

中國工程院院士、教育部高等學(xué)校機械工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任委員、華東理工大學(xué)涂善東教授評價：該課程的MOOC建設(shè)，運用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，開展在線學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)相結(jié)合、探索翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，為我國“過程裝備與控制工程”專業(yè)培訓(xùn)與課程改革提供了很好的借鑒，具有很好的引領(lǐng)作用；同時也是我國“壓力容器設(shè)計”一線的工程技術(shù)人員專業(yè)學(xué)習(xí)的最佳平臺。《過程設(shè)備設(shè)計》教材第一主編、中國工程院院士、浙江大學(xué)鄭津洋教授評價：該課程團隊有深厚的研究實力，教學(xué)起點高，眼界闊，思維活躍，理念比較先進，處在國內(nèi)《過程設(shè)備設(shè)計》課程改革的前列，在線課程教學(xué)水平已經(jīng)達到國內(nèi)先進水平。

八 結(jié)語

《過程設(shè)備設(shè)計》MOOC課程建設(shè)貫徹“少而精、博而通”的教學(xué)思想，主動對接過程工業(yè)發(fā)展對先進設(shè)計人才的知識和能力需求，結(jié)合國家及行業(yè)發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)規(guī)劃學(xué)習(xí)資源，并注意學(xué)科交叉，課程經(jīng)典內(nèi)容與現(xiàn)代科學(xué)內(nèi)容處理得當(dāng)[10]。采用開放式的實踐教學(xué)模式，集科學(xué)理論、實踐及能力培養(yǎng)于一體，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，先后獲省教育廳教學(xué)成果（高等教育類）二等獎2項；課程負(fù)責(zé)人獲“全國石油和化工行業(yè)教學(xué)名師”；該MOOC課程2021年獲得江蘇省首批“線上一流本科課程”，并被推薦申報了2021年國家“線上一流本科課程”。