項目式教學在化工原理課程中的應用*

李守博，佟永純，楊自嶸，白慶玲

(河西學院化學化工學院,甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，甘肅 張掖 734000)

項目式教學法，是2018年10月教育部、工業和信息化部、中國工程院發布的《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》(教高〔2018〕3號)中明確推廣實施的一種教學方法[1]。在眾多以學習者為中心的教學模式中，項目式教學由于其對學習者能力發展的全面性、學習產出的多樣性而受到關注。項目式教學法嘗試通過實施一系列完整的教學項目，將理論和實踐有機地結合，它以任務為導向進行教學活動，以培養學生的專業技能為教學首要任務[2]。項目化教學的指導思想是將一個獨立的項目或任務交給學生，教師起輔助作用，讓學生自主把握和完成每一環節，增強實踐技能和分析解決工程問題的能力[3]。該教學方法相于較傳統教學法在提高學生的創新能力、研究能力、團隊協作、溝通能力等方面具有明顯優勢。

《化工原理》課程是化工類及相近專業的一門主要技術基礎課，它是綜合運用數學、物理和化學等基礎知識，分析和解決化工類型生產中各種物理過程(或單元操作)問題的工程學科，該課程擔負著由理論到工程、由基礎到專業的橋梁作用，對化工類及相近專業學生的業務素質、工程能力與創新能力的培養起著至關重要的作用。《教育部關于一流課程建設的實施意見》明確提出：要提升課程的高階性，突出課程的創新性，增加課程的挑戰度?；ぴ碓诶碚撆c實踐的教學過程中也要順應工程教育專業認證和新工科建設的需要進行適時改變[4]。項目式教學法被認為是實現上述目標、打造金課的重要教學形式。

河西學院煤制甲醇生產工藝仿真工廠是河西學院與北京東方仿真軟件技術有限公司于2019年共同開發建設的。該仿真工廠采取虛實結合的方式，展現了包括半實物流程裝置單元、DCS模擬控制部分和仿真軟件系統三部分在內的仿真實訓教學系統。半實物仿真裝置是按照典型的煤制甲醇生產工藝設立的半實物裝置，包括了球磨機、離心式透平壓縮機、精餾塔、吸收塔、解吸塔、合成塔、氣化爐、變換爐、換熱器等典型設備。我們將化工原理項目式教學與仿真工廠相結合心以“學生”操作為主體，教師指導為輔；力求貼近“工廠環境”，將教學、企業的需求直接轉化成課程內容的設置安排，體現崗位職業化需求。

1 化工原理開展項目式教學的必要性

化工原理課程中的單元操作主要涵蓋了化工過程的動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞三個方面。化工原理教材設計及課程教學的思路一般為以某一單元操作為一個章節。在這一章中先介紹該單元操作的基礎理論知識如基本概念、操作的目的與依據等，在此基礎上講解單元操作的基本原理、相關計算、設備結構、操作以及過程的優化[5]。但是教學過程存在與企業生產實際相脫節，學生對未來所能從事的工作崗位不明確，對工作崗位與本課程所學知識之間的聯系不清晰等問題，因而導致學習本課程的目的性不強、主動性不夠。因此，我們結合河西學院煤制甲醇仿真工廠引入項目式教學對化工原理課程的教學過程進行了改革探索。

2 項目式教學應用研究

我們結合河西學院煤制甲醇仿真工廠對化工原理課程的教學進行項目式教學。化工原理課程中的應用實際教學過程中，在講授完每章知識后，要求學生完成項目任務。下面以流體輸送機械中的學習為例展示在本課程中項目式教學法的應用，圖1為化工原理開展項目式教學學生學習過程結構。

圖1 化工原理開展項目式教學學生學習過程結構Fig.1 Learning process structure of students in project teaching of Chemical Engineering Principles

2.1 確定項目任務

項目任務的題目基于實際生產工藝，使得學生明確所學知識與未來工作崗位之間的聯系，進而提高學生學習化工原理的興趣。化工原理課程涉及的單元操作主要有流體流動、流體輸送、過濾、沉降、傳熱、蒸發、蒸餾、吸收和解吸、萃取、干燥等。這些單元操作中，每一個都可以自成一體成為中型項目[6]。在項目式教學實施時，要在單元操作中選取難度適中的內容去制定項目任務書。項目任務書不僅要符合理論課的教學進度，而且不能超出學生能力范圍，以免打擊學生的自信心。例如流體輸送機械這一章進行項目式教學時，我們通過展示流體輸送機械的相關應用場景照片和視頻，引導學生們發散思維，集思廣益從而創設學生感興趣的項目情境，提高學生學習流體輸送機械的興趣。

流體輸送機械這一章進行項目式教學時，教師首先進行流體輸送機械的相關知識的課堂教學，但是學生僅僅通過課堂學習只能初步了解流體輸送機械的主要部件和運轉的工作原理。在進行項目式教學時應該從全局出發，多角度考慮，將流體輸送機械涉及到的工藝知識連接起來，例如我們基于煤制甲醇仿真工廠設計了低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的選擇的項目任務。低溫甲醇洗工藝是煤化工裝置煤液化中采用物理吸收法的一種酸性氣體凈化工藝，利用變換氣中的主要脫除成分H2S、CO2等在吸收劑甲醇中的溶解度不同，在吸收塔中進行分別吸收，并在后續的甲醇再生過程中，分別解析出來，進行回收利用。CO2送往CO2產品單元，H2S送入到硫回收單元。目前國內已有多套大型酸性氣體凈化裝置采用了低溫甲醇洗工藝，甲醇洗裝置包括：原料變換氣冷卻、酸性氣體H2S/CO2吸收、甲醇溶液閃蒸再生與有用氣體H2、CO等的回收、CO2解吸與CO2產品氣回收、H2S濃縮(N2氣提)、甲醇溶液熱再生與H2S回收、甲醇/水分離、尾氣水洗回收甲醇。低溫甲醇洗工藝涉及的流體輸送機械如表1所示，該工藝能耗最低，但對設備要求嚴格，貧甲醇泵作為工藝系統的主洗泵，為CO2、H2S吸收塔提供貧甲醇，使貧甲醇泵壓力達到工藝要求，其穩定運行是工藝的關鍵，并和系統的連續運行息息相關[7]。

表1 低溫甲醇洗工藝涉及的流體輸送機械Table 1 Fluid conveying machinery involved in low temperature methanol washing process

結合低溫甲醇洗工藝不僅使學生學習了解了工藝原理、流體輸送機械相關理論知識，而且拓展了學生化工視野。項目任務書包括六個子項目：(1)低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的選擇；(2)貧甲醇泵基本原理；(3)低溫甲醇洗工藝流程圖和貧甲醇泵設備圖的繪制；(4)低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的實際操作；(6)低溫甲醇洗工藝產品仿真模擬測試。

2.2 項目實施

(1)確定項目任務，例如在確定低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的選擇為項目任務以后，首先學生們經過課堂上對流體輸送機械這一章的學習，對流體輸送機械這一單元有一定的認識和了解，初步了解流體輸送機械的工作原理及相關知識。根據教師給出的工作任務書，學生明確了將要查找和完成的任務內容，以便更好地進行工作。項目式教學提倡以學生為主體，但并不是教師在學生完成項目過程中袖手旁觀，而是需要教師要時刻關注學生的項目進展，隨時做好為學生答疑解惑的準備。

(2)合理分配項目小組人員，每三人一組，將擅長思考、基礎較好的學生和基礎一般的學生合理搭配，要求成功組隊的各組推選出一名組長，組長負責分配工作任務、協調及實施等其他方面工作。要求成員之間要分工明確，積極交流，取長補短，最重要的是反思自身在學習中所存在的漏洞及時進行彌補。在分配過程教師可以對各小組的人員分配情況進行必要的調整。

(3)資料查閱、匯總整理，各小組通過圖書館、互聯網等、數據庫等渠道查閱低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的相關背景資料，整理匯總，針對任務書中的任務進行計算，并對計算結果進行交流討論。教師可以盡可能給學生提供比較權威的圖書資料、數據庫以及軟件資源供學生們使用。避免因搜集資料的差距懸殊導致的項目進度參差不齊。

(4)仿真工廠模擬實訓，各小組在完成對低溫甲醇洗工藝管路的設計、選擇出合適的流體輸送機械型號，可以在進行安全培訓后進入到煤制甲醇仿真工廠對低溫甲醇洗工藝進行認知學習，并且使用DCS模擬控制和仿真軟件系統(如圖2所示)對貧甲醇泵操作進行仿真實訓。對學生的操作仿真軟件系統會進行評價，會指出操作錯誤和操作失誤所造成的事故。學生通過仿真實訓可以思考如何在實踐中規避失誤，總結反思及時改進。

圖2 低溫甲醇洗工藝仿真工廠DCS畫面Fig.2 DCS picture of low temperature methanol washing process simulation plant

(5)反饋信息，項目中期要求各小組組長匯報項目的進度以及過程中遇到的疑難問題，并通過集體討論對項目中的問題進行有效解決。教師在此過程中，對存在問題小組進行個別的、啟發式指導，真正以學生為主體給學生足夠的空間去解決問題。

2.3 項目評價總結

評價總結是項目式教學過程的關鍵部分。教師要鼓勵學生通過制作多媒體課件或者拍攝視頻到臺前來展示自己的作品。采取組員自評、小組互評、教師點評相結合的方式，分析各組的優缺點，引導學生取長補短和改進自己的作品。最后教師根據各組提交的項目說明書和設備圖紙結合答辯情況給出綜合成績。

3 項目式教學效果評價

3.1 明確教學和學習目標，激發學生主動性學習

項目式教學不僅使學生增加了對化工原理的學習興趣，同時讓學生意識到了化工原理這門課程的重要性和實用性。本章的主要知識點在項目完成過程中基本上都得到了很好的運用，使枯燥的理論知識貼近了生產實際。

3.2 提高學生解決問題的能力，樹立了工程意識

學生根據教師發布的任務書，自己查找資料、分析并解決項目中遇到的實際問題。學生們通過仿真工廠自己手操作，對單元操作有了更深一步的理解，此外，學生能通過項目式教學認識到了單元操作的本質以及應用場合。學生應用理論知識去處理工程問題的過程中逐步樹立起了工程意識。

4 結 語

本課程的特色在于：(1)強調實踐導向，聚焦于設計和實施項目式教學中的疑點和難點，如：如何選擇合適的項目，如何設計項目式教學的課上活動等，最大限度保證項目式教學成功；(2)完整介紹項目式教學的設計流程，結合我校應用型人才培養目標，實施項目式教學的過程中，通過將仿真工廠用于化工原理的項目式教學，不僅可以克服學生在化工原理實驗室所能接觸到的實驗裝置設備種類有限的問題，而且以學生為核心，將教師從傳統教學的核心轉變為教學活動的組織者、監督者和輔導者，讓學生在完成項目的過程中，以完成項目任務為目標，激發學生對化工原理的學習興趣，夯實理論基礎，團結協作、交際溝通等能力提高，有助于培養學生的團體意識和創新精神。