基于虛擬仿真案例教學的化工裝備節能技術線上線下混合式一流課程建設

摘 "要 "以問題導向的自主學習為目標，開發短視頻數字化教學資源；以啟發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，構建多熱

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

關鍵詞 "虛擬仿真案例教學；線上線下混合式；化工裝備節能技術；一流課程；數字化教學資源；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

專業是人才培養的基本單元，課程是人才培養的核心要素。為貫徹落實習近平總書記關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上[1-2]。《教育部關于加強專業學位研究生案例教學和聯合培養基地建設的意見》中指出，加強案例教學是強化專業學位研究生實踐能力培養，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，將學科專業領域的相關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計性項目的研究，設計解決方案，以此來提高學生的實踐創新能力。縱觀國內外的專業課程教學，案例教學已成為培養學生工程實踐能力和工程創新能力的重要方法。鑒于此，國內多所高校的工科專業開展了相應的案例庫建設及基于案例教學的課程改革。例如：同濟大學開展了基于

“互聯網+”的專業學位研究生工程案例庫建設，研究了案例庫的建設方法，并確立了以WordPress網頁開發平臺與多媒體為基礎的案例庫開發技術，形成了案例庫系統框架[3]；東華大學機械工程專業學位研究生培養過程實施了基于案例教學的教學研究和探索實踐，設計了符合研究生培養方案的“機構設計—機械制造—機電控制—產品改良設計”課程鏈，將案例教學融入研究生的培養過程，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新能力的培養[4]。除此之外，中國礦業大學、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學位研究生培養也都開展了基于案例教學的課程教學改革及案例庫建設工作，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新能力的培養。

虛擬仿真技術是科教融合、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，在專業課程教學中的應用亟待加強[5-6]。本文基于科研成果、工程項目及科創設計，提煉教學案例，設計虛擬仿真實驗，開展化工裝備節能技術線上線下混合式一流課程建設，打造數字化教學資源，實現從傳統教學模式向智慧化教學模式的轉變。

1 "化工裝備節能技術線上線下混合式一流

課程建設實踐

1.1 "課程概況

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

1.2 "線上線下混合式教學設計

傳統教學模式下，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；第二階段是內化吸收，通過學生在課下自習，比如在作業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的輔助在課前先行自學完成，知識內化則在隨后的課堂中經教師的解疑或同學的協同探究完成，從而形成翻轉課堂。要實現“先教再學”向“先學再教”的轉變，需要依托短視頻等強大的在線資源[8]。基于此，提出構建如圖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、理解的基礎上，實現應用、分析、評價和創造的高階學習目標。

1.3 "線上線下混合式一流課程建設實踐

具體的課程建設實踐主要從數字化教學資源開發和虛擬仿真案例庫建設兩個方面實施。

1.3.1 "數字化教學資源開發

根據教學目標，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。課程內容設置注重理論與實踐相結合，比如，節能技術部分化工單元過程節能分析與化工單元裝備節能技術緊密結合，如圖2所示。

1.3.2 "虛擬仿真案例庫建設

從三個方向進行研究性案例開發：1）過程工業用能的熱力學分析方法及其應用；2）夾點技術換熱網絡設計綜合；3）能源裝備節能新技術。表2

列出了部分案例。同時鼓勵學生進行案例開發，比如，利用夾點技術進行換熱網絡的設計優化、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絡的夾點設計，鼓勵學生分組自學，利用Aspen Energy Analyzer等進行探究，研究結果用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、吸收式熱泵技術、有機朗肯循環發電技術和卡琳娜循環發電技術作為典型熱力循環，基于Aspen Plus化工流程模擬軟件設計了開放探索式多熱源—多熱力循環虛擬仿真系統[10]。該系統包括：1）余熱熱源供給系統，基于專業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）熱力循環系統，開放性設置，可根據工程技術發展實時補充新型熱力循環；3）冷卻系統；4）回熱系統，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（ORC）進行污油泥熱解過程余熱回收的仿真系統設計。該系統既能滿足學生開展多種類型余熱回收系統的設計、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、節流裝置等關鍵設備的選型以及裝置運行參數對余熱回收系統節能特性影響的研究。比如，可以設置包括工質類型、熱源進出口溫度、蒸發壓力、冷凝壓力等的工況參數，研究其對余熱回收系統效率的影響。圖4展示了六種工質的ORC系統效率隨熱源進口溫度的變化情況，便于篩選系統效率較高且對熱源溫度變化的穩定性較好的工質。

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

-50 ℃）和普冷溫區（-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ORC-碳捕集單元，利用LNG接收站燃燒設備的低溫余熱作為熱源，通過四組ORC的合理串并聯配置，進行動力循環發電；同時利用LNG冷能將煙氣中的氣態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在換熱器內吸收LNG冷能再釋放給用冷場所，最終實現整個系統的輕烴—冷—電三聯供及碳捕集。該綜合用能系統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，以及有機朗肯循環發電、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?、設備?損失以及LNG冷能綜合回收利用系統的總?效率進行分析計算，對系統進行熱經濟性分析和環境影響評價，如計算碳捕集量和負碳因子等。

2 "結束語

一流課程建設是高等教育改革的必經之路、重中之重。線上線下混合式一流課程建設，需要精心的教學設計、信息技術與教育教學的深度融合。建設的關鍵在于教學模式的轉變和數字化教學資源開發。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，虛擬仿真技術主要應用于實驗平臺開發等實驗教學，在專業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，在知識傳授的基礎上，加強思維訓練，實現學生對復雜工程問題進行分析、研究、評價和創造的高階學習目標。

3 "參考文獻

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