“過程裝備成套技術”混合式課程建設與實踐探索

郭曉峰，王少鋒，王 帥，呂亮國，袁 博，譚 心

（內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古包頭 014010）

0 引言

近年來，新一輪科技革命和產業革命與中國加快轉變制造業發展方式形成歷史性交匯，面對互聯網、大數據、人工智能的發展浪潮，流程企業需利用這些新技術實現工廠數字化、網絡化、智能化轉型。此同時，新形勢下相關企業對專業人才的工程實踐知識和綜合實踐創新能力提出了更高的要求，不僅需要學生掌握單個機器和設備的設計，而且需要學生具有集成成套裝備的能力。

“過程裝備成套技術”是針對過程裝備與控制工程專業學生開設的一門與工程實際緊密結合的綜合性專業課程，其是以工藝生產過程為主線，以增強學生“系統”觀念和工程意識為目標，將過程工藝、過程裝備與過程控制等三大知識體系相結合，課程涉及的知識面寬，且具有很強的實踐性與綜合性。目前，由于該課程的特殊性，很難在課內開展過程裝備成套裝置的系統性實驗。近年來，隨著虛擬仿真技術的興起，國內許多教育研究者將傳統教學模式與虛擬仿真實驗技術相結合，相繼開展了一系列教育教學改革的探索與嘗試，并提出了理論教學與虛擬仿真實驗教學相結合的混合式課程教學方法[1-3]。目前，這一新型的教學方法豐富了課程教學環節的內涵，重構了課堂教學，使學生將理論知識應用于工程實踐，做到了對所學課堂內容的二次或多次梳理和消化，這極大地擴展了傳統教學的時間和空間，并有助于培養學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力。基于此，詳細探討了過程裝備成套技術混合式課程的建設思路，闡述了虛擬仿真平臺的構建與設計，重點是理論教學與虛擬仿真實驗教學相結合的混合式課程創新實踐活動。

1 “過程裝備成套技術”課程教學現狀及改革需求

目前，“過程裝備成套技術”課程在內蒙古科技大學過程裝備與控制工程專業第七學期開設。學生在學習化工原理、壓力容器及過程設備設計、過程流體機械、過程裝備控制技術及應用等先修課程的基礎上，該課程以工藝生產過程為主線，將工藝設計、設備和管道設計、過程控制設計相結合，把學生在大學前三年所學到的各類自成體系的知識進行有機關聯與集成，使分散的知識系統化，從而形成完整的現代過程工業的概念。課程教學內容從新產品生產工藝設計與開發、經濟性和環境評價、機器和設備的選型、工藝參數的自動控制方案設計與選擇、管道設計、絕熱與防腐蝕設計，直到裝置的安裝、檢驗及試車，課程講授內容廣泛涵蓋了化工機械、電氣、儀表、暖通、土建、財務等各種專業知識，這使得課程具有極強的綜合性和實踐性[4-5]。這一特點客觀上要求學生在學習本課程過程中能夠由專業理論知識聯系生產實際，并從實踐中獲取更多的創新知識。然而，在實際教學過程中，受限于實驗成套裝置規模較大，使得過程裝備成套裝置的系統性實驗往往難以在課內開展，我校“過程裝備成套技術”課程多采用理論教學與課程設計相結合的形式完成。近年來，通過教學過程監控和課后考核發現：由于學生知識面偏窄，且理論教學與生產實踐教學結合不夠緊密，導致學生學習過程存在脫節現象，這就從客觀上需要改變傳統、單一的教學方式和方法[6]。

隨著我國信息化、智能化和工業化深度融合的不斷推進，過程工業不僅需要學生能夠設計出相關過程單元設備與機器，而且要求其能夠將各種單元設備集成為過程成套裝備，即過程工業越來越需要高校培養高素質復合型人才。人才培養的創新，客觀上需要課程先行。“過程裝備成套技術”作為一門提升學生（相關）專業基礎知識應用能力和實踐創新能力的專業核心課程，當前的教學形式與手段難以達到預期的課程教學目標和效果。鑒于此，為了進一步適應現代過程工業對工程應用型人才的實際需求，亟需開展課程的教學，尤其是實踐教學改革。

2 虛擬仿真實驗教學體系的構建與設計

內蒙古科技大學“過程裝備與控制工程”專業的培養目標是培養掌握過程工藝原理、裝備與控制等多學科基礎理論知識和技能，能夠在能源、電力、石油化工、機械、煤化工、醫藥、食品、新材料等相關領域從事過程裝備的研究開發、設計制造、監測檢測、運行維護和項目管理等方面工作的高素質應用研究型人才。為了有效破解實驗器材、儀器設備臺套數較少和實驗成套裝置規模較大的實驗教學問題，專業基于智能制造數字孿生教育平臺FABDT，自主開發了以高純氫還原三氯氫硅制多晶硅生產過程為主線的過程裝備成套技術虛擬仿真實驗，實驗內容主要包括多晶硅生產工藝流程設計、設備選型與布置、管道系統設計與布置、成套裝置可行性分析與評價等四個方面。

2.1 多晶硅生產工藝流程設計

在過去的20 年間，國內外多晶硅生產工藝多采用改良西門子法，其原理是在1100 ℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純三氯氫硅，生成多晶硅沉積在硅芯上[7]，工藝流程如圖1 所示。針對這一工藝方法，確定整個生產流程中各個生產過程中的具體工藝、順序和組合方式，以便實現由材料制得所需的目標產品。在此基礎上，繪制工藝流程圖，如圖2（a）所示，即用圖解的方式表示各個生產過程中的物料和能量變化、流向，以及所采用的設備、閥門和控制儀表等。

圖1 高純氫還原三氯氫硅制多晶硅工藝流程圖

圖2 高純氫還原三氯氫硅制多晶硅過程虛擬仿真系統

2.2 設備選型與布置

基于多晶硅生產工藝流程，在實際生產過程中主要涉及兩類裝備，即靜設備和動設備。其中，靜設備主要包括換熱器、合成塔、還原爐和儲罐等；動設備又包括泵、壓縮機和離心機等。這些設備所涉及的種類繁多，并且各設備的功能和型號各不相同，如何選擇合適的機型，并將各種設備、管道與儀表貫穿起來，直接決定了生產過程能否長周期高效率運行，這也是傳統理論教學的難點。對于學生而言，基于虛擬仿真實驗平臺可以查看各種設備的內部結構和工作原理，明確各種設備的作用與用途，并進行各種設備的選型與空間布置，如圖2（b）所示。這一模塊打破了傳統教學在時間和空間上的局限，有效地提升學習的廣度和深度。

2.3 管道系統設計與布置

過程工業生產是以流程性物料為原料，經過一系列的物理和化學反應，最終生產具有特定使用價值的產品[4]。要實現以上目標，管道是實現物料輸運所不可或缺的重要組成部分。在學生完成了設備選型與空間布置后，還需要將各種管線連接到相關設備的接管上，從而完成管道連接（如圖2（c）所示）。在這一模塊，學生可以通過布置管線的空間走向，進一步明確工業管道的組成、選型、設計要求與程序，并為管道空視圖的繪制提供重要指導。在此基礎上，通過進行管道應力計算，比較不同管道設計方案的優劣，進而理解管道設計的相關標準與規范。

2.4 多晶硅生產裝置的可行性分析與評價

在對多晶硅生產工藝流程、設備選型與布置、管道系統設計與布置完成的基礎上，從經濟、節能、環境、健康和安全等方面進行項目的可行性分析與評價（圖3），并結合理論教學內容，重點估算項目的總成本，以便加強學生在經濟、社會責任等方面的培養。

圖3 多晶硅生產裝置的可行性分析與評價內容

3 混合式教學的創新與實踐

3.1 理論課程教學

在課堂教學中教師進行過程裝備成套技術基本知識的講授，主要包括項目可行性研究與評價、工藝流程開發與設計、過程裝備設計、選型與布置、管道設計與布置、絕熱和防腐設計、過程設備安裝、試車、驗收及典型過程裝置實例等內容。課程中段安排進行管道應力分析、管道柔性設計等實踐和理論相結合的學習活動，提高學生學習積極性和動手能力。

3.2 虛擬仿真實驗教學

眾所周知，化工成套裝備千差萬別，樣數千奇百怪，想要短期內以工藝生產過程為主線將實際生產中的各環節串成一體，其難度可想而知。為了更好地實現課程的教學目標，在傳統理論教學的基礎上，虛擬仿真實驗教學環節以多晶硅生產過程為主線，將工藝流程設計、設備選型與布置、管道系統設計與布置和可行性分析與評價等內容有機融入教學過程（圖2）。這有助于將枯燥的理論知識直觀地展現給學生，有利于增強學生對教材內容的理解與掌握，同時有效地提高了學生解決復雜工程問題的能力。

3.3 拓展與企業實際需求相結合的實驗項目

在開設基礎虛擬仿真實驗（圖2）基礎上，學生可以從自身興趣和生產實際出發，以企業和市場需求為導向，充分發揮虛擬仿真實驗在時間自主、空間自由和實現安全、便捷方面的優點，基于FABDT 虛擬仿真平臺，自主進行實驗項目的二次開發，這有效推動了“虛擬與現實”“教學與科研”之間的相互融合與相互促進。近年來，學生已開展了多晶硅生產過程中氯硅烷分離提純、合成氣干法分離和四氯化硅冷氫化等工藝過程的虛擬仿真系統搭建，上述實踐活動落實了“以學生為中心”“應用創新為牽引”的教學理念。

3.4 課下討論、答疑和測試模塊

在課程學分受限的情況下，為了更好地豐富課程教學內容，并引導學生課后自主學習，實現學習模式由老師講授為主導向學生為主導的轉變，課程基于前期開發的慕課教學平臺[8]，增設了老師與學生之間的互動。針對每一章節的知識點，教師提出了具體的討論題目，并設計了相應的練習，及時幫助學生消化每一章節的重點內容。對于難點問題，學生可以在互動討論區與老師、同學進行交流，及時得到必要的外部支持。同時，學生可以在線提交作業、參加課程問卷和參與在線測試，課程線上討論、答疑和測試數據統計示例如圖4 所示。

圖4 線上討論、答疑和測試數據統計示例

3.5 教學改革的評估與體系完善

“過程裝備成套技術”課程是過程裝備與控制工程專業重要的核心課程，也是畢業設計以及工作中都要應用的一門課程，其重要性不言而喻。對于本課程的教改，為慎重起見，授課教師采用對比組的形式進行改革試點，即將部分參與教學改革的學生組和不參與教學改革的學生組的數據進行統計。教學當中要收集相關資料，如：學生的裝備設計資料、教學資料和模型、教學過程記錄、教學實驗報告；收集學生的成績單、教師和學生的心得體會、教師評價和學生的自我評價及教學總結報告。分析所得的數據，開展教學改革總結，并修正教學實踐改革中所出現的問題和不足，完善改革措施，為全面推行新的教學體系做好充分的準備。

4 結語

“過程裝備成套技術”的課程特點客觀上需要改變傳統的教學方式和方法。以學生為主體，充分利用虛擬仿真實驗平臺，將傳統理論教學與虛擬仿真實驗教學相結合，詳細介紹了過程裝備成套技術混合式課程的建設思路，闡述了虛擬仿真平臺的構建與設計，并重點介紹了理論教學與虛擬仿真實驗教學相結合的混合式課程創新實踐活動。實踐證明：混合式課程重構了課堂教學，豐富了課程教學環節的內涵，擴展和延伸了傳統教學的時間和空間，其讓課堂充滿彈性。本研究探討一種先進的教學方法和相關教學經驗，為新時期下過程裝備成套技術課程教育教學新體系的改革提供參考和借鑒。該教學方法符合目前一流課程和一流專業的建設需求，滿足專業認證中持續改進的要求，其使該課程教育教學效果達到一個新高度，對持續提高學生解決復雜工程問題的能力具有重要的指導意義。