基于虛擬仿真的化工安全與環(huán)保課程教學(xué)改革

田文德 趙 軍 陳秋陽(yáng)

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266042)

青島科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)為國(guó)家級(jí)特色專業(yè)和教育部卓越工程師計(jì)劃專業(yè)，擁有國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，兩次通過中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證，2019年被教育部認(rèn)定為首批國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)(教高廳函〔2019〕46號(hào))。本專業(yè)于2006年開設(shè)了專業(yè)必修課《化工安全與環(huán)保》，用于支撐化工工藝對(duì)人、環(huán)境和社會(huì)影響的專項(xiàng)指標(biāo)點(diǎn)，使學(xué)生能在工藝設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐中考慮社會(huì)和諧和可持續(xù)發(fā)展因素。10余年來，課程組從教材建設(shè)、教學(xué)資源開發(fā)和課堂教學(xué)等方面進(jìn)行了深入的改革與實(shí)踐。

1 課程與教學(xué)改革要解決的重點(diǎn)問題

化工專業(yè)作為傳統(tǒng)工科專業(yè)，距新工科要求的工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的卓越拔尖人才培養(yǎng)目標(biāo)還有一定差距，具體表現(xiàn)為[1]：

⑴工程設(shè)計(jì)中安全與環(huán)保意識(shí)弱化?；ぴO(shè)計(jì)環(huán)節(jié)讓學(xué)生在解決現(xiàn)實(shí)化工問題的過程中得到鍛煉，但對(duì)外界擾動(dòng)、誤操作等條件下的裝置安全和環(huán)境問題考慮較少，缺乏相應(yīng)的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)和環(huán)境影響后果分析。

⑵化工安全與環(huán)保實(shí)踐不足。出于企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全要求和設(shè)備條件限制，學(xué)生實(shí)習(xí)中只能了解化工裝置的正常運(yùn)行參數(shù)，無法獲取化工安全與環(huán)保方面的實(shí)踐機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生化工安全生產(chǎn)和環(huán)護(hù)意識(shí)不足。

課程組依托化工過程與裝備國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，基于OBE理念對(duì)化工專業(yè)中的理論設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行安全與環(huán)保方向的改革與實(shí)踐，在夯實(shí)典型化工單元操作和工藝流程理論教學(xué)的同時(shí)，突出化工專業(yè)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)及虛擬仿真安全實(shí)訓(xùn)功能，實(shí)現(xiàn)新工科背景下卓越拔尖人才的培養(yǎng)[2]。

2 課程內(nèi)容與資源建設(shè)及應(yīng)用情況

化工專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生不僅要能進(jìn)行正常工況下的工藝設(shè)計(jì)，為企業(yè)贏得更多的利潤(rùn)空間，還要求能考慮異常工況下的安全問題、解決措施，并考慮設(shè)計(jì)方案對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，為企業(yè)贏得更多的社會(huì)效益。所以，本課程以化工安全基本理論、化工單元安全分析、化工工藝安全分析、化工本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、化工安全與環(huán)境防護(hù)為主線，從裝置生命周期角度融匯化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、安全操作、清潔生產(chǎn)等內(nèi)容，提高學(xué)生解決復(fù)雜化工過程安全問題的能力。教學(xué)過程中，注意深度挖掘案例教學(xué)中蘊(yùn)含的思政教育要素與所承載的育人功能，將啟發(fā)學(xué)生探究安全與環(huán)保問題和愛國(guó)主義教育結(jié)合起來，讓學(xué)生理解化工從業(yè)中應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任[3,4]。

在課程教學(xué)資源建設(shè)方面，自主研發(fā)了大型化工過程動(dòng)態(tài)虛擬仿真商品化軟件DSAS，開發(fā)了合成氨、甲醇、氯乙烯等一系列復(fù)雜工藝仿真軟件[5]。這些優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源為化工類專業(yè)學(xué)生構(gòu)建了高度仿真的3D化工廠虛擬操作環(huán)境，幫助學(xué)生在化工過程裝置的事故訓(xùn)練和環(huán)保分析中了解化工工藝操作原理和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高對(duì)工藝過程的安全運(yùn)行和防控能力，符合當(dāng)前化工安全與環(huán)保以預(yù)防為主的國(guó)家方針。

3 課程評(píng)價(jià)及改革成效情況

教學(xué)過程采用形成性評(píng)價(jià)體系，在70%的理論考試外，還包括：讀書報(bào)告占10%，要求學(xué)生根據(jù)課程教學(xué)任務(wù)查閱化工安全與環(huán)保方面的最新文獻(xiàn)，以規(guī)范報(bào)告形式對(duì)課程有所創(chuàng)新思考；仿真操作占10%，根據(jù)分組進(jìn)行仿真操作，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分，考查學(xué)生探索式學(xué)習(xí)和容錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)的能力，以及分析解決復(fù)雜化工問題的能力；平時(shí)測(cè)驗(yàn)和考勤占10%，通過課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的過程性評(píng)價(jià)。

課程組自主研發(fā)了創(chuàng)新性化工仿真軟件9套，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的自主性學(xué)習(xí)，目前已在7所兄弟院校推廣使用。同時(shí)利用學(xué)校站群系統(tǒng)平臺(tái)、超星泛雅平臺(tái)及教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，建設(shè)系列虛擬仿真教學(xué)資源，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)共享資源下的探究式教學(xué)新模式，成功獲批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目1項(xiàng)，出版教材9部，獲中國(guó)石油與化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀教材獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

比如，為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化工反應(yīng)器溫度失控危險(xiǎn)的體驗(yàn)感，課題組開發(fā)了甲苯氧化反應(yīng)器虛擬仿真軟件。該軟件模擬了實(shí)際工業(yè)甲苯法生產(chǎn)己內(nèi)酰胺裝置的反應(yīng)單元，作用是將原料甲苯用空氣氧化，生產(chǎn)苯甲酸。仿真軟件基于化工機(jī)理模型開發(fā)，能準(zhǔn)確模擬因換熱、進(jìn)料等故障而導(dǎo)致的反應(yīng)溫度失控現(xiàn)象，便于學(xué)生直接觀察異常狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)和制定應(yīng)急措施。

課程特色與創(chuàng)新有如下幾個(gè)方面。

3.1 建立了理論與虛擬仿真相融合的多層次化工安全與環(huán)保教學(xué)新模式

徹底打破傳統(tǒng)單一的常規(guī)理論教學(xué)方式，探索靈活多樣的化工異常工況及環(huán)境影響分析教學(xué)模式，針對(duì)不同類型事故采取“案例再現(xiàn)+異常工況分析+環(huán)境影響評(píng)價(jià)+虛擬仿真處置+安全設(shè)計(jì)”的知識(shí)鏈有機(jī)穿插教學(xué)重點(diǎn)，融合網(wǎng)絡(luò)課程、新形態(tài)教材、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等多層次教學(xué)資源，強(qiáng)化師生、生生互動(dòng)，提高學(xué)生應(yīng)對(duì)異常工況的自主分析能力。2018年，課程組的“面向應(yīng)急能力提升的化工安全虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式的研究”項(xiàng)目獲批為山東省本科教改重點(diǎn)項(xiàng)目。

3.2 構(gòu)建了探究容錯(cuò)式化工安全與環(huán)保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新情景

自主研發(fā)了DSAS動(dòng)態(tài)模擬與分析軟件平臺(tái)，在30余家化工企業(yè)成功應(yīng)用。產(chǎn)教融合，搭建高度仿真的化工異常工況虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，解決由時(shí)間、空間、設(shè)備等條件限制而導(dǎo)致的化工安全與環(huán)保實(shí)驗(yàn)“做不好、做不了、做不上”的難題，形成以學(xué)生為本、知識(shí)培養(yǎng)與能力培養(yǎng)并重、實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)互通的新型教學(xué)模式。2015年，課程組獲批化工過程與裝備國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(教高廳函[2015] 3號(hào))。2019年，課程的“催化裂化吸收單元3D虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目被教育部認(rèn)定為國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(教高函〔2019〕6號(hào))。2020年，該課程被山東省教育廳認(rèn)定為山東省一流本科課程。

4 結(jié)論

《化工安全與環(huán)?！氛n程對(duì)工程實(shí)踐知識(shí)點(diǎn)講授和能力提升具有較高的要求，虛擬仿真是彌補(bǔ)校內(nèi)教學(xué)資源不足的有效手段，對(duì)學(xué)生提高安全和環(huán)保意識(shí)具有重要的補(bǔ)充作用。在課程后續(xù)的建設(shè)中，將持續(xù)更新課程的在線開放平臺(tái)，不斷豐富案例分析、問題分析與解答資源庫(kù)，提高學(xué)生課前、課中和課后的線上自主學(xué)習(xí)學(xué)時(shí)，與線下面授有機(jī)結(jié)合開展翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)，創(chuàng)新“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為中心和基于問題求證的多元化教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)資源的共享與開放。