基于過程模擬的化工安全系統(tǒng)分析立體化教材研究*

田文德，劉 彬， 王 霞，貴來全

(1 青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042；2 青島科技大學(xué)教務(wù)處，山東 青島 266042；3 山東京博控股集團(tuán)有限公司，山東 濱州 256500)

《化工安全與環(huán)?！氛n程立足化學(xué)工程與工藝專業(yè)基礎(chǔ)以及學(xué)生未來就業(yè)領(lǐng)域，重點(diǎn)講授化工系統(tǒng)安全的模擬、分析與設(shè)計(jì)，但現(xiàn)有教材多側(cè)重于基礎(chǔ)安全工程知識(shí)，還不能很好地滿足這些需求[1]。所以，立足過程系統(tǒng)工程思想，運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬及仿真手段，研究化工安全系統(tǒng)分析立體化教材勢在必行。

1 教材研究背景

化工類課程以講授單元操作和工藝過程為主，在實(shí)踐教學(xué)中，由于缺乏對化工裝置實(shí)際運(yùn)行和安全操作的整體認(rèn)識(shí)，課程的講授內(nèi)容要么偏向于理論講授，要么偏向于設(shè)備和工藝外觀展示，并沒有從根本上提高學(xué)生的化工安全實(shí)踐能力[2]。

隨著現(xiàn)代化學(xué)工程前沿技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的逐漸成熟，學(xué)生可以更多、更好地接受工程化訓(xùn)練，基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[3-6]。本文依托化工企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程，重點(diǎn)開展基于過程模擬技術(shù)的化工安全系統(tǒng)分析立體化教材研究。該教材將融合互聯(lián)網(wǎng)共享技術(shù)，結(jié)合課堂教學(xué)方法改革，創(chuàng)新教材形態(tài)。利用化工流程模擬技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以嵌入二維碼的紙質(zhì)教材為載體，嵌入視頻、音頻、作業(yè)、試卷、拓展資源、主題討論等數(shù)字資源，將教材、課堂、師生互動(dòng)三者融合，實(shí)現(xiàn)線上線下混合的教材出版新模式，把化工過程安全的各個(gè)功能以及功能間的相互關(guān)系整體表達(dá)出來。

化學(xué)工程與工藝專業(yè)是青島科技大學(xué)設(shè)置最早的優(yōu)勢特色專業(yè)，是國家級特色專業(yè)和國家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，擁有化工過程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和化工過程與裝備國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。本專業(yè)教師長期從事化工過程系統(tǒng)方向的科研與教學(xué)研究工作，早在上世紀(jì)80年度就獨(dú)立研發(fā)了工程化學(xué)模擬系統(tǒng)ECSS和動(dòng)態(tài)模擬分析系統(tǒng)DSAS軟件，以此形成了虛實(shí)結(jié)合的化工專業(yè)課程體系和教學(xué)模式，并著重建設(shè)了《化工安全與環(huán)?！氛n程，該課程2020年獲批為首批國家一流本科課程。本文基于與京博控股集團(tuán)有限公司的產(chǎn)學(xué)研合作，研究適用于高校和企業(yè)人才培養(yǎng)的課程配套《化工安全系統(tǒng)分析》教材，為新工科背景下國家一流本科專業(yè)建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 基于過程模擬的化工安全系統(tǒng)分析教材改革方案

將計(jì)算機(jī)模擬信息化技術(shù)應(yīng)用于立體化教材體系的構(gòu)建過程中，能夠極大地拓展和豐富教學(xué)資源，滿足教師的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)要求以及學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，對于擴(kuò)展學(xué)生視野以及提高自主學(xué)習(xí)能力具有非常重要的意義[7]。在進(jìn)行基于過程模擬的化工安全系統(tǒng)分析立體化教材知識(shí)體系構(gòu)建過程中，首先要確立構(gòu)建的過程系統(tǒng)工程理論基礎(chǔ)，然后結(jié)合化工過程安全典型案例，充分挖掘立體化教材體系在教學(xué)中所展現(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)勢和課程思政元素，實(shí)現(xiàn)基于過程模擬技術(shù)的立體化教材整體建設(shè)思路，具體如圖1所示。

圖1 立體化教材建設(shè)思路Fig.1 Construction method of three-dimensional teaching material

(1)堅(jiān)持面向產(chǎn)出的專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，注重立體化教材選題

課程目標(biāo)是所有教學(xué)工作展開和實(shí)施的最終目的，決定著人才培養(yǎng)的方式和方法的選擇。在基于過程模擬技術(shù)的立體化教材體系構(gòu)建過程中，需要明確課程目標(biāo)在整個(gè)體系中的指導(dǎo)作用，所有的教學(xué)手段和教學(xué)模式要與課程教學(xué)目標(biāo)保持一致，在此過程中充分發(fā)揮出立體化教材在多種媒體啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)方面的優(yōu)勢。其中，教材的編寫中要選擇適合的化工過程模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)教材體系的虛實(shí)結(jié)合，嚴(yán)格依照課程教學(xué)目標(biāo)來選擇和編寫相應(yīng)的工業(yè)實(shí)踐案例，最終通過構(gòu)建的立體化教材體系達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo)。

(2)積極推進(jìn)過程模擬技術(shù)的資源開發(fā)及利用

化工流程模擬技術(shù)的優(yōu)勢展現(xiàn)是依靠強(qiáng)大的軟硬件支持來實(shí)現(xiàn)的，因此在構(gòu)建立體化教材體系的過程中要充分地重視相關(guān)配置資源的開發(fā)。在基于過程模擬技術(shù)的表現(xiàn)形式上注重流程安全模擬信息的整體分析和動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，以學(xué)生可以動(dòng)手模擬實(shí)踐的方式實(shí)現(xiàn)教學(xué)教材體系構(gòu)建中的技術(shù)支持，并匹配相關(guān)配套的資源方便通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)閱讀和共享。此外，利用虛擬仿真技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以嵌入二維碼的紙質(zhì)教材為載體，融入視頻、音頻、作業(yè)、試卷、拓展資源、主題討論等數(shù)字資源，從而實(shí)現(xiàn)教材、課堂、教學(xué)模式的三者有機(jī)融合。

(3)構(gòu)建基于過程模擬技術(shù)的立體化教材體系反饋系統(tǒng)

立體化教材的質(zhì)量需要通過教學(xué)實(shí)踐中不斷的反饋來持續(xù)改進(jìn)?；谶^程模擬技術(shù)的立體化教材體系建設(shè)過程中同樣遵循著這樣的道理。在構(gòu)建基于過程模擬技術(shù)的立體化教材體系過程中，要注重反饋系統(tǒng)的建設(shè)，通過在線調(diào)查問卷、現(xiàn)場互動(dòng)、投票等方式來實(shí)施。反饋系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地收集用戶意見，有助于最大限度地收集信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)教材質(zhì)量的提升。在整個(gè)基于過程模擬技術(shù)的立體化教材體系構(gòu)建過程中，學(xué)生作為最直接的反饋者對于體系更好地發(fā)展具有著重要的意義。因此，要注重以學(xué)生為中心的反饋體系的設(shè)計(jì)過程。

(4)發(fā)揮教師在過程模擬技術(shù)教學(xué)體系中的引導(dǎo)作用

在新工科的教學(xué)理念的影響下，教師更多的時(shí)候扮演的是學(xué)生自主學(xué)習(xí)導(dǎo)師的角色。立體化教材體系的使用更加需要教師通過科學(xué)的引導(dǎo)來完成，包括案例導(dǎo)入、模擬手段演示等方式。因此，基于過程模擬技術(shù)的立體化教材體系建設(shè)過程中教師要把一些像翻轉(zhuǎn)課堂、協(xié)同學(xué)習(xí)等教學(xué)模式滲透到化工安全教學(xué)體系中，進(jìn)而引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生充分利用教材中的網(wǎng)絡(luò)化資源來展開學(xué)習(xí)，主動(dòng)地、積極地實(shí)現(xiàn)自主性學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)生自身解決復(fù)雜工程問題能力的提升。

3 基于過程模擬的化工安全系統(tǒng)分析教材內(nèi)容設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工程方法在化工安全中得到了的廣泛應(yīng)用，逐漸形成和發(fā)展了一系列化工安全系統(tǒng)分析方法，包括系統(tǒng)的模擬、分析、優(yōu)化、綜合與集成等?；ぐ踩到y(tǒng)分析依托“化工安全與環(huán)?！闭n程，將化學(xué)工程與工藝專業(yè)幾乎所有的課程內(nèi)容有機(jī)集成在一起，為解決化工過程安全設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、操作、控制等問題提供決策依據(jù)，因此是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心專業(yè)教材。

鑒于該課程的重要性，本教材的內(nèi)容設(shè)計(jì)原則如下：

(1)重基礎(chǔ)。著重介紹化工安全系統(tǒng)分析的基本概念、基本原理、基本思路和框圖、主要案例等，使學(xué)生學(xué)以致用，為今后的課題研究和工作階段奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(2)重實(shí)用。在介紹理論和方法的同時(shí)，以嵌入二維碼的紙質(zhì)教材為載體，有機(jī)融合視頻、音頻、3D模型等數(shù)字資源，盡可能通過校企協(xié)同育人實(shí)例及工程應(yīng)用實(shí)例闡述如何應(yīng)用、如何解決化工安全的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用知識(shí)能力和解決問題的能力。

(3)通俗易懂。盡量避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，做到簡單、可讀、易懂，盡可能多地增加實(shí)例和分析，提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。

(4)內(nèi)容全面。內(nèi)容涵蓋過程模擬、過程優(yōu)化、過程綜合與集成，全面的同時(shí)還要注意深度，使學(xué)生能了解化工安全系統(tǒng)分析的全貌，為進(jìn)一步深造或研究打好基礎(chǔ)。

由此設(shè)計(jì)的化工安全系統(tǒng)分析教材內(nèi)容如圖2所示。

圖2 教材內(nèi)容設(shè)計(jì)思路Fig.2 Design of teaching material content

4 結(jié) 語

通過化工安全與過程模擬等先進(jìn)技術(shù)，在傳統(tǒng)化工過程安全課程教學(xué)內(nèi)容中將煉化企業(yè)典型生產(chǎn)裝置單元安全、工藝安全、系統(tǒng)安全等融入課程教材，在內(nèi)容、風(fēng)格、形式、案例等方面具有鮮明的專業(yè)特點(diǎn)。今后，將更加注重過程模擬技術(shù)在教學(xué)過程中的實(shí)際應(yīng)用，不斷豐富虛擬仿真素材，促使課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步貼近企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營實(shí)踐，逐步完善新工科背景下的化工安全系統(tǒng)分析立體化教材內(nèi)容，使參與學(xué)習(xí)的學(xué)生以更加自然的方式與模擬環(huán)境進(jìn)行交互作用，達(dá)到提高參與者安全技能、安全意識(shí)與安全習(xí)慣的目的，助推國家一流本科專業(yè)建設(shè)水平的不斷提升。