項(xiàng)目式教學(xué)在化工原理課程中的應(yīng)用*

李守博，佟永純，楊自嶸，白慶玲

(河西學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000)

項(xiàng)目式教學(xué)法，是2018年10月教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》(教高〔2018〕3號)中明確推廣實(shí)施的一種教學(xué)方法[1]。在眾多以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)模式中，項(xiàng)目式教學(xué)由于其對學(xué)習(xí)者能力發(fā)展的全面性、學(xué)習(xí)產(chǎn)出的多樣性而受到關(guān)注。項(xiàng)目式教學(xué)法嘗試通過實(shí)施一系列完整的教學(xué)項(xiàng)目，將理論和實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合，它以任務(wù)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)活動，以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能為教學(xué)首要任務(wù)[2]。項(xiàng)目化教學(xué)的指導(dǎo)思想是將一個獨(dú)立的項(xiàng)目或任務(wù)交給學(xué)生，教師起輔助作用，讓學(xué)生自主把握和完成每一環(huán)節(jié)，增強(qiáng)實(shí)踐技能和分析解決工程問題的能力[3]。該教學(xué)方法相于較傳統(tǒng)教學(xué)法在提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、研究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通能力等方面具有明顯優(yōu)勢。

《化工原理》課程是化工類及相近專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等基礎(chǔ)知識，分析和解決化工類型生產(chǎn)中各種物理過程(或單元操作)問題的工程學(xué)科，該課程擔(dān)負(fù)著由理論到工程、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用，對化工類及相近專業(yè)學(xué)生的業(yè)務(wù)素質(zhì)、工程能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。《教育部關(guān)于一流課程建設(shè)的實(shí)施意見》明確提出：要提升課程的高階性，突出課程的創(chuàng)新性，增加課程的挑戰(zhàn)度?；ぴ碓诶碚撆c實(shí)踐的教學(xué)過程中也要順應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)的需要進(jìn)行適時改變[4]。項(xiàng)目式教學(xué)法被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)、打造金課的重要教學(xué)形式。

河西學(xué)院煤制甲醇生產(chǎn)工藝仿真工廠是河西學(xué)院與北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司于2019年共同開發(fā)建設(shè)的。該仿真工廠采取虛實(shí)結(jié)合的方式，展現(xiàn)了包括半實(shí)物流程裝置單元、DCS模擬控制部分和仿真軟件系統(tǒng)三部分在內(nèi)的仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)。半實(shí)物仿真裝置是按照典型的煤制甲醇生產(chǎn)工藝設(shè)立的半實(shí)物裝置，包括了球磨機(jī)、離心式透平壓縮機(jī)、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(shè)備。我們將化工原理項(xiàng)目式教學(xué)與仿真工廠相結(jié)合心以“學(xué)生”操作為主體，教師指導(dǎo)為輔；力求貼近“工廠環(huán)境”，將教學(xué)、企業(yè)的需求直接轉(zhuǎn)化成課程內(nèi)容的設(shè)置安排，體現(xiàn)崗位職業(yè)化需求。

1 化工原理開展項(xiàng)目式教學(xué)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(zhì)量傳遞三個方面?；ぴ斫滩脑O(shè)計及課程教學(xué)的思路一般為以某一單元操作為一個章節(jié)。在這一章中先介紹該單元操作的基礎(chǔ)理論知識如基本概念、操作的目的與依據(jù)等，在此基礎(chǔ)上講解單元操作的基本原理、相關(guān)計算、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作以及過程的優(yōu)化[5]。但是教學(xué)過程存在與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相脫節(jié)，學(xué)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(xué)知識之間的聯(lián)系不清晰等問題，因而導(dǎo)致學(xué)習(xí)本課程的目的性不強(qiáng)、主動性不夠。因此，我們結(jié)合河西學(xué)院煤制甲醇仿真工廠引入項(xiàng)目式教學(xué)對化工原理課程的教學(xué)過程進(jìn)行了改革探索。

2 項(xiàng)目式教學(xué)應(yīng)用研究

我們結(jié)合河西學(xué)院煤制甲醇仿真工廠對化工原理課程的教學(xué)進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)?；ぴ碚n程中的應(yīng)用實(shí)際教學(xué)過程中，在講授完每章知識后，要求學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)。下面以流體輸送機(jī)械中的學(xué)習(xí)為例展示在本課程中項(xiàng)目式教學(xué)法的應(yīng)用，圖1為化工原理開展項(xiàng)目式教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)過程結(jié)構(gòu)。

圖1 化工原理開展項(xiàng)目式教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)過程結(jié)構(gòu)Fig.1 Learning process structure of students in project teaching of Chemical Engineering Principles

2.1 確定項(xiàng)目任務(wù)

項(xiàng)目任務(wù)的題目基于實(shí)際生產(chǎn)工藝，使得學(xué)生明確所學(xué)知識與未來工作崗位之間的聯(lián)系，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理的興趣?；ぴ碚n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(fā)、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(xiàng)目[6]。在項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)施時，要在單元操作中選取難度適中的內(nèi)容去制定項(xiàng)目任務(wù)書。項(xiàng)目任務(wù)書不僅要符合理論課的教學(xué)進(jìn)度，而且不能超出學(xué)生能力范圍，以免打擊學(xué)生的自信心。例如流體輸送機(jī)械這一章進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)時，我們通過展示流體輸送機(jī)械的相關(guān)應(yīng)用場景照片和視頻，引導(dǎo)學(xué)生們發(fā)散思維，集思廣益從而創(chuàng)設(shè)學(xué)生感興趣的項(xiàng)目情境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)流體輸送機(jī)械的興趣。

流體輸送機(jī)械這一章進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)時，教師首先進(jìn)行流體輸送機(jī)械的相關(guān)知識的課堂教學(xué)，但是學(xué)生僅僅通過課堂學(xué)習(xí)只能初步了解流體輸送機(jī)械的主要部件和運(yùn)轉(zhuǎn)的工作原理。在進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)時應(yīng)該從全局出發(fā)，多角度考慮，將流體輸送機(jī)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(shè)計了低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的選擇的項(xiàng)目任務(wù)。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(jìn)行分別吸收，并在后續(xù)的甲醇再生過程中，分別解析出來，進(jìn)行回收利用。CO2送往CO2產(chǎn)品單元，H2S送入到硫回收單元。目前國內(nèi)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(chǎn)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(jī)械如表1所示，該工藝能耗最低，但對設(shè)備要求嚴(yán)格，貧甲醇泵作為工藝系統(tǒng)的主洗泵，為CO2、H2S吸收塔提供貧甲醇，使貧甲醇泵壓力達(dá)到工藝要求，其穩(wěn)定運(yùn)行是工藝的關(guān)鍵，并和系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行息息相關(guān)[7]。

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

結(jié)合低溫甲醇洗工藝不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)了解了工藝原理、流體輸送機(jī)械相關(guān)理論知識，而且拓展了學(xué)生化工視野。項(xiàng)目任務(wù)書包括六個子項(xiàng)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(shè)備圖的繪制；(4)低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的實(shí)際操作；(6)低溫甲醇洗工藝產(chǎn)品仿真模擬測試。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

(1)確定項(xiàng)目任務(wù)，例如在確定低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的選擇為項(xiàng)目任務(wù)以后，首先學(xué)生們經(jīng)過課堂上對流體輸送機(jī)械這一章的學(xué)習(xí)，對流體輸送機(jī)械這一單元有一定的認(rèn)識和了解，初步了解流體輸送機(jī)械的工作原理及相關(guān)知識。根據(jù)教師給出的工作任務(wù)書，學(xué)生明確了將要查找和完成的任務(wù)內(nèi)容，以便更好地進(jìn)行工作。項(xiàng)目式教學(xué)提倡以學(xué)生為主體，但并不是教師在學(xué)生完成項(xiàng)目過程中袖手旁觀，而是需要教師要時刻關(guān)注學(xué)生的項(xiàng)目進(jìn)展，隨時做好為學(xué)生答疑解惑的準(zhǔn)備。

(2)合理分配項(xiàng)目小組人員，每三人一組，將擅長思考、基礎(chǔ)較好的學(xué)生和基礎(chǔ)一般的學(xué)生合理搭配，要求成功組隊(duì)的各組推選出一名組長，組長負(fù)責(zé)分配工作任務(wù)、協(xié)調(diào)及實(shí)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(bǔ)短，最重要的是反思自身在學(xué)習(xí)中所存在的漏洞及時進(jìn)行彌補(bǔ)。在分配過程教師可以對各小組的人員分配情況進(jìn)行必要的調(diào)整。

(3)資料查閱、匯總整理，各小組通過圖書館、互聯(lián)網(wǎng)等、數(shù)據(jù)庫等渠道查閱低溫甲醇洗工藝中貧甲醇泵的相關(guān)背景資料，整理匯總，針對任務(wù)書中的任務(wù)進(jìn)行計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行交流討論。教師可以盡可能給學(xué)生提供比較權(quán)威的圖書資料、數(shù)據(jù)庫以及軟件資源供學(xué)生們使用。避免因搜集資料的差距懸殊導(dǎo)致的項(xiàng)目進(jìn)度參差不齊。

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

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

2.3 項(xiàng)目評價總結(jié)

評價總結(jié)是項(xiàng)目式教學(xué)過程的關(guān)鍵部分。教師要鼓勵學(xué)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(diǎn)評相結(jié)合的方式，分析各組的優(yōu)缺點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生取長補(bǔ)短和改進(jìn)自己的作品。最后教師根據(jù)各組提交的項(xiàng)目說明書和設(shè)備圖紙結(jié)合答辯情況給出綜合成績。

3 項(xiàng)目式教學(xué)效果評價

3.1 明確教學(xué)和學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生主動性學(xué)習(xí)

項(xiàng)目式教學(xué)不僅使學(xué)生增加了對化工原理的學(xué)習(xí)興趣，同時讓學(xué)生意識到了化工原理這門課程的重要性和實(shí)用性。本章的主要知識點(diǎn)在項(xiàng)目完成過程中基本上都得到了很好的運(yùn)用，使枯燥的理論知識貼近了生產(chǎn)實(shí)際。

3.2 提高學(xué)生解決問題的能力，樹立了工程意識

學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的任務(wù)書，自己查找資料、分析并解決項(xiàng)目中遇到的實(shí)際問題。學(xué)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(xué)生能通過項(xiàng)目式教學(xué)認(rèn)識到了單元操作的本質(zhì)以及應(yīng)用場合。學(xué)生應(yīng)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(jié) 語

本課程的特色在于：(1)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐導(dǎo)向，聚焦于設(shè)計和實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)中的疑點(diǎn)和難點(diǎn)，如：如何選擇合適的項(xiàng)目，如何設(shè)計項(xiàng)目式教學(xué)的課上活動等，最大限度保證項(xiàng)目式教學(xué)成功；(2)完整介紹項(xiàng)目式教學(xué)的設(shè)計流程，結(jié)合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)的過程中，通過將仿真工廠用于化工原理的項(xiàng)目式教學(xué)，不僅可以克服學(xué)生在化工原理實(shí)驗(yàn)室所能接觸到的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備種類有限的問題，而且以學(xué)生為核心，將教師從傳統(tǒng)教學(xué)的核心轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動的組織者、監(jiān)督者和輔導(dǎo)者，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中，以完成項(xiàng)目任務(wù)為目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生對化工原理的學(xué)習(xí)興趣，夯實(shí)理論基礎(chǔ)，團(tuán)結(jié)協(xié)作、交際溝通等能力提高，有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)體意識和創(chuàng)新精神。