田文德，劉 彬， 王 霞，貴來全

(1 青島科技大學化工學院，山東 青島 266042；2 青島科技大學教務處，山東 青島 266042；3 山東京博控股集團有限公司，山東 濱州 256500)

《化工安全與環(huán)保》課程立足化學工程與工藝專業(yè)基礎(chǔ)以及學生未來就業(yè)領(lǐng)域，重點講授化工系統(tǒng)安全的模擬、分析與設(shè)計，但現(xiàn)有教材多側(cè)重于基礎(chǔ)安全工程知識，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，運用現(xiàn)代計算機模擬及仿真手段，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，在實踐教學中，由于缺乏對化工裝置實際運行和安全操作的整體認識，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生的化工安全實踐能力[2]。

隨著現(xiàn)代化學工程前沿技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機模擬技術(shù)的逐漸成熟，學生可以更多、更好地接受工程化訓練，基于計算機模擬技術(shù)提高學生的工程實踐能力已成為當前研究熱點之一[3-6]。本文依托化工企業(yè)實際生產(chǎn)過程，重點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、師生互動三者融合，實現(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功能以及功能間的相互關(guān)系整體表達出來。

化學工程與工藝專業(yè)是青島科技大學設(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，擁有化工過程國家級實驗教學示范中心和化工過程與裝備國家級虛擬仿真實驗教學中心。本專業(yè)教師長期從事化工過程系統(tǒng)方向的科研與教學研究工作，早在上世紀80年度就獨立研發(fā)了工程化學模擬系統(tǒng)ECSS和動態(tài)模擬分析系統(tǒng)DSAS軟件，以此形成了虛實結(jié)合的化工專業(yè)課程體系和教學模式，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有限公司的產(chǎn)學研合作，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)奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 基于過程模擬的化工安全系統(tǒng)分析教材改革方案

將計算機模擬信息化技術(shù)應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資源，滿足教師的翻轉(zhuǎn)課堂教學要求以及學生的個性化學習需求，對于擴展學生視野以及提高自主學習能力具有非常重要的意義[7]。在進行基于過程模擬的化工安全系統(tǒng)分析立體化教材知識體系構(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中所展現(xiàn)的獨特優(yōu)勢和課程思政元素，實現(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)堅持面向產(chǎn)出的專業(yè)人才培養(yǎng)目標，注重立體化教材選題

課程目標是所有教學工作展開和實施的最終目的，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，需要明確課程目標在整個體系中的指導作用，所有的教學手段和教學模式要與課程教學目標保持一致，在此過程中充分發(fā)揮出立體化教材在多種媒體啟發(fā)學生學習方面的優(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)來實現(xiàn)教材體系的虛實結(jié)合，嚴格依照課程教學目標來選擇和編寫相應的工業(yè)實踐案例，最終通過構(gòu)建的立體化教材體系達成課程教學目標。

(2)積極推進過程模擬技術(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)是依靠強大的軟硬件支持來實現(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態(tài)展現(xiàn)，以學生可以動手模擬實踐的方式實現(xiàn)教學教材體系構(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)絡實現(xiàn)閱讀和共享。此外，利用虛擬仿真技術(shù)與移動互聯(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，從而實現(xiàn)教材、課堂、教學模式的三者有機融合。

(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)量需要通過教學實踐中不斷的反饋來持續(xù)改進?；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、投票等方式來實施。反饋系統(tǒng)能夠準確地收集用戶意見，有助于最大限度地收集信息，實現(xiàn)整個教材質(zhì)量的提升。在整個基于過程模擬技術(shù)的立體化教材體系構(gòu)建過程中，學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，要注重以學生為中心的反饋體系的設(shè)計過程。

(4)發(fā)揮教師在過程模擬技術(shù)教學體系中的引導作用

在新工科的教學理念的影響下，教師更多的時候扮演的是學生自主學習導師的角色。立體化教材體系的使用更加需要教師通過科學的引導來完成，包括案例導入、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)同學習等教學模式滲透到化工安全教學體系中，進而引導和鼓勵學生充分利用教材中的網(wǎng)絡化資源來展開學習，主動地、積極地實現(xiàn)自主性學習，進而實現(xiàn)學生自身解決復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

系統(tǒng)工程方法在化工安全中得到了的廣泛應用，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)保”課程，將化學工程與工藝專業(yè)幾乎所有的課程內(nèi)容有機集成在一起，為解決化工過程安全設(shè)計、分析、優(yōu)化、操作、控制等問題提供決策依據(jù)，因此是化學工程與工藝專業(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，使學生學以致用，為今后的課題研究和工作階段奠定堅實基礎(chǔ)。

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

(3)通俗易懂。盡量避免復雜的數(shù)學公式，做到簡單、可讀、易懂，盡可能多地增加實例和分析，提高學生對本課程的學習興趣，增強教學效果。

(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，全面的同時還要注意深度，使學生能了解化工安全系統(tǒng)分析的全貌，為進一步深造或研究打好基礎(chǔ)。

由此設(shè)計的化工安全系統(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技術(shù)，在傳統(tǒng)化工過程安全課程教學內(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、風格、形式、案例等方面具有鮮明的專業(yè)特點。今后，將更加注重過程模擬技術(shù)在教學過程中的實際應用，不斷豐富虛擬仿真素材，促使課程教學內(nèi)容進一步貼近企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營實踐，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，使參與學習的學生以更加自然的方式與模擬環(huán)境進行交互作用，達到提高參與者安全技能、安全意識與安全習慣的目的，助推國家一流本科專業(yè)建設(shè)水平的不斷提升。