摘 "要 "以問題導(dǎo)向的自主學(xué)習(xí)為目標(biāo)，開發(fā)短視頻數(shù)字化教學(xué)資源；以啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，提高線下教學(xué)的互動(dòng)性；以科研成果、工程項(xiàng)目為依托，構(gòu)建多熱

源—多熱力循環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)和液化天然氣冷能梯級(jí)利用虛擬仿真系統(tǒng)，為工科高校線上線下混合式一流課程建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 "虛擬仿真案例教學(xué)；線上線下混合式；化工裝備節(jié)能技術(shù)；一流課程；數(shù)字化教學(xué)資源；短視頻

中圖分類號(hào)：G643 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）24-00-05

0 "引言

專業(yè)是人才培養(yǎng)的基本單元，課程是人才培養(yǎng)的核心要素。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述和全國(guó)教育大會(huì)精神，落實(shí)新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議要求，必須深化教育教學(xué)改革，必須把教學(xué)改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上[1-2]。《教育部關(guān)于加強(qiáng)專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》中指出，加強(qiáng)案例教學(xué)是強(qiáng)化專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力培養(yǎng)，促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)融合的重要途徑。所謂案例教學(xué)是指在教師的指導(dǎo)下，將學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)問題以實(shí)際案例為依托，通過師生、生生之間的雙向和多向互動(dòng)，積極參與，平等對(duì)話和研討，促使學(xué)生充分深入理解問題的復(fù)雜性和多樣性。案例教學(xué)以一個(gè)完整的案例為學(xué)習(xí)單元，對(duì)典型案例進(jìn)行闡述，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生思考、分析和討論，以達(dá)到提高學(xué)生獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題的能力為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)觸類旁通。

國(guó)外也提出了“Problem-Oriented Teaching”

方法，在課程教學(xué)中拿出60%～70%的時(shí)間供學(xué)生開展綜合性或設(shè)計(jì)性項(xiàng)目的研究，設(shè)計(jì)解決方案，以此來提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力?？v觀國(guó)內(nèi)外的專業(yè)課程教學(xué)，案例教學(xué)已成為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力的重要方法。鑒于此，國(guó)內(nèi)多所高校的工科專業(yè)開展了相應(yīng)的案例庫(kù)建設(shè)及基于案例教學(xué)的課程改革。例如：同濟(jì)大學(xué)開展了基于

“互聯(lián)網(wǎng)+”的專業(yè)學(xué)位研究生工程案例庫(kù)建設(shè)，研究了案例庫(kù)的建設(shè)方法，并確立了以WordPress網(wǎng)頁(yè)開發(fā)平臺(tái)與多媒體為基礎(chǔ)的案例庫(kù)開發(fā)技術(shù)，形成了案例庫(kù)系統(tǒng)框架[3]；東華大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程實(shí)施了基于案例教學(xué)的教學(xué)研究和探索實(shí)踐，設(shè)計(jì)了符合研究生培養(yǎng)方案的“機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)—機(jī)械制造—機(jī)電控制—產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)”課程鏈，將案例教學(xué)融入研究生的培養(yǎng)過程，提升了學(xué)生的工程問題分析和解決能力，促進(jìn)了學(xué)生工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。除此之外，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、華北電力大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、西安建筑大學(xué)、廣西民族大學(xué)等多所高校的專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)也都開展了基于案例教學(xué)的課程教學(xué)改革及案例庫(kù)建設(shè)工作，依托案例教學(xué)，有效地促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真技術(shù)是科教融合、案例教學(xué)的強(qiáng)大載體，目前主要應(yīng)用于涉危、高成本、大型或綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)，在專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用亟待加強(qiáng)[5-6]。本文基于科研成果、工程項(xiàng)目及科創(chuàng)設(shè)計(jì)，提煉教學(xué)案例，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，開展化工裝備節(jié)能技術(shù)線上線下混合式一流課程建設(shè)，打造數(shù)字化教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)教學(xué)模式向智慧化教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。

1 "化工裝備節(jié)能技術(shù)線上線下混合式一流

課程建設(shè)實(shí)踐

1.1 "課程概況

化工裝備節(jié)能技術(shù)是中國(guó)石油大學(xué)（華東）國(guó)家級(jí)特色專業(yè)過程裝備與控制工程專業(yè)的選修課，選課人數(shù)占年級(jí)總?cè)藬?shù)的50%以上。課程主要任務(wù)是針對(duì)典型的化工過程系統(tǒng)、化工過程裝備進(jìn)行熱力學(xué)節(jié)能分析，分析能量損失的原因、能量損失的分布，根據(jù)科學(xué)用能的基本原則給出節(jié)能的對(duì)策和可行的節(jié)能方案。

1.2 "線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程主要由兩個(gè)階段組成[7]：第一階段是知識(shí)的講授，一般在課堂上通過教師講解完成；第二階段是內(nèi)化吸收，通過學(xué)生在課下自習(xí)，比如在作業(yè)或課題的解答中完成。線上線下混合式教學(xué)對(duì)這兩種形式進(jìn)行了顛覆，知識(shí)傳授通過信息技術(shù)的輔助在課前先行自學(xué)完成，知識(shí)內(nèi)化則在隨后的課堂中經(jīng)教師的解疑或同學(xué)的協(xié)同探究完成，從而形成翻轉(zhuǎn)課堂。要實(shí)現(xiàn)“先教再學(xué)”向“先學(xué)再教”的轉(zhuǎn)變，需要依托短視頻等強(qiáng)大的在線資源[8]?；诖耍岢鰳?gòu)建如圖1所示的問題導(dǎo)向的線上線下混合式教學(xué)方式，線下教學(xué)擬借鑒加拿大高校課堂的經(jīng)驗(yàn)[9]，加強(qiáng)課堂互動(dòng)

性；線上教學(xué)通過虛擬仿真的案例分析，在知識(shí)記憶、理解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的高階學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.3 "線上線下混合式一流課程建設(shè)實(shí)踐

具體的課程建設(shè)實(shí)踐主要從數(shù)字化教學(xué)資源開發(fā)和虛擬仿真案例庫(kù)建設(shè)兩個(gè)方面實(shí)施。

1.3.1 "數(shù)字化教學(xué)資源開發(fā)

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，確定教學(xué)知識(shí)點(diǎn)分布，完成短視頻錄制。如表1所示，該課程已完成32課時(shí)的錄播，按知識(shí)點(diǎn)剪輯成了40多個(gè)15 min左右的短視頻。首先，短視頻的制作要控制視頻的難度、保持適宜的時(shí)長(zhǎng)并注重視覺效果，以增進(jìn)線上學(xué)習(xí)的流暢度。其次，利用雨課堂，設(shè)置知識(shí)點(diǎn)檢測(cè)與隨堂測(cè)試，提高學(xué)生在線學(xué)習(xí)的參與度與課程管理的信息化水平。課程內(nèi)容設(shè)置注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，比如，節(jié)能技術(shù)部分化工單元過程節(jié)能分析與化工單元裝備節(jié)能技術(shù)緊密結(jié)合，如圖2所示。

1.3.2 "虛擬仿真案例庫(kù)建設(shè)

從三個(gè)方向進(jìn)行研究性案例開發(fā)：1）過程工業(yè)用能的熱力學(xué)分析方法及其應(yīng)用；2）夾點(diǎn)技術(shù)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)綜合；3）能源裝備節(jié)能新技術(shù)。表2

列出了部分案例。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行案例開發(fā)，比如，利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、改造綜合時(shí)，簡(jiǎn)單的2～4股流的換熱問題，會(huì)在課堂上進(jìn)行問題表法求解；較復(fù)雜的多股流換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生分組自學(xué)，利用Aspen Energy Analyzer等進(jìn)行探究，研究結(jié)果用PPT進(jìn)行課堂匯報(bào)，該部分成績(jī)占總成績(jī)的40%以上，既可培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論、方法、知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力，又可增強(qiáng)過程考核的強(qiáng)度和靈活性。

在過程工業(yè)用能的熱力學(xué)分析案例教學(xué)中，以余熱資源利用為例，選取工程實(shí)際中應(yīng)用較廣泛的機(jī)械壓縮式熱泵技術(shù)、吸收式熱泵技術(shù)、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)和卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)作為典型熱力循環(huán)，基于Aspen Plus化工流程模擬軟件設(shè)計(jì)了開放探索式多熱源—多熱力循環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)包括：1）余熱熱源供給系統(tǒng)，基于專業(yè)實(shí)習(xí)和工程項(xiàng)目實(shí)踐積累，已建成多過程、多工況余熱熱源庫(kù)；2）熱力循環(huán)系統(tǒng)，開放性設(shè)置，可根據(jù)工程技術(shù)發(fā)展實(shí)時(shí)補(bǔ)充新型熱力循環(huán)；3）冷卻系統(tǒng)；4）回?zé)嵯到y(tǒng)，可進(jìn)行不同類型冷凝器、換熱器的選型。

圖3展示了采用有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）進(jìn)行污油泥熱解過程余熱回收的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)既能滿足學(xué)生開展多種類型余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、熱力性能模擬，又支持學(xué)生自主進(jìn)行單螺桿膨脹機(jī)、換熱器、泵、節(jié)流裝置等關(guān)鍵設(shè)備的選型以及裝置運(yùn)行參數(shù)對(duì)余熱回收系統(tǒng)節(jié)能特性影響的研究。比如，可以設(shè)置包括工質(zhì)類型、熱源進(jìn)出口溫度、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力等的工況參數(shù)，研究其對(duì)余熱回收系統(tǒng)效率的影響。圖4展示了六種工質(zhì)的ORC系統(tǒng)效率隨熱源進(jìn)口溫度的變化情況，便于篩選系統(tǒng)效率較高且對(duì)熱源溫度變化的穩(wěn)定性較好的工質(zhì)。

為了便于學(xué)生深入理解能量梯級(jí)利用及先進(jìn)能源系統(tǒng)等新型節(jié)能技術(shù)，基于Aspen HYSYS流程模擬軟件設(shè)計(jì)了液化天然氣（LNG）三段式冷能梯級(jí)利用虛擬仿真系統(tǒng)（圖5）。按照溫區(qū)由低到高，設(shè)置三個(gè)冷能利用單元：輕烴分離單元、雙級(jí)串并聯(lián)ORC-碳捕集單元和制冷單元，分別對(duì)應(yīng)低溫溫區(qū)（-162 ℃～-100 ℃）、中間溫區(qū)（-100 ℃～

-50 ℃）和普冷溫區(qū)（-50 ℃～0 ℃）。輕烴分離工藝可以將進(jìn)口LNG中豐富的輕烴資源，通過閃蒸塔、脫甲烷塔、脫乙烷塔等進(jìn)行分離，從而獲得高純度乙烷，不僅能降低乙烯生產(chǎn)和液化石油氣的能耗，還有利于天然氣資源的綜合化利用。雙級(jí)串并聯(lián)ORC-碳捕集單元，利用LNG接收站燃燒設(shè)備的低溫余熱作為熱源，通過四組ORC的合理串并聯(lián)配置，進(jìn)行動(dòng)力循環(huán)發(fā)電；同時(shí)利用LNG冷能將煙氣中的氣態(tài)CO2冷凝分離，無(wú)需將煙氣壓縮到高壓，降低了捕集過程能耗。制冷單元通過制冷工質(zhì)在換熱器內(nèi)吸收LNG冷能再釋放給用冷場(chǎng)所，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的輕烴—冷—電三聯(lián)供及碳捕集。該綜合用能系統(tǒng)幾乎涵蓋了所有典型化工裝備，如換熱器、分離器、泵、壓縮機(jī)、加熱器、冷卻器、塔、透平等，以及有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電、低溫分離碳捕集、輕烴分離及機(jī)械壓縮制冷等多工藝過程。學(xué)生可以對(duì)各工藝單元的物理?、設(shè)備?損失以及LNG冷能綜合回收利用系統(tǒng)的總?效率進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析和環(huán)境影響評(píng)價(jià)，如計(jì)算碳捕集量和負(fù)碳因子等。

2 "結(jié)束語(yǔ)

一流課程建設(shè)是高等教育改革的必經(jīng)之路、重中之重。線上線下混合式一流課程建設(shè)，需要精心的教學(xué)設(shè)計(jì)、信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。建設(shè)的關(guān)鍵在于教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變和數(shù)字化教學(xué)資源開發(fā)。虛擬仿真案例教學(xué)是科教融合、智慧化教育的重要抓手。當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用亟待加強(qiáng)。應(yīng)該鼓勵(lì)教師將科研成果、工程研發(fā)成果應(yīng)用于虛擬仿真案例，這不僅有助于促進(jìn)線上線下教學(xué)中師生的互動(dòng)交流，還能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，在知識(shí)傳授的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)思維訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、研究、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的高階學(xué)習(xí)目標(biāo)。

3 "參考文獻(xiàn)

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