化学反应过程与设备仿真教学改革研究

左常江，张 聪，侯同刚，米 星，张哲武

(1.青岛职业技术学院 生物与化工学院，山东 青岛 266555；2.东方仿真集团北京科技有限公司 运营与教学服务部，北京 100029)

现代学徒制是以学校、企业的深度合作和教师、师傅的联合传授为主要特征的现代人才培养模式，有利于促进行业、企业参与人才培养全过程，实现专业设置与产业需求对接、课程内容与职业标准对接、教学过程与生产过程对接、毕业证书与职业资格证书对接、职业教育与终身学习对接，提高人才培养的针对性和有效性。基于现代学徒制双主体育人模式，化工技术类专业可以有效缩短学生真正“走”向工作岗位的时间，有效培养学生的职业技能和综合素养。课题组借鉴学界关于成果导向教育内涵和实践[1-2]、学习动力和学习效果改进策略[3]的有关成果，对接典型工作岗位要求和学习成果要求，在现代学徒制特色课程——化学反应过程与设备教学中实施了固定床反应器开车运行操作仿真教学项目，并在教学诊断的基础上提出了改进措施。

一、教学设计

(一)课程设计

课题组基于成果导向理念[4]，通过对化工行业以及有关企业的调研，深入了解现代学徒制典型工作岗位对人才的要求，结合化学反应过程与设备课程在专业培养中的地位和与其他专业课程的关联性，确定了教学体系。应用化工技术专业的办学目标是培养理想信念坚定，德智体美劳全面发展，具有一定的科学精神、人文素养、职业道德和创新意识，具备良好的就业能力和可持续发展能力，能够从事化工生产装置操作与维护、产品质量控制与检验、生产调度及管理等岗位工作的复合型技术技能人才。设备、仪表操作调控是专业核心技能化工生产装置操作与维护下的子技能，对应的核心课程包括化学反应过程与设备、化工原理、化工仪表与自动化控制技术和化工单元操作实训。

化学反应过程与设备课程的目标是学生能够识别、优化和操作常见的化学反应器，满足典型工业反应器生产操作的需要。考虑到学习成果是构建课程目标的导向，教师应依据学习成果开发课程教学资源，探索线上线下结合、虚实结合的混合式教学策略；根据学生的学习效果，考察教学目标与教学内容的达成度，进行评价和反思，进一步优化课程的整体设计。基于学徒制岗位成果导向，化学反应过程与设备的学习成果包括三个方面：学生能够选择、优化和安全操作常见的反应器，如釜式反应器、管式反应器、固定床反应器、流化床反应器、滴流床反应器、板式塔、喷淋塔等；学生能够在仿真模拟工作环境中及时发现并排除反应器的故障；学生能够表现出团队协作精神和爱岗敬业精神。

(二)教学项目设计

固定床反应器开车运行操作来自于现代学徒制典型工作岗位——苯乙烯固定床反应器的操作与控制。教学设计面向气固相反应器的设计选型与操作控制中的乙苯脱氢反应器选型。课题组基于产业发展方向和岗位职业能力培养要求，对化学反应过程与设备课程重新进行了规划，设计了四个主要项目，由点及面覆盖所要求的各项技能。该课程为理论实践一体化课程，共54学时，计3学分。

(三)学情分析与学习目标制定

学生所在专业为应用化工技术专业，所处班级为二年级现代学徒制班，通过项目3中任务1至任务3的理论知识学习，对固定床反应器的结构和工作原理有了初步了解，具有完成乙苯脱氢制苯乙烯固定床反应器的设计与操作的知识基础。学生在项目1和项目2中已经掌握了仿真实训软件的实践原理及流程，完成了“高压间歇釜式反应器”“连续操作管式反应器”的操作与控制，具有了釜式和管式反应器的开停车运行与控制的能力基础。详见图1。

图1 气固相反应器的设计选型与操作控制教学设计流程图

在企业实际生产操作中，为确保反应器按计划一次性投产成功，各工段要合理安排时间，按时按量完成每一项工作，操作人员应熟记并严格执行方案的步骤要求。参数调节与控制、安全生产意识、绿色节约等是开车操作主要注意事项。据此，项目的知识目标包括学会固定床反应器的参数控制；掌握固定床反应器操作中关键参数的调控要点。能力目标包括操作固定床反应器，根据乙炔加氢反应的放热规律，调节原料流量和温度、换热介质流量和温度等因素，稳定控制反应温度，提高乙炔去除率，减少副反应发生；根据开车操作规程，配合班组指令，进行固定床反应器的开车操作，根据生产中关键参数的正常运行区间，及时判断参数的波动方向和波动程度，正确处理参数波动，稳定运行装置。情感目标包括能遵守操作规程，具备严谨的工作态度；在开停车操作中服从班组指令，注重内外操配合，具备服从意识和团队合作意识；面对参数波动和生产故障时，具备沉着冷静的心理素质和敏锐的观察判断能力；在完成班组任务过程中，时刻牢记安全生产、清洁生产和经济生产意识；主动思考生产中的技术难点，探索提高转化率、收率、安全性等的方案设计，优化生产过程，具备一定的创新能力，培养精益求精、追求卓越的工匠精神。

教学重点根据人才培养目标和教材任务来设定，教学难点根据对往届学生的调研及对学生课前测试结果的分析来确定。化学反应过程与设备课程的教学重点是对固定床反应器进行开车操作；教学难点是对固定床反应器进行开车操作中的温度进行调节控制，并有针对性地采用信息化(仿真教学)手段来寻求突破。

二、固定床反应器开车运行操作课程仿真教学策略及教学实施

固定床反应器结构复杂，操作工作量大，且缺少实训操作设备，操作者无法看见反应器和管线内的生产现状，操作过程有一定危险。单靠传统的教学方法无法解决这些问题，必须依靠信息化技术来呈现技术过程。在传统的教学模式中，学生难以获得直观认识，费时费力。采用信息化手段教学则会事半功倍。为此，课题组依据线上线下统一和虚实结合的混合式教学理念，利用易思在线仿真学习平台、课程教学平台、仿真软件等媒体资源，把教学过程分为课前探索、课上导学和课后拓展三个阶段。

(一)课前探索阶段

教师通过学习通平台发布预习任务，提供动画、视频、微课、PPT，通过课前测试了解学生的学习情况。学生通过学徒制岗位实践和化工馆校内体验学习，了解操作任务。

(二)课中导学阶段

教师通过模拟企业的生产场景设立生产班组激发学生的学习兴趣，引导他们熟悉工艺概况及流程；在演示讲解乙苯脱氢反应器的开车操作规程与参数控制后，进行巡回指导。学生对照演示开展模拟练习，人和软件数据交互，系统自动评分。学生可凭借仿真软件自带的“扫码看攻略”功能，轻松解决课上通用难点。学生主动探究温度控制操作，进行仿真操作演示及练习，掌握任务实施和班组协作技能，通过比武巩固加强固定床反应器开车操作技能。指导教师进行点评总结。由乙苯脱氢制苯乙烯反应器和催化加氢脱乙炔工艺两个实例推及固定床反应器的开停车操作规程，可以有力地提升学生的职业素养。企业导师应着重对生产实际情况进行分析，强调安全生产的重要性。

(三)课后拓展阶段

教师通过教学平台发布学习任务、促进师生交流；学生通过教学平台完成任务提交。教师要建立质量指标控制系统，进一步提高学生的产品质量意识。学生通过企业课堂的学习与实践[4]，掌握典型生产工艺的流程、特点、操作与控制。企业导师指导学生完成与实际生产相关的任务，拓展职业技能，提升职业素养；引导部分学生参与化工生产技术技能大赛，实现差异化培养。学生参加化工总控工证书考试，拓展职业能力。化工生产技术技能大赛和化工总控工证书考证均涉及固定床反应器开车操作和参数调节的相关内容。课后拓展旨在巩固学习成果，进一步提升学生的专业技能和职业素养。

三、特色与创新

固定床反应器开车运行操作项目依托信息化技术，为教师的教、学生的学提供了互动交流的空间，通过二维教学动画演示设备内部介质变化情况，立体化呈现教学内容，提升学生的学习效果。易思在线网络平台扫码查看操作是关键步骤，有利于突破教学重点，实现学生的个性化学习。学生采用化工单元仿真软件，学习先进工艺流程，进行操作演练，节约了教学成本，且不涉及化工真实危险物料。化工仿真系统自动评分系统有助于教师和学生及时掌握教与学的情况。企业导师指导学生完成与实际生产相关的任务，有力地拓展了学生的职业技能，提升了学生的职业素养。课程内容与化工生产技术技能大赛相结合，课前和课后拓展渗透相关内容，引导课赛融合，实现了学生的差异化培养。课程内容与化工总控工证书相结合，有效地保障了“1+X”证书制度的实施。

四、教学诊断与改进

通过催化加氢脱乙炔固定床反应器的开停车运行和操作，课题组对固定床反应器的特点和应用范围有了深刻的理解，在现场和DCS两个场景实现了催化加氢脱乙炔固定床反应器贴近于生产实际现状的开车操作运行。在此基础上，教学设计还可以在两个方面加以改进。教学载体方面，课题组可以与软件开发公司进一步沟通，使仿真软件功能更完备，可操作性更好；探索实体仿真教学，实现工程问题教学化，促进仿真软件到实体装置的无缝连接；体验实体仿真的内操、外操典型工作岗位，完成装置联合开车前准备、实践；通过装置事故应急救援演练，完成事故应急预案制定和事故现场应急演练，与传统教学方式实现有机融合。教学内容方面，课题组可以充分利用易思在线仿真学习平台和教师学业辅导时间与学生交流；针对学有余力的学生，布置相对复杂的工艺反应器设计任务，学生完成后可获得一定奖励或加分；选取部分无课时间开放仿真实训室，方便学生反复进行开车停车训练、事故训练，充分发挥学生的学习主体作用。

基于学徒制班学生学情，围绕学习成果，将仿真项目教学与现代学徒制有效结合起来，利用思维导图系统设计教学并予以实施，是提高化学反应过程与设备课程教学水平的有效途径。以学生为中心，实施仿真教学，解决了学生在校内、企业进行课程轮岗实训的问题，充分发挥了双导师的作用。企业导师侧重生产现场实践和手把手的指导，用鲜活的现实案例传授典型岗位工作能力；校内导师侧重在理论体系、知识技能方面进行有效指导。学生既获得了高超的职业技能和扎实的理论知识，又能在企业将专业知识技能融入实践，近距离感受优秀从业者身上的工匠精神，提升职业素养与职业道德。