过程装备与控制工程专业科教协同育人探究

［摘 要］ 目前大学课程教学多局限于书本知识，仅有的实验课程也是较为简单的演示性实验，直至大四下学期的毕业设计才开始真正接触科研，导致当代大学生培养过程中存在动手能力差、解决问题能力弱、创新意识不强等问题。研究将多相流雾化科技创新平台融入理论课程、专业实验、综合设计等教学环节上，让学生在大学四年不同阶段都能有各种机会接触科研，以期培养学生的自主设计能力、促进学生对课堂知识的掌握、增强学生实践操作能力和综合创新能力，培养出更加优异的高素质复合型人才。

［关键词］ 科技创新平台；过程装备与控制；人才培养；多相流雾化

［基金项目］ 2021年度新疆维吾尔自治区教育教学研究和改革项目“基于多相流雾化科技创新平台的科教协同育人教学模式探究”（PT-2021082，2021.03.01）

［作者简介］ 杨矞琦（1990—），男，新疆阿拉尔人，工学博士，中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院副教授，主要从事催化化学和过程装备优化研究；李世颖（1990—），女，四川宜宾人，工学硕士，中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院讲师，主要从事课程思政研究；张海鹏（1978—），男，陕西西安人，工学硕士，中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院副教授，主要从事过程装备优化研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）50-0145-04 ［收稿日期］ 2022-08-10

大学生创新能力培养一直是高等教育的重要任务，长期以来受到众多教育专家的关注。各高校过程专业将学生创新能力培养作为重要目标纳入本科教学体系的设计和构建，但就目前的实施情况看，大学生创新能力发展仍有提高的空间［1］。首先，现阶段组织的创新类竞赛等实践活动范围较窄，大学生在平时学习过程中的创新意识相对还较为薄弱，实际效果低于预期，学生参与创新实践的积极性还需进一步调动［2］；其次，由于目前学生创新项目发展平台等方面的建设仍在进行中，良好的学术创新氛围还需进一步提升［3-5］。而以知识传授为主的课堂教育和已形成既定内容的实践模式，依旧难以促进大学生创新能力培养，大多数学生只有到了大四阶段才能通过综合课程设计、毕业设计等课程真正接触科研。今后通过合理的教学方法改革，促进大学生实践能力的提高，完善大学生创新能力培养与基础理论课程相结合的教学模式势在必行。

在教学实践活动中引入科技创新环节，已经成为一种较好的培养过程装备与控制工程专业学生综合能力的方式，通过这种方式可以使学生在了解过程专业科技创新平台与相关课程之间的内在联系的基础上，对创新平台相关实验台架进行设计、优化及改造，为学生开展科技创新活动提供支撑和保障。同时，在专业基础课程设置合理的“大学生科技创新”环节相关教学实践内容，让学生在大学四年不同阶段都能有各种机会亲身感受科研、认识科研、参与科研，将创新意识融入到学生的整个大学生涯。同时通过科研和创新实践加深对课堂知识的理解，不断完善教育教学体系和科技创新建设机制，从而为提高过程装备与控制工程专业人才培养质量提供保障，达到创新型、综合型人才培养的目标。

一、通过平台搭建培养学生自主设计能力

多相流雾化实验平台的设计、优化及改造过程中涉及到多门过程装备与控制工程专业课程，例如：多相流雾化平台中的喷嘴、储罐、压缩机、仪器仪表等涉及“故障诊断”“过程装备成套设计”“电工电子”“自动控制”等课程的教学内容。多相流雾化平台（如图1所示）一般包括：（1）储液罐：设计容积0.2 m3，设计压力2.2 MPa，设计温度150℃；（2）储气罐：设计容积0.2 m3，设计压力2.2 MPa，设计温度150 ℃；（3）空气压缩机：容量160 L；（4）计量泵：立式多级离心泵，设计流量2 m3/h；（5）压力表：量程0～4 MPa，2块，量程0～6 MPa，1块；（6）气体流量计：满度流量0.6～60 m3/h，压力常压，温度常温；（7）液体流量计：流量范围0.04～0.4 m3/h，工作压力2 MPa；（8）水箱：用于储存提供实验用水；（9）雾化喷嘴；（10）激光粒度分析仪；（11）箱体等。

在平台构建过程中，储液罐和储气罐的设计需要使用“过程设备设计”“压力容器分析设计方法”“过程装备力学基础”等课程中压力容器的设计和校核相关内容；空气压缩机、泵的设计和选型需要用到“过程流体机械”课程中动设备的类型、结构特点分析；压力表、气体流量计、液体流量计的设计和选型需要结合管道流动阻力和压力降，使用“工程流体力学”“过程装备控制技术及应用”课程中的相关内容进行计算、校核，并设计数据采集方案；水箱、雾化喷嘴、箱体的设计需要使用“机械原理”“机械设计”“工程材料与机械制造基础”等课程中的相关内容进行机械结构设计、材料选型和加工制造等；激光粒度分析仪是使用光学方法测试雾化液滴粒径的大小，激光粒度分析仪的测试原理和方法需要使用“大学物理”中的相关内容进行理解和掌握。通过对创新平台的设计可以促进学生对课堂知识的巩固、加深理解和灵活运用，使学生更直观地感受工程实际的复杂性、精确性以及专业知识在工程应用中的意义，在设计过程中不断查阅教科书，根据平台预期达到的效果和目的不断改进设计方案，可更好培养他们的工程意识，增强自主设计能力，达到学以致用的效果。

二、通过科技创新促进学生掌握专业知识

在原有的“过程装备”专业课程教学基础上，增加有“科技创新课题研究”和“创新平台教学观摩”的实践、实验环节。这不仅仅是简单的增加内容，而是全面系统地融合在一起，体现“科教协同”“喻教于研”的特色。例如在“工程流体力学”“过程流体机械”“流态化”“多相流测量”“大学物理”“化学反应工程”等课程上，通过多相流雾化创新实验平台，开展一些与课程内容紧密相关的创新实验设计、实验操作、实验数据分析、理论计算等，促进学生对课堂知识的巩固、加深理解；对于专业课程的实验教学不再局限于传统的较为简单的演示性实验，而是具有较强实用性、前沿性和多学科交叉性的科技创新类实验，需要用到多学科领域的知识，如雾化液滴的粒径大小和变形规律需要用到“胶体界面化学”课程中的界面张力等知识分析，喷嘴的雾化角度、管程流动阻力以及水头损失需要用到“工程流体力学”课程的伯努利方程等进行计算，为分析雾化效果建立多耦合雾化模型需要用到“高等数学”“数值分析”课程中BP神经网络模型等知识进行建模分析。在科创活动中，学生将多学科领域的知识应用于实际，不仅有助于他们学习更加丰富的知识，同时也能增强他们对专业知识的灵活运用，并在应用中加深掌握，达到“学习—实践—再学习—再实践”的效果。

三、通过实验研究增强学生实践操作能力

动手能力差、解决问题能力弱、高分低能是当代大学生培养存在的弊病之一，原因在于目前大学的课程教学多局限于书本知识，直至大学四年级下学期的毕业设计才开始真正接触科研，而在这之前动手实操和锻炼的机会较少，导致大多数成绩好的学生仅是学习书本知识能力强，但创新能力相对较弱。将多相流雾化科技创新平台纳入原有的“工程流体力学”“故障诊断”“过程装备成套设计”等课程的教学内容、教学大纲以及教学计划，根据学时安排，基于多相流雾化实验平台设置气液两相流压力雾化性能实验、空气压缩机工况分析实验、雾化喷嘴设计等创新研究课题，不仅可加深学生对课堂知识的理解和应用，也可以增强学生实践操作能力，多相流雾化实验装置图如图2所示。

在这个过程中，培养了学生的实际动手操作能力，例如泵和压缩机的启停、流量的调节与控制、雾化角的摄像记录、雾化液滴粒径的在线测试、实验数据的实时采集以及数据分析等。促使学生在遇到问题后独立思考如何解决问题，正确认识科研，培养学生认真、细致、勤劳、好学的科研精神。也能进一步促使学生正确认识自己，是否适合科研、是否对科研打心底里喜欢和感兴趣，从而为国家筛选出更加具有科研创新潜力的优异人才。

四、通过学科竞赛提高学生综合创新能力

基于多相流雾化科技创新平台，开展一些创新课题的研究，也能为积极参加全国大学生科技创新大赛，有目标、有重点地引导学生开展创新活动提供基础。例如通过对不同结构喷嘴雾化特性的分析，优化喷嘴尺寸和结构，可用于设计催化裂化装置的进料喷嘴、加热炉中的燃烧器喷嘴、汽车中的燃油雾化喷嘴以及绿植灌溉中的喷嘴等，雾化效果直接影响相关装置或设备的运行效率和稳定性，其优化设计具有重要的节能减排意义，一种进料喷嘴的结构设计如图3所示。通过优化设计喷嘴可参加过程装备实践与创新大赛等国家级竞赛，例如中国石油大学（北京）克拉玛依校区基于多相流雾化创新平台设计的“一种植物全生命周期智能监控与管理系统”，获得“第十二届过程装备实践与创新大赛”一等奖。在设计实际工业应用喷嘴的过程中，不仅仅是书本知识的应用和简单装置的设计，更要结合实际生产，综合考虑行业背景、操作便利、自动控制、成本低廉等多方面因素，达到设计的喷嘴在实际生产中能够真正用起来，促进学生综合创新能力的提升。此外，通过学科竞赛培养学生创新意识和设计能力，使学生更清晰地了解行业现状，为学生将来的就业或进一步深造奠定良好的基础。

结语

通过将多相流雾化科技创新平台融入过程装备与控制工程专业人才培养的过程中，包括理论课程、专业实验、综合设计、毕业设计等教学环节上，制定新的实践教学计划和大纲，优化这些培养环节，并以创新课题为依托参加科技创新大赛，将创新意识融入到学生的整个大学生涯，弥补了目前大学生到大四年级之后才开始通过课程设计、毕业设计等课程接触科研的缺陷。同时，通过科研和创新实践加深对课堂知识的理解，通过学科交叉的实践性教学，培养既有扎实的机械设计基础，又具备较强的过程工艺知识，以及掌握过程装备控制的基本原理和应用技术，既能进行成套装备的设计、制造等工作，又能进行工艺的开发与研究，具有综合分析能力和创新意识的高素质复合型人才。

参考文献

［1］李仁芮，冯法军，等.通过科技制作培养大学生的创新能力［J］.承德石油高等专科学校学报，2013，15（6）：78-80.

［2］夏越新.高校学生科技创新能力培养的思考［J］.决策·探索，2003（5）：55-56.

［3］毛爱华，黄宣铭，等.基于科技创新平台提高大学生的创新能力：以制作一种数显炒锅为例［J］.教育教学论坛，2017（12）：104-105.

［4］李莹，孙玉兵.对新工科专业课程思政的探索和实践：以“燃烧理论与污染控制”课程为例［J］.教育教学论坛，2022（4）：101-103.

［5］瞿志俊，孙松丽，马常亮.应用型本科理论力学课程建设与实践［J］.大学教育，2018（6）：72-74.

Research on Collaboration of Science and Education in Process Equipment and Control Engineering

Specialty： Taking the Practice of Integrating Multiphase Flow Atomization Technology Innovation

Platform into Talent Training as an Example

YANG Yu-qi， LI Shi-ying， ZHANG Hai-peng

（Institute of Engineering， China University of Petroleum-Beijing at Karamay， Karamay，

Xinjiang 834000， China）

Abstract： At present， the course teaching of university is mostly limited to book knowledge， and the only experiment course is relatively simple demonstrative experiments. It is not until the graduation design in the second semester of the senior year that students begin to really contact with scientific research， which leads to the problems in the training of contemporary college students： poor practical ability， poor problem-solving ability and weak sense of innovation. In this paper， the multiphase flow atomization technology innovation platform is integrated into theoretical courses， professional experiments， and comprehensive design， giving students a variety of opportunities to engage in scientific research at different stages in the four-year university. The purpose is to cultivate students’ independent design ability， promote students’ mastery of classroom knowledge， enhance their practical operation ability and comprehensive innovation ability， so as to cultivate more excellent high-quality compound talents.

Key words： science and technology innovation platform; process equipment and control; talent training; multiphase flow atomization