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基于真实工业研究的ChemCAD蒸气发生厂模拟被整合到角色扮演教学模块中，通过工业参观、模型验证和跨职能冲突模拟三阶段闭环教学，显著提升学生（平均+10.5分，g=0.90）理论实践结合能力，获89%技术可行方案和78%综合决策达标率，学生满意度4.6/5.0。
Luis A. Romero-Cano
材料与表面现象研究小组，生物技术与环境系，瓜达拉哈拉自治大学，Patria大道1201号，Zapopan，邮编45129，墨西哥
摘要
本文介绍了一个在“工业过程”、“传热”和“龙舌兰工艺工程”课程中实施的良好教学实践案例。该实践将基于真实研究的ChemCAD模拟的龙舌兰生产蒸汽发电厂整合到了基于角色的主动学习模块中。这一教学方法通过三个阶段的教学序列实现了产业、研究与课堂之间的紧密联系：首先进行实地工业参观，然后对模拟模型进行批判性验证，最后通过涉及不同专业视角（如公用事业经理、可持续发展经理和能源效率经理）的角色扮演模拟场景来加深理解。
本文的重点不在于展示学习成果，而在于记录这一教学模块的设计、实施过程及其效果评估，以此作为过程工程教育中的优秀实践范例。该模块最初是为8名化学工程专业的学生设计的（全面实施），后来也适应了14名和18名学生的教学需求。文中提供了学生的表现数据和反馈结果作为教学描述的补充证据。定量数据显示学生的学术成绩有所提高（平均分提高了10.5分，效应量较大，Hedges’ g值=0.90），但由于样本量较小且对照组不均衡，统计推断的可靠性有限。定性证据表明，89%的团队提出了技术上可行的解决方案，78%的团队在最终建议中综合考虑了技术、环境和经济因素。学生调查（n=26）显示评分非常高（平均4.6/5.0），尤其体现在理论与实践的结合以及工业背景对学习动机的激发作用上。本文的主要贡献在于对教学设计、所需资源、不同教学环境下的适应策略以及实际经验的详细描述，为通过基于真实研究的教学体验丰富过程工程教育提供了可复制和可推广的教学框架。
引言
培养能够在复杂工业环境中整合理论知识、模拟技能和决策能力的过程工程师始终是一个重要的教学挑战。尽管ASPEN plus或ChemCAD等过程模拟工具是化学工程课程的核心工具，但它们的使用通常仅限于验证热力学原理或优化脱离实际流程的方案（Bode-Staud等人，2025；Calderón等人，2025；Romero-Cano等人，2025）。因此，学生很少有机会接触到技术、经济、环境和社会因素相互交织的工业实际运作情况（Boesdorfer，2016；Felder，2021）。为解决这一问题，人们采用了多种教学策略，包括案例研究、工厂参观和综合项目。然而，这些方法存在局限性：通用案例研究往往缺乏技术深度和真实性；工厂参观通常只是观察性的；而复杂项目可能资源消耗大，且与常规课程内容不符（B?rte等人，2023；Kovarik等人，2022；Prince，2004）。因此，亟需开发出能够在标准课程结构中融入技术严谨性、真实工业背景和主动学习方法的模块化、可复制的教学实践（Edstr?m和Kolmos，2014）。
除了这些常见的教学方法外，过程工程课程中还包含以讲座为中心的工业案例分析、翻转课堂教学以及传统的基于教科书的问题解决方式。基于讲座的案例讨论有助于系统地解释实际过程，但往往以讲解为主，限制了学生的主动性和互动性。翻转课堂策略要求学生课前预习并在课堂上参与讨论，虽然能提高参与度，但若缺乏足够的支持，可能会让学生感到教学负担过重，从而影响学习积极性。同样，传统的基于教科书的问题解决方法虽然有助于分析技能的培养，但使用的案例往往脱离学生的社会文化和工业现实，从而降低学习效果。这些方法凸显了教学设计在技术严谨性、真实性和学生参与度之间的平衡问题，强调了将核心工程分析置于实际工业背景中的必要性。
本文通过一个具体的教学案例来回应这一需求，该案例展示了基于ChemCAD模拟的龙舌兰生产蒸汽发电厂的教育模块的设计与实施过程。其主要创新之处在于，该模拟模型直接来源于针对该行业不同燃料环境影响的研究（Romero-Cano等人，2024），确保了模型的技术真实性和可靠性。这种直接联系使学生能够使用基于真实工业数据的验证模型来解决实际问题。教学创新在于将这一技术模型融入到一个结构化的主动学习过程中，包括实地工业参观、模型探索与验证，以及基于角色的模拟场景。在这些场景中，学生需要解决现实中的专业冲突问题。
本文的目的并非对学习成果进行控制性评估，而是记录这一教学模块的教学设计、实施背景及效果评估，以作为过程工程教育中的优秀实践范例。本文的目标是：（i）详细描述教学流程及其理论基础；（ii）介绍模型的技术内容及其在“工业过程”（核心课程）、“传热”（核心课程）和“龙舌兰工艺工程”（选修课）中的应用；（iii）提供学生的表现数据和反馈结果作为教学过程的补充信息；（iv）探讨将该教学方法应用于其他教育环境的优势、挑战及调整建议。
教学设计与理论框架
该模块的设计旨在培养学生在知识、技能和职业实践方面的综合能力。作为优秀教学实践的范例，本文重点介绍了教学设计的逻辑及其理论依据，而非实验变量的控制。在知识层面，学生需在真实的工业环境中应用质量平衡、能量平衡、传热和锅炉操作原理。
对学术表现的影响
作为优秀教学实践的案例，本文提供的结果仅作为教学描述的补充证据，而非因果学习效果的证明。
为了评估该模块的效果，将完成该模块的2025届学生（n=8）的最终成绩与未参与该活动的2024届学生（n=10，剔除一个异常值后）进行了比较。
结论
本文记录并反思了一种将基于真实研究的ChemCAD模拟有效整合到结构化主动学习模块中的教学实践，用于过程工程教学。结果表明，这种结合产业、研究与课堂的教学方法让学生感到学习内容与实际职业实践紧密相关且富有吸引力。虽然学生的最终成绩有所提高，
作者贡献声明
Luis A. Romero-Cano： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化展示、模型验证、监督工作、资源准备、项目管理、方法论设计、研究开展、资金筹集、数据分析、概念构思。
致谢
作者感谢瓜达拉哈拉自治大学设计、科学与技术学院提供的后勤支持，同时感谢参与课程的学生们的积极参与、宝贵反馈，以及他们对使用图片进行学术传播的同意（图片经过处理以保护学生隐私）。
