小设计在化工设计理论课中应用的教学改革探索

代伟

[摘 要]本文将小设计教学训练环节引入化工设计理论课教学中，“点”与“面”优化组合，丰富了化工设计理论课的教学内容和形式，从“纸上谈兵”到“实战训练”，多层次加强学生对理论课知识点的掌握，提升了教学质量。

[关键词]小设计；化工设计；教学改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）03-0043-03

“化”是化学反应或化工单元操作，“工”是工艺或工程，“设计”是优化组合，“化工设计”就是如何将一个化学反应或化工单元操作与工艺或工程优化组合。由于化工设计是一门理论性、综合性、工程性相当专业的核心课[1]，因此它不仅要求学习者具备无机、分析、有机和物化等“四大化学”基础知识，还需要掌握化工原理、反应工程、化工制图和化工仪表等化工专业知识。“讲述”+“听课”是传统的化工设计课堂教学模式，工艺流程设计、设备选型、车间布置、物料衡算、能量衡算和经济分析等相对枯燥和抽象的内容很容易导致学生厌学、难学、不学。另外，现代化工程设计软件的崛起也促进了化工设计课程教学改革进程，以往需要几个月才能完成的工艺流程绘制和物料衡算内容，现在借助ASPEN和ChemCAD等专用软件很快就能搞清楚。基于上述问题，若要真正地掌握化工生产工艺及设备的设计，使学生具备化工工程师的基本素养，学生需要自主参与化工生产装置的设计工作，亲历设计过程，为此我们将原有48个学时的课程进行拆分，28个学时用于讲授，其余20个学时用于小设计环节，针对精馏、吸收、萃取、干燥和化学反应等三传一反单元过程，优选典型真实化工企业的生产工艺小设计为题目，同时增加相应的计算机仿真工具软件的内容，让学生解决化工过程设计和操作过程的模拟分析及优化等问题，进而真正实现从“纸上谈兵”到“实战训练”。

一、小设计引入的必要性

化工设计这门课涉及的单元反应操作较多、内容繁杂、反应原理较难、公式多、计算烦琐，学生学习起来相对比较枯燥、抽象、吃力，较容易导致学生产生厌学的情绪，单方面的理论讲解难以使学生产生全面且深刻的理解，必须借助于实践才能激发学生的学习兴趣并真正掌握相关理论知识。比如对于比较繁杂的工艺和设备设计，在课堂教学过程中将传统的平铺直叙的讲解改为从实验工艺流程中改错。例如我们小设计环节的一个“反应精馏提纯”的题目，板式塔装置中特别预置多处违反规定的设计，如进料塔板流量控制、加热蒸汽含量自动控制、关键温度和压力控制点、循环冷却水的流向、残液排放等多处设计违规处，并将此流程展示讨论，引导学生指出且改正错误，以培养学生解决实际工程问题的能力。小设计环节有助于培养学生发挥自我创新及思考能力，培养和训练学生良好的设计思路。在纠正设计的训练中，提升学生优秀的化工设计规范，運用提出问题、分析问题、讨论问题的“教—学”模式，既可使设计教学变得生动有趣，又可以提高学生分析、解决实际工程问题的能力。高素养的化学化工专业高级人才必须具备和重视化工设计的课程学习和知识储备，因此具体教学过程必须包括理论和实践教学两个核心模块。例如我们将丙烯酸半实物虚拟仿真工厂设计引入小设计环节，结合生产实践和软件仿真模拟进行优化设计，这种运用启发式教学模式和学生自主探究式的“教—学”模式，有助于增强学生开展自主学习和解决实际工程技术难题的目的。这是培养学生创新实践能力、竞争能力和提高学生综合素质的有效途径。

目前，常规的化工设计课程的主要教学难题是教师传统授课，机械单一化地逐一讲解化工设计的理论和内容，鉴于学生缺乏相应的企业生产实践经验，不能对所学的理论知识有一个比较全面的理解与认知。化工工程设计的理性知识体系受到影响，缺乏系统积累。被动学习和负荷加重导致学生在学习过程中既痛苦又缺乏创新能力。大多数高校相关专业均采取下企业见习与实习的方式来解决上述系列的问题。通过工厂见习和实习，学生可以初步认知各种化工单元设备的结构组成、工艺流程、自动控制体系、阀门及管道的类型、大小和功能等。通过实习建立对工艺和设备的感性认知，可使学生有一个完整的、真实的化工工程设计的概念。但仅仅依靠下企业实习的教学实践存在严重的问题：一是在化工厂，学生的实习教学只许看不许动，因此达不到实践工程教学训练的效果；二是工厂设备大型化、系统化、工程化、自动化水平较高，学生只能观察装置外貌，不可能彻底理解设备运行原理。对于如何确定原料路线、设备选型、工艺论证等设计内容，不仅需要学生有扎实的工程实践基础，而且还需要在长期工作中积累丰富的化工生产和设计经验。单单教科书式培养的大学生，不仅无法成为高级应用技能型人才，而且也无法达到“到岗即用”企业要求。据统计，我国每年有超过3万多项科技成果，但是真正产业化并取得一定经济效益的只有不到5 %[2][3]。因此我们需要对化工设计课程进行教学改革，加快提升学生综合实践设计能力，与时俱进的适应企业需求，提升社会服务的能力 [4][5]。

二、小设计改革探索

笔者从事化工设计授课10年来，所教应用化学专业学生多次在浙江省和全国大学生化工设计竞赛中获奖。例如在题目为“针对某一含硫工业废气源设计一套深度脱硫并予以资源化利用的装置”的2017年第十一届全国大学生化工设计竞赛全国总决赛中，我们的学生运用“虚-实”组合技术的作品“年产3500t牛磺酸项目”获得了全国赛一等奖的好成绩。我们的经验就是与时俱进修订教学大纲和教学计划，优化教学环节，探索小设计实践环节的全新教学模式，引导学生积极主动地参与课程学习和树立创新意识，进而提升教学质量。具体措施包括：

（一）理论设计知识蓄积

化工设计教学大纲规定讲授的主要内容有工艺论证设计、物料和能量衡算、设备选型设计、车间布置设计、经济分析等部分。每一个部分所涵盖的知识点繁多，需要凝练核心问题，强化设计理念才能达到提高学生认知体系的目的。例如我们在乙酸乙酯工厂小设计环节，首先给出多个反应方程式，提出如何将化学反应方程变成工艺流程的问题，让学生查阅资料，自行进行工艺选择论证，并绘制工艺流程方框流程图，然后进行物料衡算和能量衡算，根据计算结果进行设备选型，避免出现“小马拉大车”和“大马拉小车”的问题。我们将可行性研究报告简化成市场、技术、经济三方面内容，这使学生容易掌握可行性报告写作的要求和任务。

（二）实践知识蓄积

以认知实习和生产实践来实现实践知识蓄积。企业生产车间教学目的是使基础理论形象化、可视化、具体化，提高学生的感性认识。面对真实的生产工艺，学生在教师指导下可直观、有针对性地掌握工艺特点、设备功能、车间设计原则等实际内容，更深刻掌握单元设备的特点、几何方位、工艺对接、自动控制等。采用现场答疑方式立刻解决学生的疑惑，真实的实践知识积累使学生建立起一个完整的、详细、可靠、真实的工程设计知识体系。由于化工厂对安全及技术秘密的慎重考虑，不允许学生上生产线操作，因此，“只看不动”的实习模式也很难完成对化工设计知识点的全面掌握[6]。与此同时，各院校对于不断增长的实习费用也难以承受，企业实习时间一再压缩。可见，单一的企业实习实践模式教学还不能满足化工设计理论课的传授。

（三）软件知识蓄积

现代设计手段主要依赖软件仿真。仿真技术（数字仿真和物理仿真）是一门现在和未来必备的应用技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。数字仿真能够数值化地描述真实物体或体系规律的相似性。仿真教学依托计算机、网络和多媒体，人为打造了虚拟环境，运用数学模型实时运行软硬件，通过数字仿真的动态特性模型实验为真实体系分析和设计提供有效且经济的展示技术，具体到化工设计过程仿真，其实就是利用仿真机构建一个与真实体系相似的化工厂，模拟生产装置及生产操作，展示生产过程实时动态，使学生处在一个非常逼真的体验环境中，最终取得较好的教学效果。资料表明，仿真培训尤其是半实物虚拟仿真培训可以使初学者在数周之内取得现场2～5年的实践经验[4]。根据国家对虚拟仿真实验室建设的进一步加强，仿真技术在化工设计教学方面将被广泛应用。因此，软件化工设计知识积累会使学生对化工生产的不同生产单元有一个更加全面、具体的认识，从而达到具有针对性和侧重性地组织实习教学的效果。

（四）更新传统教学

加强传统与现代教学改革的优化组合，运用“启发性小设计”和“探究小设计”教学方法，收集、分析企业实习的工程问题，经过不断地分析与讨论，使学生在理性方面加以认识。在教师的指导下，学生必须要能熟悉查阅文献资料、国家最新工程技术标准，会正确选用经验公式及处理数据，自行命题“工艺小设计”问题，分组讨论及答辩，展示自己创新和演讲能力。传统授课与“小设计”教学的差异见表1。

学生独立或者组成团队完成工艺的设计，在很大程度上可以培养学生的合作和个人“实战”能力。“小设计”课题的选定由教师和企业技术人员拟定，结合生产实际和化工设计教学大纲要求，主要来源有以下三方面：（1）来源于企业现有生产装置技术难题；（2）来源于校企合作科研项目；（3）来源于小设计训练题库。完成小设计后，由教师和企业技术人员组成小设计汇报评审答辩小组进行设计成果的审定工作，给出设计成绩，指出错误，督促作品整改。

三、推进创新教学模式

经过一段时间的“小设计”实践教学改革尝试，全新的小设计教学创新模式教学效果主要表现在以下几方面：（1）学生學习的积极主动性大幅度提升，开阔了学生的视野，激发了学生学习热情；（2）提升了大学生应用技能实用性，就业率和就业质量逐年改善；（3）促进了教师与工程师角色互换，促进了 “双师型”教师队伍建设；（4）建立了支撑课程的“产-学-研”实习实践基地，提升了高校教师的教学和科研能力，同时使学生完成了从“学生”到“工程师”的转变过渡，使学生巩固了基础理论知识、基本操作技能和知识，更加系统化、综合化。因而，这样能真正使化工设计理论课教学深入融合于学生的素质教育和职业教育中。

四、结论

运用化工设计的课堂教学与小设计实践训练优化组合，不仅能提高学生综合运用所学的理论基础知识来解决实际工程问题的能力，而且又能通过小设计真正领会和掌握设计工作的要求和方法。小设计的引入提高了学生学习枯燥理论课的兴致，反过来又提高了教学效率和质量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张浩勤，章亚东，陈卫航.化工过程开发与设计[M].北京：化学工业出版社，2002：7.

[2] 吴重光.化工仿真实习指南[M].北京：化学工业出版社，1999：5.

[3] 赵刚.化工仿真实训指导[M].北京：化学工业出版社，1999：7.

[4] 方利国.化工系统工程教学改革及探索[J].化工高等教育，1995（2）：56-58.

[5] 孙小琴.基于理论与实践一体化导向的化工教学设计探析[J].化学教育，2015（10）：61-64.

[6] 李宁.石油化工设计课程的教学改革实践与探索[J].高师理科学刊，2010（6）：106-107.

[责任编辑：钟 岚]