新工科背景下化工过程分析与合成教学心得*

2020-03-07 02:03张爱华李慧芳焉海波

广州化工 2020年18期

付华，张爱华，马磊，李慧芳，郭莉，焉海波

(青海大学化工学院，青海西宁 810016)

2017年2月和4月，教育部分别在复旦大学和天津大学召开了高等工程教育发展战略研讨会和新工科建设研讨会，共同探讨了“新工科”的内涵特征、建设、发展路径及新工科建设的愿景，即“复旦共识”和“天大行动”。两次会议指出，我国高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点，为培养造就一批能够引领未来技术与产业发展的卓越工程技术人才，需要高校工科教育体系进行相应改革，以适应技术发展内容，更新工程人才知识体系，同时应用创新工程教育方式与手段，探索新工科自主发展、自我激励机制，打造工程教育开发融合新生态，从而达到培养能够适应新形势下的工科发展的工程技术人才的目的[1-3]。

这要求工科院校或综合性院校必须紧跟时代发展，立足当下时代及技术变革，培养具有创新能力的人才，具体包括应有较健全的新技术背景下的专业知识体系、掌握相应的理论知识、对相关工程技术问题具有一定潜在解决的方法和能力，同时高校培养出的人才还需具备较高的人才素质。新工科理念提出已近两年，如何将新工科理念贯彻到每门课的教学工作中，多所高校已在进行相关课程改革和实践探索。本文将结合课程教学实践对如何提升新工科背景下的《化工过程分析与合成》教学效果进行探讨。

1 结合新工科理念，打磨适应地方经济建设的本科生培养方式

新工科理念对高校授课目的做了规划，指出：工科优势高校要对工程科技创新和产业创新发挥主体作用；综合性高校要对催生新技术和孕育新产业发挥引领作用；地方高校要对区域经济发展和产业转型升级发挥支撑作用。作为青海省唯一一所“211”工程大学、唯一一所集理工农医为一体的综合性省部共管大学，青海大学的育人理念是培养一批拿得起、下得去、留得住的新型应用型人才。由于化工与制药类专业学生第六学期末去工厂进行为期一个月的专业实习，因此可通过专业实习具备一定的实际生产认知，而本课程开设在第七学期，可以利用这一实际生产认知与本课程相关知识结合，使学生学习印象更深刻。故授课前，教研室会进行专门的教学研讨，讨论本学期学生的专业实习背景如何与教学内容相结合。教学研讨中，几位主讲教师根据学生不同的实习经历分享授课经验，并探讨不同的实习经历如何以案例形式嵌入教学内容中，让学生根据已有的化学生产过程认知对本课程内容掌握的更加透彻，从而达到使青海省化工行业生产实践与本课程更好地结合，进而使学生在青海地区化工厂就业后可迅速立足岗位的目的。

在授课过程中，针对青海大学服务青海省人才培养的教育基础，立足青海本地企业特色，将天然气制甲醇、甲醇精馏、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯生产等青海省政府大力扶持和发展的工况运用于授课实例中，帮助学生在工作之后能尽快理论和实际相配合。通过教师之间相互沟通，取长补短，有的放矢，可以有很强针对性地对培养学生，从而达到培养学生的目的。而学生在学习过程中，通过教师不断强化专业背景知识和实践知识，也能够具备一定的服务青海省经济发展的专业背景知识。增强解决专业问题的能力。

2 结合新工科理念，优化课程体系，注重实践与理论相结合

《化工过程分析与合成》是青海大学化工与制药类专业的专业课。重点在于培养学生用系统工程观点和方法研究化工过程的开发、设计、最优操作和最优控制。课程共讲授三大模块的内容，即化工过程系统的模拟和分析，化工过程系统的优化和化工过程系统合成。这三大模块是从数学和系统工程角度出发，讲授如何对化工过程系统进行模拟并建立数学模型；对化工系统中常见的优化问题、优化方法和化工操作参数的优化等提出解决方法；讲授如何对化工系统中的换热网络、分离塔序列进行综合合成等。因此本课程既与数学知识关系密切，又与化工过程实例密不可分。

在授课过程中，如从原理出发，则会更多地讲授数学知识，学生反映内容晦涩难懂，不易理解，也比较枯燥。因此近年来，我校对本课程的讲解偏重理论与实践结合的方式组织教学。面对新工科教育理念，青海大学化工学院为化工与制药类专业的学生配备了化工原理课程仿真和专业课程仿真的实践教学。学生除了在第二学期末进行认识实习、第六学期末进行专业实习外，还在第五学期初和第七学期初进行课程仿真实践课程和专业仿真实践课程的训练。因此，当讲授化工系统过程的模拟和分析时，主讲教师应用仿真过程和实习期间学生已经熟练掌握的绝热闪蒸、等温闪蒸、精馏过程为例，帮助学生建立化工系统的概念，并在这些化工过程的工工艺流程图的基础上建立数学模型，再进行过程系统的模拟。这样一来，学生对模拟和分析的概念既能产生兴趣又能理解掌握，并深入脑海。达到较好的学习效果。

3 提高主讲教师的工程技术背景

《化工过程分析与合成》课程既然与实际生产联系紧密，而新工科背景又要求学生具有较完备的专业知识体系和应用相关专业知识解决实际问题的潜在能力，因此，有意识地培养学生综合知识的运用就成了重中之重。而近年来入校主讲教师虽然均拥有博士及以上学历，然而硕士及博士的教育很大程度在实验室完成。因此造成教师与企业生产及行业发展现状有所脱节、教师实际生产过程工程背景不强，从而导致对本科生的教育很多时候是纸上谈兵，且达不到新工科理念要求。

为此，青海大学提出了教师入企业参加工程实践，提高主讲教师的工程实践背景的实践活动，提倡教师多参加高校与企业对接会议及相关活动，了解企业当前发展现状及行业发展趋势等。通过工程实践，教师深入企业生产一线，了解一线工人及工程师对实际生产工况的操作及存在的问题，对企业生产现状有了较全面的认知，因此可以将生产实际和存在的问题引入《化工过程分析与合成》课程中去，引导学生进行从实际问题入手，进行生产工艺模拟、参数优化以及合成某工段或工序的换热网络等生产实际问题。从而大大增强学生对实际生产的认识和解决实际生产问题的能力。此外，通过教师与企业对接，使教师了解行业目前生产现状和发展趋势，则可以让教师在实际授课中有的放矢，对于目前和未来发展需要的重点知识做详细说明，而行业目前已经淘汰的或应用较少的理念，可以略讲或不讲，如此一来可以使教师在有限时间内尽可能传授给学生更多更有用的知识，学生与企业和行业实际接轨，也会提高学生学习的兴趣。

4 注重计算机模拟软件与课程实际联系，强化学生综合能力

新工科理念主张以学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段。整合内外资源创造条件，打造工程教育开放融合新生态。而《化工过程分析与合成》要求在学习该课程后，学生应具备运用系统工程知识和方法对化工过程分析、优化及综合的能力，并在此过程中，对某个化工过程在设计、操作及能源使用等方面上达到最优化。针对《化工过程分析与合成》这门课程与生产实际联系密切，然而在讲授时数学知识多、理论知识枯燥难以理解、生产实践课时不足等特点，在学生生产实习、仿真实训的基础上，给学生布置工艺过程模拟及优化大作业。该大作业应用在许多化工企业和国外高校本科生教学中的应用已非常普遍的通用型化工流程模拟软件，如Aspen Plus、PRO/II等操作软件，结合学生生产实习中学习的实际化工过程，通过在计算机上实现对具体生产过程的分析与合成，让学生进一步以所学理论知识对实际问题进行流程模拟、分析以及优化、合成。

目前本科生对电脑操作普遍比较熟练，也对软件模拟感兴趣，因此，这种利用计算机软件和实际生产背景知识相结合的手段对课程内容进行进一步的训练，让学生的学习兴趣普遍比较浓厚，从而达到以学生志趣改变方法，创新工程教育方式与手段的目的。

布置大作业时，既注重生产实际与专业背景知识的结合，又注重学生团队协作与创新理念的融合。以2019年秋季学期为例，根据学生学习程度，教研室布置大作业的方向为天然气制甲醇精馏过程模拟与分析、甲醇提纯过程模拟与分析、CH2CI2溶剂的绝热闪蒸过程部分优化、简捷法设计精馏塔的ASPEN模拟、乙炔气相法合成醋酸乙烯、醋酸乙烯精馏工段模拟与优化等。大作业的具体操作方法是根据班级人数，让学生4～5人组成一组，每个小组再以实习期间或做课程设计期间用到的工艺为基础，通过查找文献资料、工艺流程确定、过程软件模拟与优化、后期作业word文档的编辑及ppt制作及讲解等过程对学生的综合能力进行训练。在此过程中，每个学生在小组中均有不同分工，让学生通过大作业将工厂实践与理论结合起来，可激发学生的学习兴趣，使学生对本课程的学习印象更为深刻，且在该作业过程中，增强学生团队协作能力、创新实践能力和工程实践能力，从而达到新工科理念主张的创新工程教育方式和工程教育开放融合新生态[4-5]。

在ppt讲解的课堂讨论环节，按大作业总体完成质量；文献资料的查找及应用；word文档语言逻辑及编写质量；PPT制作质量：报告讲解；团队协作情况等，由教师和班级其他小组同学打分，并将所得分数计入平时成绩。这样一方面可以通过强化过程考核，让学生对大作业重视起来，并努力协作完成工作任务；另一方面，通过对其他小组的打分及评价可以及时认识到自身还需要提高的地方，做到取长补短，并及时消化没有掌握好的知识。

由上例可知，大作业可以让学生将所学的系统工程思想、化工过程模拟、序贯模块法、参数优化、换热网络合成等本课程所学内容得到训练，同时又能理论联系实际，并将创新思想融入其中。在此过程中，学生可以再次巩固所学知识，锻炼团队协作能力，提升PPT制作能力，以及汇报人的逻辑思维等，既可以达到课程综合训练目的，又能提升学生的学习兴趣。

此外，主讲教师还进行了课改，利用雨课堂进行授课和实时测试，让学生充分理解学习的重点和难点，并尽量在课堂消化。通过知识点强化，学生在学期末的考试中及格率得到了提高。

5 结语