建立以学生为中心的化工系统工程教学探索

夏斐斐 徐秀敏 杨凤丽

（江苏理工学院 化学与环境工程学院,江苏 常州213001）

化工系统工程是化学工程与工艺专业学生的一门重要课程,该课程结合化工热力学、反应动力学、化工单元操作、最优化方法、工程数学等方面的知识,运用系统工程的观点和方法研究化工过程的整体特性,实现化工过程系统在开发、设计、操作、管理等各个层面的最优化,从而提高化工过程单元的工艺水平,旨在培养学生综合运用化工基础知识和专业知识处理实际问题的能力。

但是,该课程的内容相当宽泛,涉及化工过程各单元的模拟、设计和优化,以及各单元之间的集成分析[1]。同时,化工单元过程涉及大量数学公式的推导以及计算机程序框图,化工过程优化理论包含数学优化、求解算法等基本理论,这些内容对学生的数学基础知识和计算机编程能力要求较高,容易让学生望而生畏,缺乏学习的积极性和兴趣,从而导致课堂教学气氛沉闷,教学效果欠佳。因此,常见教学方法并不能适用于所有的授课内容,有必要优化教学内容和改善教学方法以提高学生对该课程的兴趣。具体来说,为了提高学生的学习兴趣,实现以学生为中心的课程教学,可以尝试从以下四个方面进行探索。

1 丰富教学元素,拓展课程体系

在课堂上,应用各种教学元素展示学术最前沿的理论知识,不仅可以拓展课程体系,还可以激发学生的学习兴趣。课前教师要有针对性地做好教学设计,授课知识点广而深,最好能用浅显正确的语言及丰富的教学元素让学生理解知识点。授课的课件应该条理清晰,尽可能地提高课堂教学课件中图片和表格的比例,做到相关教学素材、音效与文字内容的有机结合。另外,在化工系统工程中,换热网络的综合是主要教学内容。但是,换热网络的分析与合成在理论研究和实际应用中已趋于成熟,特别是换热网络的夹点技术,在工业界已有数十年的应用历史[2,3],已不是目前学术界关注的热点问题,这部分教学内容缺乏新的、前沿性的知识。为了使学生更容易理解和掌握换热网络综合这部分内容,我们在近年的教学实践中,逐步将化工设计中涉及的循环冷却水系统设计和热集成水网络设计内容引入课程[4]。这部分内容既是对夹点技术相关知识的深化,也是对化工过程体系的应用拓展,有助于提高学生的学习兴趣。

2 以学生为主体,改变“填鸭式”教学方法

化工系统工程课程安排在本科学年第四学年的第一学期（大四上学期）,此时学生已经完成了高等数学、线性代数、化工原理、化工热力学、化学反应工程、化工分离工程、化工应用软件等课程的学习,为学习化工系统工程课程储备了一定的基础知识。但是该课程的理论性极强,在教授的过程中必须结合实际工程案例,这样有助于学生在理解基本理论知识的同时,对化工过程单元还可以有一定的认识,从而对激发学生的创新能力有益。同时,本课程的培养目标之一就是要求学生能够解决实际生产过程中存在的问题。因此,为了提高学生综合应用专业知识的能力,教学中应尽量给学生更多的学习主动权,为学生提供更多自学、探讨、创作的机会。另外,在课堂教学时,教师可以在一段教学内容开始时先着重介绍本次课程内容的应用背景和工程意义,同时提出实际生产中的若干问题,让学生带着这些问题听课。这时学生就会在这些问题的引导下进行思考,在听课的同时,根据已具备的化工专业知识思考出一些解决问题的方法。最后,经过小组讨论,得出解决本堂课开始时提出问题的初步方案,这样就做到了课堂上以学生为主体的课堂教学,达到此节课程的教学目标。课堂结束后,教师根据本节课所授的知识内容布置课后思考题目,要求学生带着问题去预习下节课的教学内容,并储备相关专业知识。

3 以工程实际案例为背景,丰富课后作业

化工系统工程是一门与实际工程结合紧密的课程,但从理论知识教学到工程实际应用还有一段距离。为了培养学生解决实际问题的能力,在讲授化工过程单元模块的自由度时,可以安排学生结合化工原理课程所学的活性分离装置的特征以及在此装置中所包含的流股数目、各个流股包含的独立变量数目及独立变量之间的关系进行讨论。此类小组讨论问题可以设计为课后让学生先收集资料,小组讨论后再在课堂上分享,也可以设计为随堂讨论。通过小组讨论以工程实例为背景的思考问题,不仅可以锻炼学生搜集、整理和获取数据的能力,同时也鼓励了学生运用理论知识解决问题的能力。因此,安排小组讨论时,一定要精心设计需要讨论的问题,所设计的问题既要与课程知识点相联系,又要有一定深度和广度,这样才可以最大限度地考察学生对知识点的掌握理解情况并激发学生的学习兴趣。本课程的课堂教学中着重通过案例介绍化工过程数学模型的建立与求解策略,以及化工过程参数优化、结构优化理念与具体方法[1,4]。教师通过具体实例讲解复杂化工问题的分析与合成方法后,学生可基本形成感性层面的整体认知。对于仅靠听讲无法掌握的细节操作问题,我们会在课后布置相应的大作业,要求学生针对化工生产过程,查阅、分析文献资料,通过合理简化与假设,结合质量衡算、热量衡算、动量衡算及其连接条件,建立能描述过程的较为合理的数学模型,然后利用工程软件或者通过计算机编程对数学模型进行计算求解,从而完成操作参数优化或结构参数优化。通过完成大作业,学生能够得到适当的训练,加深理解与体验。结合实际工程案例讲授相关的单元过程的设计、模拟和优化,有利于提高学生的学习兴趣,还能加深学生对理论知识的理解,激发学生的创新能力。

4 优化考核方式,注重过程性考核

另外,为了使学生积极主动地参与到课程教学和考核中,本课程采用过程性评价、表现性评价和结果性评价相结合的方式对课程成绩进行综合评定。课程考核总成绩中,平时成绩占50%,其中线下平时成绩占30%（包括平时线下作业5%、笔记5%和化工系统工程实例方案的设计20%）、线上成绩（雨课堂中的预习、测试和讨论）占10%、线下课内讨论练习占10%,期末考试成绩占50%。其中化工系统工程实例方案的设计,以培养学生分析和解决复杂工程问题的能力为核心。

5 结语

综上所述,高校教师在进行教学活动时,要提高课堂教学的效果,使学生积极主动地参与到课堂教学中,就需要不断地丰富课堂内容、改善教学方法和优化考核方式。另外,还需要注重理论与实践的结合,让学生能够应用所学的基础理论知识解决实际工程问题,达到学以致用的教学目标。同时,提高学生的学习兴趣,实现以学生为中心,也可以培养学生把握问题本质及分析和解决问题的综合能力。