教育认证背景下化工过程分析与合成课程的教学设计及实施

张巧飞 高建飞 朱春山

(河南工业大学 化学化工学院，河南 郑州 450001)

面向新世纪化工类专业人才培养的迫切需求，“化工过程分析与合成”列入化学工程与工艺专业人才培养方案的核心课程，同时也是列入我国《工程专业认证标准》中的必修课程。为了更好地服务地方区域经济发展，向企业和社会输送合格的工程类专业人才，依据工程教育专业认证标准开展专业建设与改革已成为各大高校提升办学质量的主要举措之一。因此，从2016年开始，河南工业大学将“化工过程分析与合成”列入2016级化工专业学生的培养方案，安排在第6个学期，36学时，2018年笔者首次开设本门课程。化工过程分析与合成是将系统工程的思想、方法和策略用于解决化工过程系统中复杂的化学工程问题的课程，涉及化学工程、计算机技术、运筹学、工程经济学和最优化等理论。学生通过本课程学习，能运用系统工程的观点和方法对化工过程系统进行系统分析、模拟与优化，实现化工过程系统在技术和经济的各个层面达到单个或多个目标的最优化[1]。简言之，这是一门将系统工程的思想、方法和策略用于解决化工过程系统中复杂化学工程问题的课程。

然而，笔者在进行该课程教学的过程中发现，传统的以教材为主导的教学模式存在理论与实践脱节的问题，导致学生普遍认为该课程理论性太强，数学要求较高，比较抽象，所学理论无法用于解决复杂工程问题。在传统的教学模式中，教师通常先复习课程需要的数学和化工基础知识，然后讲授单元设备模型的建立，最后逐渐过渡到复杂流程系统的分析、合成及优化。这种教学模式虽然逻辑性强，却无法充分调动学生的积极性和主动性；而且该课程课时有限，讲授过多理论知识会导致实践性环节不足，进而使得本课程在学生工程实践能力培养中的作用得不到充分发挥。同时，该课程是以高等数学、化学、化工原理等相关基础课与专业课为基础，并且融合了系统工程、计算机模拟的知识，涉及大量学科交叉知识，大大增加了课堂教学和学生学习的难度。因此，对实践性较强的化工过程分析与合成课程进行建设与改革至关重要。

1 OBE教学理念贯穿课程教学设计和教学过程

1.1 教学目标具体化

在第二章讲解过程系统模拟的三种基本方法时，可在教学目标设计中利用学生熟悉的Aspen Plus软件，引导学生分析该软件的起源、发展以及基本原理，提高学生查阅文献和网络资料分析问题的能力。同时，教学目标不应局限于对专业基础知识、应用能力和分析能力进行要求，还应包括人文素养、专业兴趣、终身学习能力等方面的培养。例如，过程系统的优化和综合问题离不开环保、节能、安全和技术经济等各方面的综合考虑，培养学生的人文社会科学素养、社会责任感，学生能够在考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素的前提下，设计针对复杂工程问题的解决方案，并遵守工程职业道德和规范，履行责任。再比如第一章绪论中，加入课程思政元素，通过介绍过程工程学的发展史和国内外化工发展现状，引导学生搜索和了解民族化学家的伟大事迹和重要贡献，激发学生为振兴民族化工科技事业献身的热情。

1.2 针对教学目标改进教学方法

传统的教师讲授型教学模式，使得学生处于对化工过程分析与合成课程畏惧、无兴趣的状态，学习效果甚微。OBE理念强调以学生为中心，事实上，当代大学生基本都在2000年以后出生，他们的成长伴随着网络的兴起和普及。与授课教师成长期间以书本作为知识载体不同，信息的视频化、碎片化以及从网络获取信息的强大能力使得当代学生钻研课本的能力下降，对文字类载体的专注力差、容易产生疲倦。因此，在将实际生产实践以及前沿科技引入教学的时候，需要以信息技术为载体，并实施多元化教学，引导学生深入探索和自主学习。以第四章化工过程系统的优化中人工智能模型为例，可以引入一系列有趣视频来帮助学生理解人工神经网络技术在过程系统性能模拟方面的独特优势，摆脱书本的束缚，鼓励学生自己通过网络资源查找化工和生活中人工智能技术的应用。

1.3 改革考核与评价模式

对于学习效果的评价绝不能仅仅局限于纸质作业以及卷面考试。得益于学习通自动记录学习任务点的优势，为了检验学生学习成果是否达到预期教学目标，教师可以设计丰富的线上、线下教学环节满足考核需求。首先加大平时成绩在课程考核中所占的比重，除了纸质课后作业和测试以外，增加小测验、抢答、主题讨论、分组任务等学习通线上互动环节，根据需要调节作业、课堂互动、签到、访问数、讨论等各模块所占的总成绩比例，通过多维度成绩分配，实现过程性评价。当然考核形式不限于教师评价给分，也可分组完成任务，小组之间互评。考试试卷部分针对教学目标，增加科学前沿相关题目和具有提高性的工程应用题，同时部分题目可以探究性题目为主，灵活给分。最后教师通过学情分析了解整个班级的作业完成度、平均分及签到率等，统计计算各项分值和课程目标达成度，对学生达成情况进行分析评价，为持续改进提供依据和思路。

2 教学内容从“以教材”向“以工程案例”为中心转变

化工过程分析与合成包括化工过程模拟与分析、过程优化和过程综合三个层次，以及各层次之间的集成分析，课程综合性强、知识点多、知识面宽，学生学习和理解起来较为困难。在教学过程中，过程分析、模拟、最优化、分离序列等知识点必须辅以大量的工程案例进行阐述。如果没有工程案例作为背景知识，容易造成理论知识与工厂实际脱节的情况[2]。

因此，实现从“以教材为中心”向“以工程案例为中心”的转变，可以营造良好的学习氛围，激发学生的学习兴趣，引导和启发学生主动分析、积极思考和共同讨论，认识到课程的重要性；也可以通过案例教学，为学生提供接触、了解实际工程项目的机会，提高师生互动质量，增强学生对专业的认同感。按照“基本理论+工程案例”两个环节，设计讲授稳态模拟、动态模拟、过程优化、换热网络合成、分离序列综合这五部分内容。压缩“基本理论”环节的讲授学时，只讲模拟与优化的基本思路和理论；加强“工程案例”环节的学时，每部分内容都引入1～2个工程实践案例，以工业化生产的实际需求为导向，综合运用系统工程、数学建模、模拟软件等方法和化工相关知识，将面临的问题抽丝剥茧，提高学生的专业综合素质及解决实际问题的能力。例如，在讲述化工过程的稳态模拟时，先引出乙二醇和水分离的问题，然后讨论热力学模型的选取，再以闪蒸操作为例，讲解物流模块、闪蒸模块、闪蒸方法以及热平衡的建立，最后对完整的流程进行模拟计算；在此基础上，逐渐展开包含多个单元模块的复杂流程的建立和模拟分析。

3 复合式教学模式培养学生分析解决工程问题的能力

在教学中，采用线上线下混合式教学，运用问题导向、启发式、研讨式和案例式的复合式教学模式，改变传统教学中“我讲你听”的灌输模式，充分调动学生学习兴趣和学习积极性，培养学生发现问题、解决问题等能力。基于课程的教学大纲，编制合理的教学执行大纲，对课程基本信息、预期学习成果、教学日历，以及考核方式等内容进行具体、可执行的设计，缩略图如图1。

图1 化工过程分析与合成的教学执行大纲缩略图

针对课程学习难度大、课时较少的特点，理论教学分为线上、线下两部分。授课教师利用超星学习通平台建设网络在线课程，上传优质学习资源，拍摄重难点知识的慕课视频，学生通过超星学生端可随时进行自主学习和反复观看，课前课后向学生发布学习任务和练习题，检验学生慕课自学和教学后的学习效果，教师在管理端则可直观分析学生学习相关数据，动态掌握学生的学习情况；线下部分则是教师在课堂上根据学习通学情分析情况，着重讲解学生难以理解或掌握的知识点，达到有的放矢，提高课堂效率。

在教学过程中，通过执行大纲设计切实可行的教学环节和内容。例如，在讲解“问题表法确定夹点”知识点时，采用Aspen Energy analyzer软件，直观演示不同最小传热温差下的温焓图，引导学生对不同过程系统的最大热回收、最小公用工程加热和最小公用工程冷却量进行讨论，启发学生确定合理的最小传热温差，培养学生发现问题和解决问题的能力。在夹点法换热网络综合的教学过程中，考虑到线下课时有限，教师可通过线上慕课视频进行案例教学，引导学生将夹点处物流匹配的可行性原则和经验性规则的理论知识用于换热网络综合过程，培养学生分析和解决问题的能力以及设计/开发方案的能力。

Aspen Plus流程模拟软件加强学生工程实践能力的培养。序贯模块法是Aspen用于模拟计算的主要方法，与化工过程分析与合成中所讲授的理论基本一致[3]。然而在实际教学中，很多学生无法将序贯模块法理论和Aspen软件有机结合起来解决流程模拟问题。应用Aspen对复杂化工过程进行模拟时，使用系统默认的断裂流股和初值往往会出现结果不收敛，需要用户对断裂流股和初值进行调整，学生对这一块内容难以掌握；而在学习化工过程分析与合成时，由于缺乏实际演练，学生同样对循环回路断裂的学习停留在纸上谈兵的层面。如果教师通过乙苯脱氢案例将二者有机结合起来，将序贯模块法理论和Aspen模拟进行集成教学，会使得学生轻松掌握序贯模块法的理论及其在Aspen模拟中的实际应用。在课程实践教学过程中也可与Aspen Energy Analyzer关联使用，在流程模拟的基础上对过程系统的换热网络夹点进行分析[4]，讲解最小传热温差、冷热组合曲线等概念，并提出换热网络设计方案。如果课时有限，可以录制微课视频，方便学生课后自主模拟练习，加深认识。将Aspen Plus流程模拟软件应用于教学中，不但可以加强学生模拟软件的应用能力，也可让学生了解实际工程案例在软件模拟和优化中的应用，使课程紧密联系化工生产实际过程，提高学生的自主创新能力和工程实践能力。

设置工程大作业，理论结合实际。为了强调生产实际与专业背景知识的结合，培养学生团队协作与创新理念，给学生布置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、氯化石蜡废酸利用等方向的分组任务。学生组成学习小组，自主选择工程案例，通过调研文献资料、确定工艺流程、过程软件模拟与优化、编辑撰写研讨论文、PPT制作及汇报等过程，提升学生的综合能力。每个学生在小组中均有不同分工，同时启动小组互评模式，不仅可以激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习，使学生对本课程的学习印象更为深刻，而且有利于增强学生的团队协作精神、创新实践能力和工程实践能力。

4 结语

对标工程教育专业认证，针对化工过程分析与合成课程传统教学中存在的理论性强、数学要求高、抽象，学生运用所学知识解决实际工程问题和复杂工程问题的能力较弱等问题，我们通过对本课程进行教学设计、构建及实施，提出注重工程实践能力培养的新型教学模式，全面推进和深入课程的教学改革。在教学过程中，引入“以学生为中心，以成果为导向”的OBE教学理念，对教学目标、教学方法、课程考核方式和评价体系进行教学设计；教学内容从“以教材”为中心向“以工程案例”为中心转变；编制切实可行的教学执行大纲，建设网络课程平台，实行线上线下混合式教学，设置工程大作业，应用Aspen Plus流程模拟软件进行课程实践教学，理论结合实际，复合式教学模式培养学生设计/开发解决问题的能力。