基于工程项目的本科毕业设计指导与实践

崔晶晶，王照成，袁 华

（1.武汉工程大学化学与环境工程学院环境与化工清洁生产国家级实验教学示范中心，武汉 430205；2.中国五环工程有限公司，武汉 430223）

0 引言

毕业设计是本科教育的重要环节，通过毕业设计，学生运用本科阶段所学的知识，独立完成某一特定课题。该过程既是对学生理论知识的综合检验，也是对学生运用所学知识解决实际问题的锻炼，是培养学生独立研究能力及创新能力的有效方式，还是针对未来研究及工作的一次重要实习［1-3］。近年来，随着招生规模的不断扩大，高校教师指导力量逐渐不足，同时研究生入学考试、找工作竞争压力不断增大，导致学生投入在毕业设计上的时间明显缩短。以上客观现实叠加诸如监管制度尚不完善、学生科学写作能力缺失、防剽窃教育力度低等其他诸多因素，本科毕业设计出现了一系列如设计题目脱离生产实际、抄袭严重、选题不当，学生无法独立完成、论文写作不规范等严重影响毕业论文质量的问题［4-6］。鉴于以上问题，教育界甚至出现了本科毕业设计制度存废之争［7］。化学化工专业学生毕业后主要是从事化学化工领域的研究、设计及生产工作，毕业设计环节对学生的日后发展具有重要的作用。针对化学化工专业毕业设计存在的问题，一些文章进行了讨论并提出了相关解决措施［8-11］，但是难以从根本上解决问题。校企合作完成本科毕业设计是一种新型的培养模式［12-14］，该模式依托实际工程项目并使用项目管理模式对毕业设计进行指导和监督，可以锻炼学生的工程思维，提高学生解决实际问题的能力，增强学生的创新意识，全面提高毕业设计的质量。

1 工程项目下本科毕业设计

化学化工本科生培养目的是为社会输送工程技术人才，传统的毕业设计仅依托于学校本身，毕业设计的选题缺乏工程背景，指导教师理论知识丰富但实际工程经验相对不足，导致学生的工程实践能力无法在毕业设计环节得到有效提升。考虑到工程公司承担着大量的工程项目设计工作，拥有高素质的工程师队伍，因此，采用校企联合的方式，基于实际工程项目对化学化工专业本科生进行毕业设计指导，是提高学生工程实践能力的有效方式。该模式还有助于工程公司充分了解毕业生能力，提供了一种潜在的人才选拔机制。

1.1 管理方式

传统的毕业设计通常由高校老师作为指导教师，每个高校导师指导多个学生，但是，由于高校老师承担着繁重的教学和科研任务，同时还要负责研究生培养，指导监督多个本科生的毕业设计的精力极为有限，这是造成毕业论文质量下降的一个重要原因［15-16］。工程公司拥有实践经验丰富、专业素养精良的工程师队伍，同时在参与工程项目过程中也积累了充足的管理经验，因此在毕业设计中引入企业导师不仅可以有效解决高校导师人力紧张的问题，还有助于学生工程素养的培养。在校企联合的毕业设计中，高校导师可以根据传统模式指导多个学生，工程公司指派具有丰富设计经验的工程师，根据实际工作负荷指导1 或2 名学生。同时将毕业设计过程进行任务分解，根据高校导师及企业导师的自身特点采用矩阵式管理模式，明确管理任务，提高管理效率。高校导师主要负责策划和协调工作，企业导师主要负责工程设计指导工作。毕业设计任务分解及管理分工如表1 所示。

表1 毕业设计任务管理分工

1.2 选题原则

选题是毕业设计的关键步骤之一，选题合适与否将直接影响到毕业设计的质量［17］。首先选题要基于实际工程项目，着眼于解决工业生产中的实际问题，这样才能引起学生的兴趣。其次选题的范围要合适，题目范围不宜过大或过小。如果选题范围过大，例如选用“煤制合成氨工艺系统设计”，则会因涉及内容过多，导致学生在有限的时间内无法完成设计任务，即使勉强完成也只是囫囵吞枣，浅尝辄止，学生的综合素质无法得到全面提升。如果选题范围太小，例如选用“某离心泵系统工艺设计”，则会因为内容太少，导致学生不能全面系统的学到工程设计，毕业设计内容单薄。因此，在选题时最好是选择工程项目中某个独立的单元，即要流程简单便于按时完成，又要尽量包含各种单元操作，使学生充分得到锻炼。再次在选择课题时，尽量选择正在执行的工程项目，创造机会让学生参与实际的项目设计，这样既可提高学生的参与感和积极性，同时也能减轻企业导师的工作负荷。

1.3 实施方案

1.3.1 工程设计流程

工程设计中，与化学化工专业相关的主要设计文件有工艺流程图、物料平衡表、设备布置图、管道仪表流程图等。为了最终完成这些设计文件，在毕业设计初始阶段需要让学生掌握工程设计的流程。工程设计首先要明确设计输入，包括确定装置或单元的处理能力或产品能力、明确产品的质量要求、收集原料及所需公用工程的规格。然后通过阅读文献，对不同工艺方案进行技术经济比较，确定适合于本课题的工艺方案。接下来，根据确定的工艺方案，对工艺流程进行流程模拟计算得到物料平衡，并根据计算结果进行相应的工艺计算（例如泵的系统计算，管道尺寸的计算，设备尺寸的计算）。最后根据工艺计算结果编制设计文件。

1.3.2 工艺方案选择

工艺方案选择是工程设计的重要环节之一，方案选择的正确与否将直接决定整个设计工作的成败。该环节中，学生根据选定的课题进行文献检索，通过大量阅读文献来找出不同方案的优缺点，对不同的方案在投资、消耗、占地等方面进行定性分析，从而最终确定最佳的工艺方案。该阶段，由于学生可能对课题熟悉度不够，需要企业导师提供给学生相关的检索词，并及时甄别学生所查询参考文献的质量。学生则需要积极思考，主动和企业导师进行方案讨论，提高自己的分析能力并建立初步的工程思维。

1.3.3 工艺系统计算

工艺系统计算是工程设计的核心内容，在该过程中学生首先要根据选定的题目通过模拟软件对整个工艺流程进行建模并计算，常用的流程模拟计算软件是Aspen Plus，企业导师需要首先指导学生对软件进行学习，然后让学生进行独立建模并进行计算，同时在计算过程中培养学生的创新思维及实践能力。以课题“酸性水汽提系统设计”为例，图1（a）给出了酸性水汽提系统的原始流程，其基本原理为酸性水自汽提塔（C01）塔顶进入塔中，低压蒸汽自塔底进入塔内，在汽提塔内低压蒸汽和酸性气进行逆流接触从而脱除酸性水中的CO2和H2S 等酸性气体。塔底冷凝液经泵加压后送出界外。塔顶汽提气经循环水冷却后进行气液分离，分离后的气相送出界外，液相经泵加压后送出界外。首先让学生根据图1（a）进行建模并计算，然后指导学生在塔顶增加一个酸性水加热器（E02）再进行模拟计算，优化后的流程如图1（b）所示。计算结果表明，通过增加酸性水加热器不仅降低了塔底蒸汽的消耗，而且减少了塔顶循环水冷却器的水耗。通过这种方式让学生掌握工艺流程优化的技巧。

图1 酸性水汽提工艺流程

通过流程模拟得到物料及热量平衡，然后再进行设备尺寸、管道尺寸等计算。同样以“酸性水汽提系统设计”为例，所需要进行的计算如表2 所示。

表2 中的计算内容学生基本上都在课堂上学习过，但是课堂上接触的计算比较简单，一般是以习题的方式出现，达不到工程设计的深度。实际工程设计中，上述计算需要依据相应的标准规范，例如泵的系统计算是根据《HG／T 20570.5-95 泵的系统设计计算和设备安装高度的确定》来完成。在工艺系统计算过程中，由企业导师告知学生不同计算所遵循的标准规范，由学生根据标准规范自行完成Excel 计算表格的编制并进行相关计算。可以使学生夯实理论基础，熟悉工程设计所需的标准规范，进而掌握相应的工艺系统计算。

1.3.4 设计文件编制

基于工程项目的毕业设计成品文件一般包括工艺流程图、管道仪表流程图、建议设备布置图等。企业导师提供编制设计文件所需要的输入条件及遵循的标准规范，学生完成设计文件的编制。

1.3.5 毕业论文撰写

基于方案选择，工艺计算及设计文件的编制内容，学生完成最终的毕业论文撰写。在毕业论文撰写的过程中，高校导师充分发挥自身的优势，在科学写作、论文结构、论文格式等方面对学生进行指导，企业导师则在工程计算的严谨性方面进行把关。通过校企双导师的共同协作，共同保证毕业论文的质量。

1.4 过程管理

1.4.1 进度控制

本科毕业设计一般是在大四的第二学期，持续时间一般为3～4 个月，而在这个时期，很多学生还要忙于准备研究生复试及找工作，能够全身心投入毕业设计的时间有限。因此制定清晰明了的进度计划并严格执行是保证毕业设计保质保量完成的前提。针对不同课题的特点，由企业导师和学生共同制定切实可行的进度计划，图2 为典型的毕业设计进度计划横道图。学生根据进度计划安排自己的毕业设计工作，同时每周提交任务清单及上周任务完成情况，企业导师和学校导师共同监督任务完成情况，及时要求学生及时按进度完成设计任务。除了日常沟通讨论，学生每半月向企业导师当面汇报毕业设计进展，提出所面临的问题并和企业导师讨论解决。

图2 毕业设计进度计划横道图

1.4.2 质量控制

引入PDCA循环理论，对毕业设计全过程及每个任务的质量进行控制。PDCA（Plan-Do-Check-Act）循环是一个持续改进模型，广泛应用于各行各业的质量管理活动［18］。对每个任务通过Plan（计划）、Do（执行）、Check（检查）、Act（处理）4 个步骤不断循环，直到质量达标。例如对于工艺流程计算任务，首先制定方案（Plan），企业导师提供设计输入及产品要求，同时指导学生对模拟软件进行学习。然后进行模拟计算（Do），由学生独立对流程进行建模，输入设定参数并进行模拟计算，得到初步的计算结果。接着由企业导师对计算结果进行检查（Check），看产品要求是否满足，如果满足则说明计算结果正确，进入下一个设计任务，如果不满足，则需要对模型、参数设定等进行检查，找出问题所在。最后由学生对模型进行修正，并重新计算（Act），最终得到正确的计算结果。通过对整个毕业设计及分解任务进行PDCA 循环，可以有效保证毕业设计的质量。

1.4.3 设计对标

所谓“对标”是指对比标杆找差距，进而达到改进提升的目的。在学生完成初步的设计文件后，和实际工程项目的最终设计文件进行对标，从而找到差距，然后针对这些差距和企业导师进行讨论并对设计文件进行修改完善，提升设计文件的质量。以“酸性水汽提系统设计”为例，使用同样的模拟软件和设计输入，学生计算的循环水用量和对标设计文件不同，计算偏差超过了5%，因此需要对这个差距进行分析。经检查，发现学生在建立计算模型时，选用ELECNRTL 作为全局物性方法，但是针对纯水系统的模拟，此物性方法计算结果会有偏差，因此需要将循环水冷却器的循环水侧物性方法改为STEAM-TA。对模型参数进行调整后进行计算，发现数据和对标设计文件一致。通过设计对标，可以使学生进一步掌握工程设计的技巧，改进设计文件质量，提升学生的获得感。

2 实践效果

（1）提高学生的工程化及实战化能力。基于工程项目开展毕业设计，使学生接触到了实际的工程项目，工程设计能力及实践能力得到了提升。学生不仅学会了很多专业的软件（例如Aspen Plus，Auto CAD，HTRI等），熟悉了工程设计所需的标准规范，还掌握了工程设计的流程及如何进行工程计算，夯实了大学期间学习的知识，建立了初步的工程思维。同时分析问题，解决问题的能力也得到了提升。为今后的科研及工作打下了良好的基础。

（2）开阔学生应用视野，提高学生的综合素质。在毕业设计的过程中，学生可以了解工程公司所开展的业务及执行的项目，熟悉本领域的各种工艺技术。企业导师可以向学生展示项目中的现场图片，使学生对工程项目有更加直观的认识。实际工程项目要想能够顺利地执行，需要用到很多项目管理的工具。基于工程项目的毕业设计可以使学生接触并了解这些项目管理的知识，例如矩阵式管理、横道图进度计划、PDCA循环等，从而使学生的综合素质得到提升。

（3）产教融合，企校“双赢”。通过校企合作共同辅导本科生进行毕业设计，减轻了高校导师的工作负荷，提高了毕业设计的质量，为社会培养了高素质的技术型人才。企业在承担社会责任的同时，也可以分配一些设计工作给学生，降低企业导师的工作负荷，同时这种模式也为企业选拔人才提供了一种新的机制，使企业和高校形成“双赢”的局面。

3 结语

针对化学化工专业的人才培养特点，采用校企联合的方式共同指导本科毕业设计。该模式可以充分发挥高校导师和企业导师的优势，利用工程公司丰富的工程项目资源及高素质的工程师队伍，提高了学生的工程意识及实践实战能力，开拓了学生专业应用视野，提升了学生的综合素质，取得了良好的效果。同时学校和企业的沟通得到了增强，双方形成了“双赢”的局面，共同为社会培养高素质的工程技术人才。