“化工过程模拟-Aspen Plus软件及应用”课程教学改革的探索与实践

董新艳 张 艳 桑佳荣

(浙大宁波理工学院 生物与化学工程学院, 浙江 宁波 315100)

随着计算机技术及多种模拟软件日益广泛应用于化学工业中,传统的化学工程也已成为一门集实验、计算及理论研究于一体的综合性学科[1]。融合化工专业知识与计算机应用技能,培养能够熟练应用计算机技术解决化学工程实际问题的学生,是化学工程专业教育的重要目标之一。Aspen Plus作为最为通用的化工流程模拟软件而被国内外高校引入化学工程专业的课程体系中。“化工过程模拟-Aspen Plus软件及应用”课程是化学工程专业一门重要的综合性应用型课程,旨在培养学生运用化工专业知识和Aspen Plus流程模拟软件分析解决化工生产中的实际工程问题,实现化工过程的分析、合成与优化[2]。我院于2017年正式开设“化工过程模拟-Aspen Plus软件及应用”课程,作为一门新兴的兼具理论与实践性的综合性应用型课程,对老师教学及学生学习都提出了较高的要求,在教学过程中也发现了一些问题,亟须对整体课程进行改革与建设。下面我们对“化工过程模拟-Aspen Plus软件及应用”课程教学中存在的问题,以及在教学内容、教学方法及教学模式等方面采取的改革措施进行分析探讨。

1 教学过程中存在的问题

1.1 课程综合性与专业性强,难度大

该课程内容涉及“物理化学”“化工原理”“化工分离工程”“化学反应工程”“化工热力学”“化工专业英语”,学生需要运用多门专业课程的知识才能构建合理的工艺流程、选择匹配的模型、设置正确参数。然而,在教学过程中发现,学生对于学过的专业知识掌握不牢固,无法综合运用专业课程知识系统地分析解决复杂的流程模拟问题。此外,Aspen Plus软件包含大量化工专业词汇和术语,约70%的学生认为全英文的软件操作界面对学习造成了很大困难。

1.2 软件复杂、掌握困难

Aspen Plus设置过程复杂、模块众多、工具命令繁多、功能异常强大,需要花费大量时间和精力才能掌握。传统多媒体教学中,老师的教授和学生上机实操分开进行,造成老师的“教”与学生的“学”严重割裂。然而软件的学习具有很强的实践性,学生单纯看老师演示操作而缺乏操练,学习效率差,无法真正记住及掌握软件的操作步骤,造成学生在上机实操时依旧毫无头绪。

1.3 学生解决实践工程问题能力弱

学习完本课程后,学生在后续毕业设计、全国大学生化工设计竞赛等环节中对Aspen Plus软件的实际应用能力仍欠佳,仅限于基础的软件应用,难以灵活运用该软件解决复杂的实际工程问题。

因此,根据课程兼具理论性与实践性的特点,针对目前课程教学过程中存在的问题,以培养提升学生解决复杂工程问题的能力为目标,从课程的教学内容、教学方法、教学模式等方面进行如下教学改革。

2 “化工过程模拟-Aspen Plus软件及应用”教学改革措施

2.1 强化化工专业课程与该课程的衔接与融合的教学内容改革

该课程不仅包含众多化工专业课程内容,而且进一步深化了各门课程之间的有机联系,着重突出理论与实践的结合。学生在学习完各门专业课程后,一方面由于应用较少,存在着遗忘的情况,另一方面难以将各专业课知识融会贯通、形成体系、综合运用,这样给Aspen Plus软件的学习带来了极大困难。因此在教学内容上需要注重与专业知识的衔接讲授。受学时所限,要以软件应用为目标来筛选针对性较强的化工专业知识重点讲解,使学生从理论学习到软件实操自然过渡。例如,热力学方法的合理选择对Aspen Plus模拟结果的正确性至关重要,而学生即使学过化工热力学,对具体物系的热力学方法的选择依旧非常困惑,无从下手。因此我们在讲解软件物性运用时,可系统地回顾串讲“化工热力学”相关知识,使学生进一步明晰针对不同系统热力学模型的选择依据。在讲解Aspen plus的物性分析工具时,回顾讲解“物理化学”中二元及三元相图相关知识。此外,Aspen plus软件与“化工原理”中单元操作的原理是相同的,因此在讲授每个单元模块模拟操作前,先简要回顾和巩固化工原理各个单元操作的基础理论。比如在教授HesterX模块时,学生仅以“化工原理”中学过的传热相关知识难以完成该模块模拟,因此需要补充讲授换热器结构相关知识,如管板、折流板、接管、封头、壳体、管束、挡板等,在了解了换热器的结构后学生才能设置换热器HesterX的结构参数。在模拟分离过程时,需要补充讲解“化工分离工程”中的萃取精馏及两塔变压精馏的分离原理及流程。在讲授动力学反应器模拟时,要回顾讲解“物理化学”“化学反应工程”相关知识,如幂指数型及LHHW型动力学的表示形式,全混流、平推流等各种反应器的结构、特点及设计方法。此外,对于此款全英文软件,我们在制作课件的时候,对所有模块参数进行了中文注释,并结合“化工专业英语”,将与软件相关的专业英语词汇整理成册发给学生。通过专业课程和化工过程模拟课程的融合教学,很多同学都感受到利用Aspen plus软件可以方便快捷地求解以往“化工热力学”“化工原理”“化学反应工程”“化工分离工程”的课程习题。教学实践证明,专业知识的必要补充,可将理论知识渗透到具体化工过程开发实践中,使学生对Aspen plus软件的学习更易于接受和深刻掌握。同时Aspen plus软件的实践教学让学生亲身体验到计算机模拟化工流程的快速、准确和奇妙性,使学生对化工专业的认知从定性提升到定量,同时也反哺及巩固了其他专业课程的学习。

2.2 理论与实践结合的“教学做”一体化教学模式改革

该课程的教学目标是使学生能够熟练地掌握运用化工流程模拟软件解决工程问题,即体现在让学生会“做”上。以往采用理论教学与上机实践分散式教学模式,学生在理论课上只能被动听课,由于缺乏有效练习而不能跟上老师节奏,从而感到枯燥乏味;而上机实践课上又由于根本没有掌握软件操作从而无从下手。理论教学与上机实践教学结合的“教学做”一体化教学模式则可以实现可视化及多人在线的人机交互功能,可打破原有的先理论后实践的教学模式中理论知识与实际操作不能有效衔接等问题,更加符合应用软件学习要具有即时反馈和人机互动的特点[3]。“教学做”一体化教学模式主要体现在师生的有效互动上,老师“教”、学生“学”、师生同时上机操作(“做”)三个环节有效融合,互相交叉进行。教师通过主机控制使学生电脑显示教师主机内容,这样教师对流程模拟操作过程的每一个步骤可以直观清晰地展现在学生眼前的电脑屏幕上。在讲解一个理论知识点后立刻解锁学生电脑,学生则通过电脑跟随老师一步步完成实践训练。教师完成讲授后,再在课上布置上机操作作业,让学生在课上进行练习和思考,以巩固所讲知识。在学生实践过程中若遇到模拟错误或者难以解决的模拟问题,教师可以进行一对一指导、讨论,学生则通过指导亲手操作解决问题。在师生互动、人机交互的过程中,学生通过提出问题、解决问题、印证结果的过程熟练软件操作,不断进步。“教学做”一体化教学模式将抽象而枯燥的理论知识科学地、有效地转化到生动形象的实践过程中,并在实践中得以验证,解决了分段教学模式中所存在的理论知识与实际操作不连贯、不衔接等问题[4]。这种理论与实践相结合的“教学做”一体化教学模式更容易提高学生学习兴趣,在这一过程中学生成为学习的主体,能充分激发学生的主观能动性,在培养学生思维能力的同时,也培养了学生发现、分析和解决问题的能力。

2.3 多层次案例教学的教学方法改革

在教学中采用案例式教学,即把化工过程模拟的内容分为若干个典型化工单元的案例,每个案例包含必要的化工及模拟理论、建模与模拟方法,把理论教学、上机模拟操作和工程实际问题揉合在一起,形成理论知识、Aspen Plus应用、案例一体化的教学方式[5]。可以从典型化工生产工艺、历年化工设计大赛题目等方面选题,构建具有代表性、联系生产实际的工艺过程案例。根据教学目标选择由易到难、由单一到综合的多元化、多层次案例,设立项目库。在教学过程中首先向学生讲授Aspen Plus单元模块的基本理论、模块参数及操作步骤,然后通过简单案例模拟练习使学生熟悉Aspen Plus的各个单元模块的应用,尽快了解及掌握单元模块的模型参数设置及模拟方法,从而消除畏惧心理,激发学习兴趣,获得学习成就感;然后通过难度适中、包含有2～3个模块的流程的讲授和练习进入探索性训练,对案例进行分析讨论,帮助学生解决及分析流程模拟操作中出现的问题,培养和提高学生分析及解决问题的能力;随着学习的深入,再进行较为完整的小型化工过程的模拟及优化,锻炼综合能力,加深学生对化工模拟与优化的认识。以精馏为例,先以精馏回收废水中的N,N-二甲基甲酰胺和精馏分离乙苯-苯乙烯为案例,让学生学习单一精馏塔模块的模拟操作;然后以乙二醇萃取分离甲醇和丙酮的萃取精馏案例引导学生学习带循环的两塔复杂精馏;进一步采用更复杂的案例,如甲醇气相脱水制二甲醚的工艺流程,其流程包含反应器、二甲醚精制塔和甲醇回收塔两个精馏塔,以及泵等输送设备。教学中,先引导学生根据工艺体系,选择适合的分离方法及反应器,筛选分离介质,确定合理的工艺流程,再以Aspen软件进行流程模拟。这样将理论、工艺、模拟环环相扣,相辅相成,层层递进,形成理论知识、Aspen Plus应用、案例教学的一体化教学方式,培养学生分析及解决工程问题的逻辑思维能力。多层次案例教学的总体策略是由浅入深,通过启发式、讨论式、互动式教学的综合运用,逐渐从简单的单元模块模拟过渡到复杂综合流程的模拟和优化,从单一的软件操作学习转向解决设计性和综合性问题,从知识的学习逐渐转向能力的培养,从而培养学生综合运用专业知识和计算机技术解决实际工程问题的能力[6]。

3 结语

作者以培养学生分析及解决工程实际问题的能力为目标,对课程进行综合改革。通过穿插补充专业相关知识,强化课程与其他专业课程的衔接,做到理论知识和实践应用的有效结合;通过采用多层次案例的启发式教学方法,以具体的化工生产实例为导向,逐步培养学生深入分析解决实际工程问题的能力;采用教师先进行理论讲解、然后学生学习模拟方法、最后学生再进行上机实践的“教学做”一体化教学模式,有效保证了学习的连贯性,在师生的有效互动中,学生成为学习的主体,激发了学习的主观能动性,从而全面提高了教学效果。