专业认证背景下的“化工过程分析与合成”课程教学

王艳丽 孙倩 陈博 陈丛瑾

摘 要：“化工过程分析与合成”课程是化学工程与工艺专业学生的一门专业核心课程，然而目前存在“化工过程分析与合成”课程教学内容与化工人才培养目标脱节的问题，为此，本文提出将案例式教学融入化工过程分析与合成的教学内容中，通过对实际工程案例的提出、浓缩，并融合进入课堂教学，实现教学模式的创新，提升教学的深度和广度，培养学生解决复杂工程问题的能力。

关键词：化工过程分析与合成；案例式教学；工程问题

中图分类号：G64  文献标识码：A

Abstract：Analysis and Synthesis of Chemical Process is a core course for students majoring in chemical engineering and technology.However，there is a problem that the teaching content of Chemical Process Analysis and Synthesis is out of line with the training objectives of chemical talents.Therefore，this paper proposes to integrate case teaching into the teaching content of chemical process analysis and synthesis.By proposing and concentrating practical engineering cases and integrating them into classroom teaching，the innovation of teaching mode can be realized，the depth and breadth of teaching can be improved，and the ability of students to solve complex engineering problems can be cultivated.

Keywords：Chemical process analysis and synthesis；Case teaching；Engineering problem

1 课程背景

自我国加入《华盛顿协议》以来，提高工程教育质量，助力我国成为工程教育强国成为高校教育的战略任务［12］。在工程教育认证理念的引领下，广西大学积极践行“以学生为中心”“成果导向”“持续改进”的人才培养理念［34］。我校化学工程与工艺专业也在积极筹备 2023年化学工程与工艺专业的工程教育专业认证。学院通过仔细研读工程教育专业认证通用标准，结合化工专业特点，制定了12条毕业要求，其中，“化工过程分析与合成”课程的教学目标对毕业要求1（工程知识：要求掌握数学、自然科学、工程基础和专业知识，能够运用其原理和方法解决化工及相关领域的复杂工程问题）、毕业要求3［设计/开发解决方案：要求能够设计针对化工及相关领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素］和毕业要求11（项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用）的支撑力度巨大。因而，通过“化工过程分析与合成”课程的学习，培养学生解决复杂工程问题的能力是实现化工人才培养目标的关键［56］。

因此，通过对本专业人才培养目标的梳理和基于产出导向（OBE）的工程能力毕业要求［7］，本课程的教学目标为：课程目标1：掌握化工过程分析和合成的基本概念和基本内容，基本了解化工过程系统模拟与分析的基本原理和方法；课程目标2：能运用数学、自然科学和工程科学的基本原理对给定的化工过程系统进行结构优化设计；课程目标3：能够在化工系统设计过程中，综合考虑投资和收益之间的权衡，设计具有全局最优的流程方案。培养学生作为化工人的责任与使命，将工程师价值观寓于实践之中。上述目标分别对应了毕业能力要求中工程知识、设计/开发解决方案和项目管理能力。“化工过程分析与合成”课程通过利用系统工程的知识，首先对化工过程系统稳态和动态模拟进行介绍，在此基础上再对大化工系统进行有效的分析，并利用工程优化的知识，对化工大系统进行全局的调优和评价。本课程通过对化工过程系统中换热网络的合成及分离塔序列综合分析，使学生掌握过程系统中结构优化的具体细节［8］，最终培养学生从技术经济的各个方面研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力［911］。

2 常规教学方法

2.1 课程主要内容及学时安排

“化工过程分析与合成”课程于2020年首次在广西大学化学化工学院化学工程与工艺专业开设，是化学工程与工艺专业学生的一门专业核心课程。目前阶段，本课程主要是以课堂讲授（含讲课、习题课）为主，课程主要参考张卫东等编著的教材［12］。结合教材，本课程讲授的内容主要涵盖化工过程系统的稳态模拟和动态模拟、化工过程系统的优化（主要包含化工过程系统的参数优化）、换热网络合成及分离塔序列综合（属于化工过程系统的结构优化），具体学时安排如下：

2.2 常规教学方法及其问题

该课程目前的教学中基本遵循着传统的教学模式，上课基本上都是教师基于选用的教材，并以教授知识为主。这种教学模式虽然条理性强，却不能很好地调动学生的积极性。通过近几年的课程教学，发现了目前所用教学方法的诸多问题，课堂教学全程由教师讲述会使学生失去主动学习的兴趣，尤其是针对化工过程系统优化章节，单纯地讲解线性规划问题求解和非线性规划问题求解会使课堂教学非常枯燥，课程若完全以课本为主，会使学生丧失课外探索的激情。此外，教师上课所讲的内容基本上全部是教材上的内容，而且所有知识通过课堂传授为主，没有引导学生利用本课程所学知识进行一些复杂工程问题的分析研究，导致学生在踏入实际工作岗位时，不知道如何利用课本上所学的知识，即很难学以致用［1315］。此外，课本上有些内容也是需要与时俱进进行更新，如不通过实际案例讲解清楚，会导致学生在实际工程应用时产生困惑。例如，采用分离度系数有序探试法进行分离序列综合的过程中，关于经验规则的使用就需要很多的实际工程经验，单纯地按照课本上的内容讲是很难让学生体会到经验规则的灵活应用，尤其是针对“经验规则M1优先采用使用能量分离剂的方法”，在使用这个规则时需要提醒学生，这个规则是20世纪七八十年代制定的，当时面临着能源危机，但当时能源的价格还是相对便宜的。在此后的几十年中，随着技术的不断进步，以及我们面临着苛刻的环境和能源的压力造成能源价格急剧上涨，所以这种过程中是否仍然要选用优先选用能量分离剂的方法这一规则，还需要学生进行思考分析，并在实际工作中根据实际需要选择。毕竟关于分离方法近年来也发生了翻天覆地的变化。近二三十年来出现了很多新技术，比如膜分离技术的广泛应用，很多高效的、低能耗的新技术在很多领域展现了新的生命力，取代了常规精馏。

随着学院工程教育专业认证工作的进行，常规的教学模式已不适应创新人才的培养，严重阻碍了培养学生实际解决复杂工程问题的能力。因此，“化工过程分析与合成”课程的教学改革势在必行［1618］。

3 新模式教学方法探索

基于本课程对工程实践能力培养的要求，为了缩短课堂教学与实际生产之间的差距，我们通过引入工程案例［19］，培养学生解决实际问题的能力。在介绍过程系统稳态模拟的序贯模块法和面向方程法时，我们通过进入发酵液分离案例，从单个蒸发单元操作到多级闪蒸过程，再到过程单元的设计和优化问题，逐步深入。首先对单个的蒸发单元操作进行分析，建立MESH模型方程，使学生明白面向方程法就是通过对过程系统分析建立模型方程，而序贯模块法是针对过程单元建立带有算法的小程序，使学生对两种方法产生一个感性的认知，再通过多级闪蒸过程和设计优化问题分析，使学生直观地感受到序贯模块法和面向方程法的区别，随后引导学生自己分析序贯模块法和面向方程法的基本原理和特点，并让学生从例子中自己总结两种方法的优缺点，进而激发学生的学习兴趣。在换热网络合成的教学中，我们从老厂改造的实际工程案例出发，首先讲解如何从实际案例中提取数据和物流信息，再利用夹点法设计能量最优的换热网络，随后利用勾销推断法确定夹点热负荷，结合能量松弛法进行换热网络的结构优化，再到技术经济分析，让学生从实际工程案例中学习问题表法、夹点法及换热网络调优等基础知识，这样可以理解得更加深刻。

此外，我们还通过时刻关注行业动态，并将科技前沿成果引入课堂，提升同学们的学习激情。在讲完序贯模块法的基本原理和特点之后，又以克拉美丽气田天然气乙烷回收工艺为例［20］，讲解了基于序贯模块法建立的天然气乙烷回收系统模型及其求解，让学生了解所学的稳态模拟技术在实际工程中的应用情况。课本上关于夹点温度的高低对换热系统的影响没有做过多的介绍，只是简单介绍了夹点的能量特性、位置特性和传热特性，我们进一步通过实际工程案例中量化的参数值让学生看到夹点温度的高低对系统热经济性的影响：换热器夹点温度是影响液化天然气冷能有机朗肯循环发电系统效率和投资的重要参数，根据文献报道的最新科研成果显示［21］，针对大连（平均海水温度13℃）、上海（平均海水温度17℃）、温州（平均海水温度20℃）和三亚（平均海水温度27℃）四种工况下，冷凝器和蒸发器的夹点温度选择，发现蒸发器夹点温度降低1℃可以使系统净发电功率增加736～86.6kW（1.6%～2.5%），由此让同学们深入理解夹点温度对系统热经济性的作用，进而明白在实际的工程项目设计时，应该利用充分的技术经济分析来确定夹点的温度。

由于化工技术的进步［22］，课本有些知识点需要更新，因此我们在讲授课本知识的同时，也会根据行业动态丰富课堂内容。例如，在分离序列综合章节，我们会首先按照课本内容讲解根据经验规则如何选择分离方法，但同时也会拓展讲解近几十年来新型的分离技术，指出这些高效的低能耗的新技术在实际工作中也可以根据工作需要进行选择。在进行化工过程系统的动态特性分析时，通过煤开采过程中甲烷的回收新技术来进行讲解，学生都对煤矿爆炸有所耳闻，这主要是由于煤开采的过程有大量的煤成气（甲烷），甲烷的浓度稍微高一点就会爆炸。在传统的开采煤过程中都是通过清洁的空气鼓进去，然后把甲烷气带出来，及时降低浓度，从而保证采煤过程的安全。但是这种做法一方面会造成温室效应，另一方面也带来了资源的浪费。随着技术的发展，人们可以利用人为非定常态操作对低浓度甲烷进行充分回收利用，通过过程的具体讲解使学生对人为非定常态操作有更深的认识。

4 结论与展望

课程本着“以学生为中心”的思想，通过案例式教学引导学生与教师共同从研究工程实际问题的角度进行探讨、互动，激发学生的学习热情，培养学生运用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力，进而达到本课程的教学目的。

然而教学改革不是一朝一夕就能完成的事情，随着化工过程分析与合成理论与应用研究也在一直进步，需要持续不断地对教学内容和工程案例进行更新，与时俱进。

参考文献：

［1］黎小辉，牛梦龙，丁亮，等.专业认证背景下化工过程分析与合成课程针对复杂工程问题的教学设计、构建及实施［J］.化工高等教育，2019（4）：4852.

［2］郭宁，蒋晓杰，李天铎.工程教育认证背景下化工人才的培养优化研究［J］.热固性树脂，2023，38（03）：10.

［3］辛忠.新时代新理念新任务，卓越化工人才培养模式探索的新进展［J］.化工高等教育，2023，40（01）：1.

［4］巨晓洁，夏有强，李德富，等.新工科背景下基于OBE理念的化工复合型人才培养体系的构建与实［J］.化工高等教育，2021，38（04）：2730.

［5］张磊，都健，王瑶，等.化工过程分析与合成国家级一流本科课程建设与应用［J］.化工高等教育，2022，39（02）：95100.

［6］邓人杰，兰东辉，邓继勇.“卓越计划2.0”背景下“化工过程分析与合成”课程教学设计探讨［J］.广东化工，2020，47（21）：158+169.

［7］张恒，王婷婷，丁养军.以工程实践能力培养为目标的化工过程分析与合成教学改革实践［J］.化工高等教育，2017，34（04）：7780.

［8］杜玉朋，田晖，赵玉潮，等.《化工过程分析与合成》教学内容改革与实践［J］.山东化工，2020，49（18）：168169+171.

［9］吴晓琴，雷杨，郭立，等.化工过程分析与合成课程教学模式改革与实践［J］.化工高等教育，2020（5）：7580.

［10］付华，张爱华，马磊，等.新工科背景下化工过程分析与合成教学心得［J］.广州化工，2020，48（18）：138140.

［11］廖祖维，王靖岱，阳永荣.化工过程分析与合成课程教学改革探索与实践［J］.化工高等教育，2019（6）：3235.

［12］张卫东.化工过程分析与合成（第2版）［M］.北京：化学化工出版社，2011.

［13］晋梅，邹琳玲，吴宇琼，等.基于问题链设计的“化工过程分析与合成”教学探索与实践［J］.安徽化工，2022，48（04）：101103+107.

［14］高晓新.工科背景下化工过程分析与合成课程教学改革——评《化学过程工艺学》（第2版）［J］.中国科技论文，2021，16（05）：582.

［15］翟持，李斌，贾愚，等.《化工过程分析与合成》翻转课堂教学探索［J］.云南化工，2021，48（03）：173176.

［16］方利国.《化工过程分析与合成》课程教学模式改革实践研究［J］.广州化工，2012，38（7）：280282.

［17］张巧飞，高建飞，党丹，等.化工过程分析与合成课程线上教学模式与实践［J］.广州化工，2021，49（12）：193195.

［18］林健.如何理解和解决复杂工程问题［J］.高等工程教育研究，2016（5）：1727.

［19］梁志武，黄杨强，高红霞.反应动力学案例在化工过程分析与合成课程教学中的应用研究［J］.化工高等教育，2020，37（04）：5963.

［20］陈晓明，李虎，陶玉林，等.基于序贯模块法的天然气乙烷回收工艺参数优化［J］.天然气化工—C1化学与化工，2022，47（1）：122129.

［21］宋肖的.夹点温度对LNG冷能ORC发电系统热经济性的影响［J］.天然气化工—C1化学与化工，2022，47（6）：142148.

［22］殷霞，杜治平，丁一刚，等.“化工过程分析与合成”课程教学模式改革探讨［J］.实验技术与管理，2020，38（10）：162166.

资助项目：广西大学2023年优质课程倍增计划项目；2024年广西大学校级本科教学改革工程项目；广西大学2023年优质课程倍增计划项目的资助（YZKC2023047）

作者简介：王艳丽（1989— ），女，山东聊城人，广西大学化学化工学院副教授，从事化工过程的分析与合成的教学工作。