《化工系統工程》課程教學改革探索與實踐

鄧 春，王彧斐

(中國石油大學 化學工程與環境學院 重質油國家重點實驗室，北京 102249)

化工系統工程是將系統工程的理論和方法應用于化工過程領域的一門新興的交叉學科，是化學工程的一個分支[1]。郭慕孫教授指出化學工程目前覆蓋了所有物質的物理和化學加工工藝，可稱為過程工程[2]。因此，化工系統工程也稱為過程系統工程或化工過程系統工程。成思危教授和楊友麒教授給出如下定義，過程系統工程是一門綜合性的交叉學科(如圖1所示)，它以處理物料流-能量流-信息流的過程系統為研究對象(如圖2所示)，其核心功能是過程系統的組織、計劃、協調、設計、控制和管理，其目的是達到技術經濟上的最優化，并符合安全環保等可持續發展的要求[3]。目前，過程系統工程的理論和技術已經廣泛應用于石油化工，冶金，制藥、食品、造紙等過程工業中，例如，流程模擬，換熱網絡優化設計/改造，煉油生產計劃與調度優化，過程控制和參數優化等，對于提高資源和能源的利用效率方面起到積極有效的作用。

圖1 化工系統工程與其他學科的關系示意圖

圖2 化工系統工程的研究對象

《化工系統工程》是化工類及相關專業一門重要的專業基礎課程[1]。我校針對化工類的本科生開設《化工系統工程》課程，屬于專業選修課程，學時為48學時(2017年秋調整為40學時)，安排在本科學年第四學年的第一學期(大四上學期)，大四的學生已經完成高等數學，線性代數，化工原理，化工熱力學，化學反應工程，化工應用軟件，化工設計概論、石油加工工藝、有機化工工藝等課程的學習，為化工系統工程的學習儲備了一定的基礎知識。《化工系統工程》是從事化工過程設計、改造和優化工作必不可少的基礎課程之一。總目標是采用新的知識結構模式進行理論授課和實訓教學，使學生能夠綜合運用化工熱力學、化學反應工程、化工原理或化工單元操作、系統工程、最優化方法、工程數學和計算機編程等方面的知識，進行主要化工過程單元和系統的模擬與分析、化工過程系統的綜合與集成、化工過程操作參數與系統結構的優化，以實現化工過程技術上和經濟上的最優化，并達到可持續發展的要求，從而培養學生分析問題和解決問題的能力，達到學以致用的目的。該課程的主要任務是使化工類的本科生學會利用化工系統工程的思想和方法來解決本專業中碰到的單純用化工專業知識難以解決的問題[4]。筆者借鑒其他教師的教學經驗和自身的教學工作經驗，從教學內容、方法和考核方式等方面逐步探索和實施改革，取得了較為明顯的效果。

1 化工系統工程課程教學改革探索與實踐

針對以往教學過程中存在的問題，結合專業和學生的具體培養目標，深入剖析以往教學過程中學生的反饋意見，筆者采取了如下改革措施，并在實踐中不斷完善和改進。

1.1 精選核心教學內容

化工系統工程的內容相當寬泛，涉及單元過程建模和模擬，系統分解，過程系統的建模與模擬，最優化理論，過程系統綜合與集成等內容。化工單元過程涉及大量數學公式的推導以及計算機程序框圖，化工過程優化理論包含數學優化，求解算法等基本理論，這些內容對學生的數學基礎知識和計算機編程能力要求較高，容易讓學生望而生畏，缺乏學習的積極性，從而導致課堂教學氣氛沉悶，教學效果欠佳。借鑒其他高校教師的教學經驗，筆者認真梳理了教學內容，分為三大部分，如表1所示，包括過程系統模擬部分(單元過程和系統的建模與模擬)，過程系統綜合與集成部分(換熱網絡綜合，能量集成等)和過程系統優化部分(線性規劃，非線性規劃，整數規劃等理論和經典算法)。

表1 化工系統工程課程主要教學內容

筆者在單元過程和系統建模與模擬的教學過程中，主要借助于過程模擬軟件Aspen Plus進行教學演示，同時要求學生親自上機演示，并學會使用幫助文件，理解各模塊的結構，原理，以及適用范圍等。國內的教材中有關過程模擬的內容，以大量篇幅介紹過程單元/系統的數學模型，系統分解的理論，卻鮮有介紹與常用的過程模擬軟件(例如Aspen Plus，Hysys)之間的聯系。這兩部分的教學內容具有很強的關聯性，過程模擬軟件的開發正是基于過程單元/系統的數學模型，以及系統分解的理論。如果不注重兩者之間的聯系，又因為過程單元/系統的數學模型和系統分解的理論枯燥，學生容易忽略其重要性，無法激起學生的學習興趣。我們選擇典型的過程單元/系統(例如混合過程)，分別建立數學模型和Aspen模擬模型，注重數學模型和Aspen Plus模擬模型之間的關聯性。我們講解最基礎的系統分解的理論(例如：單元串搜索法和回路矩陣法)，并針對典型的過程系統進行應用，進一步結合Aspen Plus模擬軟件進行教學演示(例如共沸精餾分離乙醇和水，苯乙烯合成工藝流程)，強調系統分解的理論的重要性。筆者還安排8個學時的上機時間，讓學生利用Aspen完成安排的任務，主要包括：基于實驗數據，需用熱力學模型，回歸熱力學參數，泡露點計算，甲烷水蒸汽重整制氫，變壓精餾等案例。

過程系統優化是最優化方法和理論在化工過程系統中的應用。最優化方法和理論相關的知識非常豐富，大部分學生都未選修最優化方面的課程，難以接受最優化算法理論方面的知識。為了激發學生的學習興趣，筆者盡量減少最優化算法方面知識的介紹，重點講解線性規劃以及圖解法，重點簡介了煉油廠生產計劃優化的案例。筆者學習和借鑒了國內外過程系統工程研究領域著名學者的課件，重新整理和過程系統優化的課件，主要分成4個部分：基本概念，線性規劃，非線性規劃和整數規劃，并簡要介紹了GAMS優化建模軟件的使用方法，推薦了典型規劃問題的求解算法和求解器。筆者還安排2個學時的上機時間，讓學生用GAMS編制簡單的線性規劃模型，例如運輸模型等。

過程系統綜合與集成涉及的內容非常廣泛。在教學改革之前，筆者重點講解了換熱網絡綜合，分離序列綜合，過程系統能量集成和質量集成，講解了部分公用工程系統綜合方面的內容。然而，這些內容的知識點過于松散，學生可能只能理解部分內容，缺乏對這些內容之間的關聯性的理解和思考。筆者與國內系統工程領域專家馮霄教授交流，重新優化了教學內容，主要包括換熱網絡綜合、蒸汽動力系統優化綜合、分離系統優化綜合。優化后的教學內容，強化了知識點之間的聯系，有助于學生對知識的理解和掌握。筆者還安排2個學時的上機時間，讓學生學會利用Aspen Energy Analyzer進行換熱網絡分析與設計，包括流股數據輸入，繪制冷熱復合曲線和總復合曲線，進行換熱網絡設計，涉及流股分支和消除熱負荷回路等等。

1.2 采用理論教學與案例分析相結合的教學方法

筆者常采用理論教學與案例分析相結合的教學方法。例如，整數規劃部分內容的講解，傳統的教學模式在于先講解整數規劃模型的特點，然后再講解求解的算法(如分支定界法等)。筆者首先給出一個簡單的煉油生產計劃問題，讓大家假想作為管理者，如何確定最優的生產計劃方案。然后逐步引導大家建立數學模型，并與書本上整數規劃的規范形式進行對比。先不急于講解求解整數規劃模型的求解方法，而是將這個簡單的模型寫入LINGO優化軟件中，直接調用LINGO軟件內置的分支定界算法進行求解，進而引導學生學習分支定界算法求解整數規劃問題。筆者通過簡化的工業生產實際問題給學生講授優化的思想，抽象的數學算法也不再深奧和神秘，激發了學生的學習激情和動力，取得了很好的教學效果。

1.3 采用分組學習和研討的教學模式

充分利用小班教學的優勢，筆者將全班學生分成小組，平均每組5～6人，同時兼顧保研和考研的學生比例。每組需要完成兩份過程系統模擬，兩份過程系統綜合與集成，一份過程系統優化大作業。其中，過程系統模擬的內容要求學生在講臺或者機房現場講解流程和模擬要點，其他小組的學生和筆者負責提問。值得一提的是，筆者還將這部分的課堂內容進行視頻錄像，作為后續觀摩和改進的影像資料備份留存。另外，筆者還專門邀請本課題組在讀的碩士研究生，曾經全國化工設計大賽一等獎獲得者，結合自己所做的課題，講解如何使用Aspen Energy Analyzer進行苯乙烯裝置的換熱網絡優化改造。此外，本課題組邀請過程系統工程研究領域的國際專家Jiri Klemes教授，陳誠亮教授，尤峰崎教授，SantanuBandyopadhyay教授，Denny Kok Sum Ng教授，Dominic Chwan Yee Foo教授, José María Ponce-Ortega教授，張楠博士，李瑞元博士等來我校交流并做講座。筆者也邀請本科生聆聽講座，部分學生也能夠積極參與，學生表示這些講座開闊了他們的視野，同時也進一步激發了他們的學習興趣。

1.4 改革傳統的考核方式

傳統的考核方式往往通過期末試卷考試來評定學生對課程掌握情況。然而，《化工系統工程》是一門實踐性較強的課程，難以通過試卷對學生進行充分的考量。筆者把學生的試卷

分數在總評成績中的比例降至60%～70%，另外30%～40%的成績由大作業、課堂討論來組成。在分組學習和討論的基礎上，筆者為了鍛煉學生撰寫科技論文的能力，要求每人完成1篇小論文，參考《化工學報》《石油學報(石油加工)》等代表性中文期刊論文進行寫作，包括中英文摘要，關鍵詞，正文和參考文獻。筆者還針對不同類別的論文擬定了建議的論文撰寫框架和評分標準。學生補交要提交小論文的文檔，還要求提交源文件(例如Aspen模擬文件，GAMS或者Matlab源程序和Aspen Energy Analyzer模擬文件等)。近3年的教學實踐結果顯示，約20%的學生完成質量很高，其中1名學生的小論文已發表在中文核心期刊上；約70%的學生能夠按照要求完成任務，但是問題分析不夠透徹；約10%的學生完成質量較差，論文撰寫能力欠缺，甚至部分學生抄襲論文，筆者記為零分。

2 結論和展望

筆者從四大方面對《化工系統工程》課程教學內容進行改革探索和實踐，包括精選核心教學內容，采用理論教學與案例分析相結合的教學方法，采用分組學習和研討的教學模式，改革傳統的考核方式等。學生評教和同行教學專家聽課評議結果較好，表明筆者的改革和實踐起到了較好的改革效果，提升了該課程的教學質量。