新工科背景下化工過程分析與合成教學心得*

付 華，張愛華，馬 磊，李慧芳，郭 莉，焉海波

(青海大學化工學院，青海 西寧 810016)

2017年2月和4月，教育部分別在復旦大學和天津大學召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會和新工科建設研討會，共同探討了“新工科”的內(nèi)涵特征、建設、發(fā)展路徑及新工科建設的愿景，即“復旦共識”和“天大行動”。兩次會議指出，我國高等工程教育改革發(fā)展已經(jīng)站在新的歷史起點，為培養(yǎng)造就一批能夠引領未來技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程技術人才，需要高校工科教育體系進行相應改革，以適應技術發(fā)展內(nèi)容，更新工程人才知識體系，同時應用創(chuàng)新工程教育方式與手段，探索新工科自主發(fā)展、自我激勵機制，打造工程教育開發(fā)融合新生態(tài)，從而達到培養(yǎng)能夠適應新形勢下的工科發(fā)展的工程技術人才的目的[1-3]。

這要求工科院校或綜合性院校必須緊跟時代發(fā)展，立足當下時代及技術變革，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才，具體包括應有較健全的新技術背景下的專業(yè)知識體系、掌握相應的理論知識、對相關工程技術問題具有一定潛在解決的方法和能力，同時高校培養(yǎng)出的人才還需具備較高的人才素質(zhì)。新工科理念提出已近兩年，如何將新工科理念貫徹到每門課的教學工作中，多所高校已在進行相關課程改革和實踐探索。本文將結(jié)合課程教學實踐對如何提升新工科背景下的《化工過程分析與合成》教學效果進行探討。

1 結(jié)合新工科理念，打磨適應地方經(jīng)濟建設的本科生培養(yǎng)方式

新工科理念對高校授課目的做了規(guī)劃，指出：工科優(yōu)勢高校要對工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用；綜合性高校要對催生新技術和孕育新產(chǎn)業(yè)發(fā)揮引領作用；地方高校要對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮支撐作用。作為青海省唯一一所“211”工程大學、唯一一所集理工農(nóng)醫(yī)為一體的綜合性省部共管大學，青海大學的育人理念是培養(yǎng)一批拿得起、下得去、留得住的新型應用型人才。由于化工與制藥類專業(yè)學生第六學期末去工廠進行為期一個月的專業(yè)實習，因此可通過專業(yè)實習具備一定的實際生產(chǎn)認知，而本課程開設在第七學期，可以利用這一實際生產(chǎn)認知與本課程相關知識結(jié)合，使學生學習印象更深刻。故授課前，教研室會進行專門的教學研討，討論本學期學生的專業(yè)實習背景如何與教學內(nèi)容相結(jié)合。教學研討中，幾位主講教師根據(jù)學生不同的實習經(jīng)歷分享授課經(jīng)驗，并探討不同的實習經(jīng)歷如何以案例形式嵌入教學內(nèi)容中，讓學生根據(jù)已有的化學生產(chǎn)過程認知對本課程內(nèi)容掌握的更加透徹，從而達到使青海省化工行業(yè)生產(chǎn)實踐與本課程更好地結(jié)合，進而使學生在青海地區(qū)化工廠就業(yè)后可迅速立足崗位的目的。

在授課過程中，針對青海大學服務青海省人才培養(yǎng)的教育基礎，立足青海本地企業(yè)特色，將天然氣制甲醇、甲醇精餾、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯生產(chǎn)等青海省政府大力扶持和發(fā)展的工況運用于授課實例中，幫助學生在工作之后能盡快理論和實際相配合。通過教師之間相互溝通，取長補短，有的放矢，可以有很強針對性地對培養(yǎng)學生，從而達到培養(yǎng)學生的目的。而學生在學習過程中，通過教師不斷強化專業(yè)背景知識和實踐知識，也能夠具備一定的服務青海省經(jīng)濟發(fā)展的專業(yè)背景知識。增強解決專業(yè)問題的能力。

2 結(jié)合新工科理念，優(yōu)化課程體系，注重實踐與理論相結(jié)合

《化工過程分析與合成》是青海大學化工與制藥類專業(yè)的專業(yè)課。重點在于培養(yǎng)學生用系統(tǒng)工程觀點和方法研究化工過程的開發(fā)、設計、最優(yōu)操作和最優(yōu)控制。課程共講授三大模塊的內(nèi)容，即化工過程系統(tǒng)的模擬和分析，化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化和化工過程系統(tǒng)合成。這三大模塊是從數(shù)學和系統(tǒng)工程角度出發(fā)，講授如何對化工過程系統(tǒng)進行模擬并建立數(shù)學模型；對化工系統(tǒng)中常見的優(yōu)化問題、優(yōu)化方法和化工操作參數(shù)的優(yōu)化等提出解決方法；講授如何對化工系統(tǒng)中的換熱網(wǎng)絡、分離塔序列進行綜合合成等。因此本課程既與數(shù)學知識關系密切，又與化工過程實例密不可分。

在授課過程中，如從原理出發(fā)，則會更多地講授數(shù)學知識，學生反映內(nèi)容晦澀難懂，不易理解，也比較枯燥。因此近年來，我校對本課程的講解偏重理論與實踐結(jié)合的方式組織教學。面對新工科教育理念，青海大學化工學院為化工與制藥類專業(yè)的學生配備了化工原理課程仿真和專業(yè)課程仿真的實踐教學。學生除了在第二學期末進行認識實習、第六學期末進行專業(yè)實習外，還在第五學期初和第七學期初進行課程仿真實踐課程和專業(yè)仿真實踐課程的訓練。因此，當講授化工系統(tǒng)過程的模擬和分析時，主講教師應用仿真過程和實習期間學生已經(jīng)熟練掌握的絕熱閃蒸、等溫閃蒸、精餾過程為例，幫助學生建立化工系統(tǒng)的概念，并在這些化工過程的工工藝流程圖的基礎上建立數(shù)學模型，再進行過程系統(tǒng)的模擬。這樣一來，學生對模擬和分析的概念既能產(chǎn)生興趣又能理解掌握，并深入腦海。達到較好的學習效果。

3 提高主講教師的工程技術背景

《化工過程分析與合成》課程既然與實際生產(chǎn)聯(lián)系緊密，而新工科背景又要求學生具有較完備的專業(yè)知識體系和應用相關專業(yè)知識解決實際問題的潛在能力，因此，有意識地培養(yǎng)學生綜合知識的運用就成了重中之重。而近年來入校主講教師雖然均擁有博士及以上學歷，然而碩士及博士的教育很大程度在實驗室完成。因此造成教師與企業(yè)生產(chǎn)及行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀有所脫節(jié)、教師實際生產(chǎn)過程工程背景不強，從而導致對本科生的教育很多時候是紙上談兵，且達不到新工科理念要求。

為此，青海大學提出了教師入企業(yè)參加工程實踐，提高主講教師的工程實踐背景的實踐活動，提倡教師多參加高校與企業(yè)對接會議及相關活動，了解企業(yè)當前發(fā)展現(xiàn)狀及行業(yè)發(fā)展趨勢等。通過工程實踐，教師深入企業(yè)生產(chǎn)一線，了解一線工人及工程師對實際生產(chǎn)工況的操作及存在的問題，對企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀有了較全面的認知，因此可以將生產(chǎn)實際和存在的問題引入《化工過程分析與合成》課程中去，引導學生進行從實際問題入手，進行生產(chǎn)工藝模擬、參數(shù)優(yōu)化以及合成某工段或工序的換熱網(wǎng)絡等生產(chǎn)實際問題。從而大大增強學生對實際生產(chǎn)的認識和解決實際生產(chǎn)問題的能力。此外，通過教師與企業(yè)對接，使教師了解行業(yè)目前生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，則可以讓教師在實際授課中有的放矢，對于目前和未來發(fā)展需要的重點知識做詳細說明，而行業(yè)目前已經(jīng)淘汰的或應用較少的理念，可以略講或不講，如此一來可以使教師在有限時間內(nèi)盡可能傳授給學生更多更有用的知識，學生與企業(yè)和行業(yè)實際接軌，也會提高學生學習的興趣。

4 注重計算機模擬軟件與課程實際聯(lián)系，強化學生綜合能力

新工科理念主張以學生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段。整合內(nèi)外資源創(chuàng)造條件，打造工程教育開放融合新生態(tài)。而《化工過程分析與合成》要求在學習該課程后，學生應具備運用系統(tǒng)工程知識和方法對化工過程分析、優(yōu)化及綜合的能力，并在此過程中，對某個化工過程在設計、操作及能源使用等方面上達到最優(yōu)化。針對《化工過程分析與合成》這門課程與生產(chǎn)實際聯(lián)系密切，然而在講授時數(shù)學知識多、理論知識枯燥難以理解、生產(chǎn)實踐課時不足等特點，在學生生產(chǎn)實習、仿真實訓的基礎上，給學生布置工藝過程模擬及優(yōu)化大作業(yè)。該大作業(yè)應用在許多化工企業(yè)和國外高校本科生教學中的應用已非常普遍的通用型化工流程模擬軟件，如Aspen Plus、PRO/II等操作軟件，結(jié)合學生生產(chǎn)實習中學習的實際化工過程，通過在計算機上實現(xiàn)對具體生產(chǎn)過程的分析與合成，讓學生進一步以所學理論知識對實際問題進行流程模擬、分析以及優(yōu)化、合成。

目前本科生對電腦操作普遍比較熟練，也對軟件模擬感興趣，因此，這種利用計算機軟件和實際生產(chǎn)背景知識相結(jié)合的手段對課程內(nèi)容進行進一步的訓練，讓學生的學習興趣普遍比較濃厚，從而達到以學生志趣改變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段的目的。

布置大作業(yè)時，既注重生產(chǎn)實際與專業(yè)背景知識的結(jié)合，又注重學生團隊協(xié)作與創(chuàng)新理念的融合。以2019年秋季學期為例，根據(jù)學生學習程度，教研室布置大作業(yè)的方向為天然氣制甲醇精餾過程模擬與分析、甲醇提純過程模擬與分析、CH2CI2溶劑的絕熱閃蒸過程部分優(yōu)化、簡捷法設計精餾塔的ASPEN模擬、乙炔氣相法合成醋酸乙烯、醋酸乙烯精餾工段模擬與優(yōu)化等。大作業(yè)的具體操作方法是根據(jù)班級人數(shù)，讓學生4～5人組成一組，每個小組再以實習期間或做課程設計期間用到的工藝為基礎，通過查找文獻資料、工藝流程確定、過程軟件模擬與優(yōu)化、后期作業(yè)word文檔的編輯及ppt制作及講解等過程對學生的綜合能力進行訓練。在此過程中，每個學生在小組中均有不同分工，讓學生通過大作業(yè)將工廠實踐與理論結(jié)合起來，可激發(fā)學生的學習興趣，使學生對本課程的學習印象更為深刻，且在該作業(yè)過程中，增強學生團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新實踐能力和工程實踐能力，從而達到新工科理念主張的創(chuàng)新工程教育方式和工程教育開放融合新生態(tài)[4-5]。

在ppt講解的課堂討論環(huán)節(jié)，按大作業(yè)總體完成質(zhì)量；文獻資料的查找及應用；word文檔語言邏輯及編寫質(zhì)量；PPT制作質(zhì)量：報告講解；團隊協(xié)作情況等，由教師和班級其他小組同學打分，并將所得分數(shù)計入平時成績。這樣一方面可以通過強化過程考核，讓學生對大作業(yè)重視起來，并努力協(xié)作完成工作任務；另一方面，通過對其他小組的打分及評價可以及時認識到自身還需要提高的地方，做到取長補短，并及時消化沒有掌握好的知識。

由上例可知，大作業(yè)可以讓學生將所學的系統(tǒng)工程思想、化工過程模擬、序貫模塊法、參數(shù)優(yōu)化、換熱網(wǎng)絡合成等本課程所學內(nèi)容得到訓練，同時又能理論聯(lián)系實際，并將創(chuàng)新思想融入其中。在此過程中，學生可以再次鞏固所學知識，鍛煉團隊協(xié)作能力，提升PPT制作能力，以及匯報人的邏輯思維等，既可以達到課程綜合訓練目的，又能提升學生的學習興趣。

此外，主講教師還進行了課改，利用雨課堂進行授課和實時測試，讓學生充分理解學習的重點和難點，并盡量在課堂消化。通過知識點強化，學生在學期末的考試中及格率得到了提高。

5 結(jié) 語

根據(jù)化工過程分析與合成課程要求及新工科人才培養(yǎng)要求，以學生為中心，以教學目標為導向，以學生現(xiàn)有的知識水平為基礎，結(jié)合專業(yè)實習及仿真實訓，以滿足新工科背景下的課堂教學質(zhì)量為目的，在教學全過程中注重適應地方經(jīng)濟發(fā)展，建立了實踐與理論密切聯(lián)系的課程體系，以及注重過程考核和學生參與度的課堂教學體系。通過課程建設，提高了教師的工科背景，增強了學生參與度，提高了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的理論與實踐相結(jié)合解決實際問題的能力和創(chuàng)新性思維，為學生將來順利進入工作崗位打下了基礎。