基于OBE的《化工軟件及應用》課程教學探索

龍厚昂，劉 惠，洪學壯，李 偉，邰月華，張 淼

(煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005)

進入新世紀以來，隨著和石化產業迅速發展中國經濟水平快速的發展與不斷提高，石化產業已成為國家經濟實力快速提升與發展的支柱產業，同過去相比，化工行業正在發生一系列的改變[1]。隨著計算機軟件技術的飛速發展，計算機技術逐漸向各學科滲透，化工行業的飛速發展，已經越來越不開計算機技術。因此，大學教育需要將計算機技術引入到日常教學中。為全面貫徹黨的十九大精神，作為服務地方經濟發展的煙臺大學，應密切聯系本地區的行業人才需求，做好服務地方產業，培養優秀人才的工作[1]。化學工作者除了具有化學、化工專業知識外，還應該掌握與本專業相關的計算機應用技術[2]。因此我院開設了《化工軟件及應用》專業課，意在培養化工專業學生利用化工軟件解決實際問題。

1 課程現狀

化工軟件及應用旨在培養學生將計算機知識應用于分析/解決復雜化學工程問題的能力，借助專業模擬軟件從分子層次、設備層次以及工藝流程層次深入認識和理解化工反應過程。通過掌握這些化工模擬與仿真技術，為將來的新型反應過程開發、化工設備設計以及工藝流程優化奠定基礎。本課程主要介紹化工過程模包括單元設備級別和全工藝流程級別。主要以講授Aspen Plus軟件為例，全面介紹如何利用軟件，在計算機上重現化工現場，從而實現化工生產中涉及到的分子性能預測、設備流場的模擬、工藝設計優化等過程的模擬與仿真。

化工軟件及應用課程針對化學工程與工藝專業開設專業課，課時為64學時，其中32學時為講述理論學時，主要講授軟件的具體應用和操作方法，32學時為學生上機學時，主要為學生自己上機學習使用軟件及用軟件解決復雜的化工問題。

OBE理念(Outcome-based Education)又稱“成果導向教育”理念，是以“學生為中心”的教育理念，高等工程類專業要求學生具備良好的創新實踐能力[3]。以OBE理念為導向，學生不僅要掌握必要的專業理論知識，同時培養學生們的創新能力和解決實際問題的綜合素質。我院將工程教育專業認證與OBE教育理念相結合，將OBE理念轉化為課程教學內容和、學生通過學習后所能達到的畢業要求，如表1所示。

表1 基于OBE理念的“化工軟件及應用”課程內容和要求

對照工程教育專業認證和OBE教學理念，傳統的授課方式已經很難滿足學生的畢業要求。傳統的授課方式主要是老師在課堂上講授ASPEN軟件的理論知識和操作步驟，學生在課堂上記筆記，大部分的課堂時間，學生都在記筆記，學生很難參與到教學中來，老師也很難和學生進行互動。老師講的抽象，學生們聽的模糊。在這種教學方式下，原本抽象且理論性較強的化工課程就更加讓學生難以接受，更不要提及取得良好的教學效果了[4]。理論課時和上機課時各為32學時，學生先上理論課學習ASPEN軟件的操作步驟，然后在上實踐課學習操作ASPEN軟件。理論課與上機課分別獨立進行，這樣這就會造成課程的分割，理論課和上機課很難很好的銜接。學生們在理論課學習之后，本身對于有些課上老師講解的重難點理解較差，在經過幾天上實踐課，對于老師講解的重難點，學生們很多時候都已經淡忘，或者對于老師講解的內容已經模糊或者記不清楚想不起來了。上機操作之前就忘記了理論課學習的知識點，理論課與上機課嚴重的脫節，導致學生們無法深刻理解所學的知識，理論和實踐不能有效的銜接，無法為學生建立立體感的思維，學生難以理解課堂教學中的重難點，很難提升是學生的學習效果和熱情[4]。基于OBE理念，化工軟件及應用課程勢必要進行一次改革。

2 課程改革探索

2.1 案例教學

選取能完美體現教學內容的案例，體現ASPEN軟件的強大優勢和靈活性。例如，學生在學習化工軟件及應用這門課之前，都要做化工原理課程設計，在進行化工原理課程設計中學生們要通過計算安托因方程 lgP0= A-B/(t + C)得出分離物質的飽和蒸汽壓，再由泡點方程和露點方程可得出 X 和 Y，最后通過平衡方程的計算可得出相對揮發度 a。在通過逐板計算法計算精餾塔的理論塔板數以及精餾段和提餾段[5]。逐板計算法計算量大，而且數據處理復雜。而在ASPEN軟件中只需要選中DSTWU模塊，建立相應的流程，輸入分離物質的輕重關鍵組分即可。模擬運行就可以計算出最小理論板數及進料位置，如圖1所示。同學在利用ASPEN軟件計算時，可以大大簡化同學們的工作量，體現出ASPEN軟件的強大與方便。

圖1 ASPEN軟件DSTWU模塊計算出最小理論板

ASPEN軟件盡管功能強大，方便靈活。但是再利用ASPEN軟件進行計算時，同學們并不知道計算過程，只是簡單的進行參數的輸入，這也讓同學的直觀感受度大大降低。在以化工原理課程設計為例講解ASPEN軟件時，應該結合逐板計算法和軟件操作一起給同學講解精餾的簡捷計算，使同學們一目了然，印象更加深刻。將計算理論計算過程與計算軟件操作一起運用，加深同學們的直觀理解。同時也可以對比兩種計算方法的誤差，找出誤差原因。

2.2 改進教學方法

傳統的授課方式主要是老師在課堂上講授ASPEN軟件的理論知識和操作步驟，在上機課具體操作ASPEN軟件。這種教學方法導致理論和上機課嚴重脫節，學生們無法深刻理解所學的知識。這種傳統的教學方式已經無法滿足OBE教育理念下學生發展的需求，更不利于學生獨立思考問題和獨立動手解決問題能力的培養與提高。因此，老師要充分發揮學生的主體性，提高學生學習的積極性。為了能讓學生參與到課堂上來，同時與老師形成良好的互動關系。老師提前把下一節課知識的重點和難點告訴同學，同學可以自己分組，課下同學自己查閱相關資料和預習重難點，讓學生們帶著問題來聽課。在課堂上，首先讓學生們先講解自己課下所查閱的資料，講解預習的重點難點。學生是主講，教師是旁聽。在學生講課老師聽課的過程中，老師通過學生對重難點的講解情況，就能了解學生們對于知識重難點的掌握情況，老師再根據學生講課的內容，適時調整講課的內容與重難點，這樣就能對于學生講不清楚或者講不懂的知識點，更加有針對性的講解，更加有利于學生們對于知識重難點的理解，提高學生學習的熱情。這樣師生互動，老師尊重學生的主體地位，不僅能夠建立良好的師生關系，還能夠促進教師和學生互幫互助、相互學習和共同進步。

除了對課堂主客體角色的轉變，老師還要充分利用現代多媒體以及互聯網。現在很多學校都進行了慕課以及公開課。老師們要利用互聯網的資源，與同學們分享慕課以及公開課。通過觀看慕課或者公開課，提高老師的教學水平，改進教師的教課方法。同時學生們在課下觀看慕課以及公開課，可以對于課堂上的疑惑點進行鞏固提高。

2.3 ASPEN在其他課程中的應用

ASPEN軟件在化工生產中具有廣泛的應用，基于Aspen Plus 軟件的強大功能，ASPEN軟件可以應用在化工的很多專業課程中。將ASPEN軟件與化工專業課相結合可以解決很多實際問題。例如，ASPEN軟件的上機課為32學時，由于上機課時短，學生們要想掌握好ASPEN軟件的操作，具有很高的挑戰。將ASPEN軟件與化工專業課相結合，可以解決ASPEN軟件上機課時短的問題。同時，同學們學習其他專業課時，也對ASPEN軟件的操作進行了鞏固，防止了學生們學完ASPEN軟件后長時間不操作，對于知識點的遺忘，加深了同學們對于ASPEN軟件的記憶。此外，將ASPEN軟件與化工專業課相結合，還可以使化工專業課更加立體，更加生動，避免化工專業課的枯燥乏味，簡化同學們的很多繁瑣的計算過程。

ASPEN軟件可以與化工熱力學課程相結合，講授熱力學中關于物性計算方法等知識。ASPEN軟件與分離工程相結合，解決化工分離工程的一些復雜問題。ASPEN軟件與化工原理課程設計相結合，可以比較逐板計算法和軟件計算的快慢與優缺點。ASPEN軟件與化工設計大賽相結合，提高學生們學以致用的能力，獲得真正的感知感。

3 結論

隨著計算機軟件技術的飛速發展，未來的化工專業人才一定要具備良好的計算機水平和扎實的專業基礎。隨著國際工程教育和OBE 教育理念不斷推進，課程教育質量迫切需要提高。化工軟件及應用課程的改革與探索對提高化工專業人才的計算機應用能力、解決復雜工程問題的能力、培養復合型人才具有重要的意義。在教學改革過程中，將案例教學與軟件應用相結合，即講授原理又講授軟件操作，實現多樣化教學，提高學生學習興趣。通過對課堂主客體角色的轉變，加深學生們對于知識重難點的理解，提高學生學習的熱情。同學們利用課下的慕課和公開課資源，可以對課堂上的疑惑點進行鞏固提高，解決課后知識盲點。通過將ASPEN軟件與化工專業課相結合，避免化工專業課的枯燥乏味，使化工專業課更加立體，更加生動。將ASPEN軟件延伸到其他課堂，提高了同學們對于ASPEN軟件的操作能力以及解決實際問題的能力，提高學生們學以致用的能力，獲得真正的感知感。