工程教育專業認證背景下提高化工產業人才工程設計與應用能力的教學實踐

毛 磊 雷 楊 范寶安 俞丹青 梁文懂 顏家保

(武漢科技大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430081)

中國工程教育專業認證協會在工程教育本科層次人才培養的通用標準中，對學生畢業時應該掌握的知識和能力提出了12條要求，其中第3 條要求“設計/開發解決方案”具體內容為：能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統、單元(部件)或工藝流程，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素。專業認證對工程能力提出更高的要求，工程設計能力是衡量一名工程師是否合格的重要標志。在工程設計中對“現代工程工具和信息技術工具”的熟練運用，也是專業認證通用標準第5條要求“使用現代工具”的主要內容。

化工專業開設的化工原理、化學反應工程等專業核心課程和課程設計、畢業設計等各種實踐環節，對培養工程設計能力起到了重要作用，但實際教學過程中對于工程設計能力的培養還存在理論與實際結合不足，教學手段需要升級等問題。學生對許多設備的內部結構和工作原理只有表觀認知，部分設計計算不會利用軟件包而局限于手算，缺少工程設計和實踐的經歷，因此理論與實踐相互融合的脫節、學生工程素質欠缺、使用現代工具的能力不足等問題日益凸顯。

針對這些問題，各高校提出了自己的改革措施。三峽大學根據地域優勢面向行業辦學，提出 “工程設計”為核心的工程教育培養模式[1]，為地方經濟服務。內蒙古工業大學基于成果導向教育理念對課程設計教學體系進行系統化層次劃分，提出多維度學習的模式[2]。合肥工業大學[3]系統地優化了教學體系，實施以工程設計向實踐能力遞進為核心的化工設計系列實踐課程群。桂林理工大學按照大課程布局[4]建立了化工設計類課程教學體系。

本文以化學工程與工藝專業核心課程的課堂教學以及各類工程設計實踐活動為依托，從理論教學出發，注重培養工程觀點，采用課程項目(project)培養基礎工程設計能力；將課程設計選題與科研實際相結合，強調工程設計理念，結合基礎知識進行綜合設計；在畢業設計和設計競賽環節進一步接近專業工程設計內涵，逐步形成對化工產業人才工程設計與應用能力培養的教學實踐模式，保證專業教育質量和專業教育活力。

1 理論與實踐相結合的教學體系構建

遵循以人為本、由淺入深、循序漸進、潛移默化的教學規律，將工程設計訓練貫穿于理論教學與實踐，從化工原理、化學反應工程和分離工程等課程的理論教學到課程設計、畢業設計和設計競賽等各實踐環節，構建以培養基礎工程設計能力為目標的課堂教學，以運用基礎知識實現綜合設計的課程設計，以及接近專業工程設計水平能力培養的畢業設計與設計競賽的三層次工程設計與應用能力培養體系。

1.1 教學模式

課堂教學中，注重對設計原理的理解，采用課程項目模式，掌握單個設備的設計程序，打下扎實的基礎；對課程設計，系統運用所學知識，在各單元設備設計的基礎上，采用綜合的流程設計模式；畢業設計與設計競賽，應用全局設計模式，對經濟與社會環境效益的總體進行評估，體現專業工程設計水平。

1.2 設計計算/工程制圖工具的掌握

完成復雜的工程設計，需要掌握相關的現代化工具以提高優化設計能力和綜合分析能力。培訓學生熟練使用相關軟件設計包，了解工業設計模式，與實際工業設計模式接軌，為達到專業工程設計人員水平奠定基礎。化工設計中，Excel和Origin可用于基本的數據處理；Polymath、Matlab、Java語言編程等可進行數值積分計算；AutoCAD、Visio用于繪制設備裝配圖、流程圖；Cuptower進行塔設備設計與校核；應用Aspen Plus對換熱器、吸收精餾塔設備、反應器等進行模擬設計與優化計算。

2 重基礎的課程項目設計

在課堂教學中，以基本原理為導向，采用課程項目模式，培養學生進行設計并校核單臺設備的能力。

化工原理課程項目基于單元操作內在的三傳理論基礎，根據流體力學原理進行管路系統的設計；根據傳熱原理進行換熱器的選型與核算；根據傳質過程的相平衡原理進行填料吸收塔填料層設計、板式精餾塔理論塔板設計；依據流體水力學性能與傳質性能的氣液傳質設備結構優化。基于化學反應工程的化學反應動力學原理以Matlab為計算工具進行理想反應器選型與尺寸計算；以單一反應的體積最小為目標進行組合反應器的優化設計。分離工程通過典型的二元精餾過程的模擬計算、設計及優化，深入理解精餾過程各參數之間的關系，提高學生使用Aspen Plus軟件的綜合能力；進一步基于三傳理論進行多組分分離方法選擇，實現多元精餾過程設計。

3 重綜合的課程設計

課程設計是運用化工單元操作知識進行綜合設計的一次工程設計實踐。

3.1 選題的工業應用背景

在化工原理課程設計的選題當中，結合學生實際能力和完成水平，在保證具有普遍指導意義的設計題目的同時，賦與工業應用的大背景及結合科研前沿理論與技術開發，強調理論與實際相結合。如，來源于科研項目的設計案例“克勞斯尾氣、高爐煤氣、電廠煙氣的脫硫”、“精苯廢酸再生工藝”、“焦化蒸氨廢水中氨的解吸”等；具有學科前沿理論和一定深度的設計項目如反應精餾、加鹽精餾、化學吸收、高濃度氣體吸收等。學生在常規的設計案例基礎上，必須獲取額外的必要信息(如體系的平衡數據，吸收劑的特性參數等)，并且要求了解其他的相關前沿技術和工業應用案例，融入自己的工藝流程設計。

3.2 注重綜合運用知識進行工程設計能力的培養，為畢業設計及工程設計打下基礎

課程項目訓練中已對填料塔、板式塔、換熱器、流體輸送機械等各種化工行業最普遍的典型設備進行過單獨的理論設計，在此基礎上，課程設計進一步完善整個工藝、設備結構設計與優化，撰寫技術文件和工程制圖，培養基本的工程設計能力，為順利進行畢業設計和工程設計奠定堅實的基礎。

3.3 提倡創新思維，更新設計思路

在課程設計中，除規定一些必要的設計參數，鼓勵學生勇于嘗試不同的設計工藝，選擇新型填料、新型塔板，設計中一定要有不同于其他同學的設計特色，避免雷同。組織學生互相交流，相互之間不同的設計方案、設計思路進行對比、分析、評價。同組可以比較不同設計參數的選取，不同小組對比處理量、產品質量要求等工藝條件的變化對設計結果的影響。

4 重應用的畢業設計與設計競賽

在畢業設計與設計競賽中，從資料收集與綜合、技術路線與設計參數的選擇、編程或利用現有軟件進行工藝及典型設備的選型和計算、工藝流程圖及設備布置圖紙的繪制等方面規范設計全過程，并全面考慮工程與社會、環境與可持續發展等應用因素，從全局觀培養卓越工程師應具備的基本素質。

目前國內規模最大、影響最廣的全國大學生化工設計競賽涵蓋了可研分析、單元操作設備與反應器的設計和優化、流程模擬、方案對比和經濟評估等各方面內容，極富創造性和挑戰性。參與設計競賽是對現有教學環節的延續、深化、綜合、提升，可以幫助學生全方位理解化工過程的基本原理與化工設計的主要步驟，依靠自己的分析判斷解決復雜工程問題，體驗接近實際工程設計的過程。

5 結語

本文從課堂理論教學出發，夯實基礎，以此在課程設計中運用基礎知識實現綜合設計，通過畢業設計和化工設計競賽等實踐環節獲得接近專業工程設計水平能力培養。經歷這樣一個教學漸進過程，以基本設計理論為基礎，側重使學生熟練掌握使用現有設計工具，從理論基礎提升到知識應用的層次，綜合求解復雜工程問題，由單一性知識訓練到綜合性知識應用，實現課程內容與應用能力培養相適應。對學生的工程設計與應用能力培養方面應更注重延續性，教學與實踐多環節相互關聯與補充，特別是充分利用先進的現代化工具實現優化設計，鍛煉工程應用能力。