建立以學生為中心的化工系統工程教學探索

夏斐斐 徐秀敏 楊鳳麗

（江蘇理工學院 化學與環境工程學院,江蘇 常州213001）

化工系統工程是化學工程與工藝專業學生的一門重要課程,該課程結合化工熱力學、反應動力學、化工單元操作、最優化方法、工程數學等方面的知識,運用系統工程的觀點和方法研究化工過程的整體特性,實現化工過程系統在開發、設計、操作、管理等各個層面的最優化,從而提高化工過程單元的工藝水平,旨在培養學生綜合運用化工基礎知識和專業知識處理實際問題的能力。

但是,該課程的內容相當寬泛,涉及化工過程各單元的模擬、設計和優化,以及各單元之間的集成分析[1]。同時,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,缺乏學習的積極性和興趣,從而導致課堂教學氣氛沉悶,教學效果欠佳。因此,常見教學方法并不能適用于所有的授課內容,有必要優化教學內容和改善教學方法以提高學生對該課程的興趣。具體來說,為了提高學生的學習興趣,實現以學生為中心的課程教學,可以嘗試從以下四個方面進行探索。

1 豐富教學元素,拓展課程體系

在課堂上,應用各種教學元素展示學術最前沿的理論知識,不僅可以拓展課程體系,還可以激發學生的學習興趣。課前教師要有針對性地做好教學設計,授課知識點廣而深,最好能用淺顯正確的語言及豐富的教學元素讓學生理解知識點。授課的課件應該條理清晰,盡可能地提高課堂教學課件中圖片和表格的比例,做到相關教學素材、音效與文字內容的有機結合。另外,在化工系統工程中,換熱網絡的綜合是主要教學內容。但是,換熱網絡的分析與合成在理論研究和實際應用中已趨于成熟,特別是換熱網絡的夾點技術,在工業界已有數十年的應用歷史[2,3],已不是目前學術界關注的熱點問題,這部分教學內容缺乏新的、前沿性的知識。為了使學生更容易理解和掌握換熱網絡綜合這部分內容,我們在近年的教學實踐中,逐步將化工設計中涉及的循環冷卻水系統設計和熱集成水網絡設計內容引入課程[4]。這部分內容既是對夾點技術相關知識的深化,也是對化工過程體系的應用拓展,有助于提高學生的學習興趣。

2 以學生為主體,改變“填鴨式”教學方法

化工系統工程課程安排在本科學年第四學年的第一學期（大四上學期）,此時學生已經完成了高等數學、線性代數、化工原理、化工熱力學、化學反應工程、化工分離工程、化工應用軟件等課程的學習,為學習化工系統工程課程儲備了一定的基礎知識。但是該課程的理論性極強,在教授的過程中必須結合實際工程案例,這樣有助于學生在理解基本理論知識的同時,對化工過程單元還可以有一定的認識,從而對激發學生的創新能力有益。同時,本課程的培養目標之一就是要求學生能夠解決實際生產過程中存在的問題。因此,為了提高學生綜合應用專業知識的能力,教學中應盡量給學生更多的學習主動權,為學生提供更多自學、探討、創作的機會。另外,在課堂教學時,教師可以在一段教學內容開始時先著重介紹本次課程內容的應用背景和工程意義,同時提出實際生產中的若干問題,讓學生帶著這些問題聽課。這時學生就會在這些問題的引導下進行思考,在聽課的同時,根據已具備的化工專業知識思考出一些解決問題的方法。最后,經過小組討論,得出解決本堂課開始時提出問題的初步方案,這樣就做到了課堂上以學生為主體的課堂教學,達到此節課程的教學目標。課堂結束后,教師根據本節課所授的知識內容布置課后思考題目,要求學生帶著問題去預習下節課的教學內容,并儲備相關專業知識。

3 以工程實際案例為背景,豐富課后作業

化工系統工程是一門與實際工程結合緊密的課程,但從理論知識教學到工程實際應用還有一段距離。為了培養學生解決實際問題的能力,在講授化工過程單元模塊的自由度時,可以安排學生結合化工原理課程所學的活性分離裝置的特征以及在此裝置中所包含的流股數目、各個流股包含的獨立變量數目及獨立變量之間的關系進行討論。此類小組討論問題可以設計為課后讓學生先收集資料,小組討論后再在課堂上分享,也可以設計為隨堂討論。通過小組討論以工程實例為背景的思考問題,不僅可以鍛煉學生搜集、整理和獲取數據的能力,同時也鼓勵了學生運用理論知識解決問題的能力。因此,安排小組討論時,一定要精心設計需要討論的問題,所設計的問題既要與課程知識點相聯系,又要有一定深度和廣度,這樣才可以最大限度地考察學生對知識點的掌握理解情況并激發學生的學習興趣。本課程的課堂教學中著重通過案例介紹化工過程數學模型的建立與求解策略,以及化工過程參數優化、結構優化理念與具體方法[1,4]。教師通過具體實例講解復雜化工問題的分析與合成方法后,學生可基本形成感性層面的整體認知。對于僅靠聽講無法掌握的細節操作問題,我們會在課后布置相應的大作業,要求學生針對化工生產過程,查閱、分析文獻資料,通過合理簡化與假設,結合質量衡算、熱量衡算、動量衡算及其連接條件,建立能描述過程的較為合理的數學模型,然后利用工程軟件或者通過計算機編程對數學模型進行計算求解,從而完成操作參數優化或結構參數優化。通過完成大作業,學生能夠得到適當的訓練,加深理解與體驗。結合實際工程案例講授相關的單元過程的設計、模擬和優化,有利于提高學生的學習興趣,還能加深學生對理論知識的理解,激發學生的創新能力。

4 優化考核方式,注重過程性考核

另外,為了使學生積極主動地參與到課程教學和考核中,本課程采用過程性評價、表現性評價和結果性評價相結合的方式對課程成績進行綜合評定。課程考核總成績中,平時成績占50%,其中線下平時成績占30%（包括平時線下作業5%、筆記5%和化工系統工程實例方案的設計20%）、線上成績（雨課堂中的預習、測試和討論）占10%、線下課內討論練習占10%,期末考試成績占50%。其中化工系統工程實例方案的設計,以培養學生分析和解決復雜工程問題的能力為核心。

5 結語

綜上所述,高校教師在進行教學活動時,要提高課堂教學的效果,使學生積極主動地參與到課堂教學中,就需要不斷地豐富課堂內容、改善教學方法和優化考核方式。另外,還需要注重理論與實踐的結合,讓學生能夠應用所學的基礎理論知識解決實際工程問題,達到學以致用的教學目標。同時,提高學生的學習興趣,實現以學生為中心,也可以培養學生把握問題本質及分析和解決問題的綜合能力。