卓越工程師計劃下的“化工原理”課程教學改革與實踐

＊武朝軍 解瑞俊

（內蒙古工業大學化工學院 內蒙古 010051）

內蒙古工業大學化工學院化學工藝與工程專業始創于1958年，在幾十年的發展過程中為內蒙古自治區培養了大量的化工人才。在專業的發展過程中我們本著立足內蒙古，面向全國的理念在學科建設上取得一定成績。2011年我校化學工程與工藝專業開始實施卓越計劃，致力于培養掌握系統的化工專業的理論知識，同時具備較強的創造能力與實踐能力的化工應用型人才。為了有效實施卓越計劃，在學生的培養過程中不僅要按照通用標準及行業標準來培養化學工程技術人才，相比普通班而言，為此在專業課程教學過程中，需要不斷完善教學方法，突出工程觀，加強卓越班學生學生化學工程實踐能力和創新能力的培養。《化工原理》是化工類專業的專業本科生的一門主干課程，講授化工單元操作的原理、典型設備及其計算，是理論與實際結合密切的技術基礎課程。起著承上啟下、由理到工的橋梁作用。也是化工類專用的“當家課程”。針對“卓越工程師教育培養計劃”，在課程執行工程中，了解當前工程實際對化學工程師的基本要求，明確化學工程師所應具有的基本素養，通過系統的課程學習掌握化學工程師所應具備的基本專業知識如化工過程的單元操作的物料衡算和熱量衡算、過程速率、過程極限理解，并掌握單元操作的設備的設計與選型及操作及工程項目設計等。并有能力綜合運用以上基本專業知識解決工程實際問題，到達“具備化學工程與工藝專業基礎知識，并能用于解決化學工程領域復雜工程問題”卓越化學工程師應具有的基本能力。為了實現“卓越工程師培養計劃”在化工原理課程的理論教學及課程設計過程中中進行了積極的改革與探索。

1.化工原理課程的理論教學改革

化工原理課程主要是研究化工過程中各單元操作的基本原理及其各設備的設計、操作與調節，是真實的、復雜的工程問題提煉，這些問題大多來自于實踐的經驗總結，過程計算繁瑣，設備結構復雜多變，具有很強的實踐工程性。學生在學習過程中面對大量的知識體系，往往會覺得“無理”。在教學過程中如何評判課程的教學效果，不能簡單看學生考試的分數，更應該同通過學生畢業以后在實際工作中解決問題的能力來判別。當前化工原理課程理論教學模式重于理論知識講授，以教師為中心，理論與實際結合不緊密，大部分是“滿堂灌”的教學方式，對于學生的理論思維能力培養不夠；其次是與工程實際脫節，由于化工生產過程的復雜性，許多工程實際問題是無法依照習題計算的，是需要進行理論思維、分析、判斷。目前學生都一直在學校學習，對工程問題沒有概念。如何在教學過程中，使學生不僅僅解決能夠算得出的問題，也要把工程觀點貫徹始終，構建一個較完整的工程理念，培養其在今后的工作中對不能算得出問題的解決的能力是值得我們在卓越班教學過程中思考探索的。

(1)優化教學方式，培育工程意識

化工原理課程建設在化工卓越工程技術人才培養中占有最重要的地位，是學生對化學工程知識體系學習和應用的開始。在每個單元操作中，以基本原理與概念為基石，使學生掌握單元操作的設計型計算，掌握單元操作的強化方法。以工程案例為依托，使學生理解如何用單元操作的基本原理來指導生產實際。在課程講授過程中，認真梳理教學內容，不是簡單的面面具到照本宣科，而是要抓住對理解某一問題的關鍵內容精講，講深講透。對于難于理解的知識點，設置課前導學，引導學生對相應知識點做課前討論，課上進一步深入理解。在化工原理課程中，引用了較多的經驗方程式，如果照本宣科，學生往往難以接受。這時，就要讓學生認識到，面對復雜的特定實際問題，他們如果僅僅依靠熟悉的“數、理”學科這樣對復雜問題簡化處理的方法是無法解決千變萬化的工業實際的。在課程內容中，著眼于單元操作內在規律的揭示，真正地把“理”說透。對于實踐性較強的內容，如離心泵內容的講述，可以依托本校的化工實訓中心，采用課堂教學與實踐相結合的方法，實驗室拆裝和運行離心泵，介紹泵的結構及其工作原理，形象直觀。依托實訓中心流體輸送裝置，進一步理解流體輸送的工業實際，認識化工生產中不同的輸送方式及流體機械設備，認識管路系統中各類控制閥門，控制儀表。在傳熱的內容部分，以北方室內供熱為例，討論為什么室內暖氣要設置在房間的底部，為了保持冬天室內溫度可以采用哪些措施。通過課程的討論加強學生對對流傳熱和導熱的認識。在換熱器部分，依托實訓中心，認識不同類型換熱器的結構，結合多媒體資料，理解換熱器內部流體的流動及換熱形式。通過實訓中心內的精餾塔，讓學生認識精餾塔的內部結構。播放專題教學片，使學生了解板式塔、填料塔的設計研究方法，通過工程案例探討設備結構對單元操作的影響。通過多樣的教學手段，在教學中引入學生可以理解的工程實踐案例，使學生對所學的知識從工程的新角度進行思考和重新認識，能夠“以小見大，由此及彼”強化培養學生的工程能力和創新能力，極大地提高了學生的學習興趣。認識到知識不僅僅是書本上，而是和生活、生產密切相關。

(2)理論聯系實際，培養工程素養

化工原理課程目標不僅要求學生具有工程定量計算的能力，并要求具備一定的工程觀點和設計能力。有意識地培養學生的工程觀念，強化工程意識。在整個課程過程中，給學生灌輸工程觀念的要義，即“可行、安全、經濟”，也就是理論工藝上的可行性、操作上的安全可靠性和經濟上的合理性。為了實現課程目標，在課程教學中做了以下改革。選擇典型工程案例題目，讓學生課下分組討論，以主題報告的形式給大家匯報。這給環節不僅能夠增進學生間的交流與協作，而且增強了學生的工程意識。

化工原理課程作為化學工程學科的主干課程，要面對工程實際，教師要從生產實際中抽提出有關問題，引導學生應用化工原理的理論進行分析闡述。在柏努利方程式應用的中，學生可接觸到高位槽輸送、氣體壓料、機械輸送等實際問題，依托學院的實訓中心裝置，是學生認識流體輸送的不同方式及管路的構成。通過課程學習使掌握流體流動的基本道理，而且在此基礎上可以根據生產實際輸送任務，以天然氣長距離輸送為例，設置題目，讓學生查閱資料，確定設計路線，選擇輸送設備，選擇管徑，以總費用（設備費+操作費）為目標函數，比較不同組別的設計結果。同時讓學生思考，天然氣是易燃氣體，在設備選擇和操作中應當注意哪些問題。通過問題的討論，使學生明白和掌握了“流體輸送”的這一工程概念，懂得了設備費與操作費的實際應用，和經濟上的合理性及其和其他零部件的配套性等工程觀念。這樣不僅強化了實際工程應用概念，而且也進一步提高了學生的學習興趣。以旋風分離器的應用為例，討論在化工生產流程中，旋風分離器、換熱器及風機設置的相對位置對工藝的影響。在傳質的單元操作學習時，會設置“塔設備”工程案例討論課。以板式塔的流體力學負荷性能圖為基礎，討論不同類型塔板對精餾塔生產能力及操作彈性的影響。在討論這些工程問題時，把安全、環保的概念細潤無聲地傳遞給學生，讓學生認識到，對復雜化工生產問題的分析解決不僅僅是技術上的可行。

(3)依托“互聯網+”，拓展教學空間

為了保證學生的課程學習效果，同時也是為了有效提升《化工原理》這門課程的教學效果，必須因地制宜地對課堂模式進行調整。仍然保留傳統教學模式中以教師“教”為主的授課方式，確保將課程的重難點清晰而透徹地講與學生，使其理解；但與此同時，還要對傳統的教學模式做出一定改變、提升。

借助互聯網，建立課程學習平臺，充分利用網絡教學平臺和學生展開交流。在授課過程中通過網絡平臺給學生們發布學習資料，布置思考問題，學生在學習過程中遇到的困難和問題可隨時與老師在課堂上或者線上就重點難點問題進行交流討論，拓寬課堂的深度和寬度。另外，教學平臺上還配有相關知識點的練習及試題庫，學生可以自主學習相關知識，并可在線測試，檢驗對知識的理解和掌握程度。多樣的教學平臺發展也給學生提供了在課堂之外尋找更多教學視頻與學習資源的機會。利用自媒體資源，給學生推送化工原理相關的文章，使學生加深對單元操作原理及設備結構的認識，也可以借助互聯網，使學生查找最新的設備及相關知識。“互聯網+”教學模式，是互聯網與教學的深度融合，實現教學資源多渠道融合，豐富教學素材；例如，在講授“過濾”的時候，讓學生提前通過互聯網查閱目前市場上的家用凈水器的結構、工作原理，為深入理解“深床過濾”做知識儲備。讓學生搜索我國市場的工業用的過濾機類型，對過濾設備的認知進一步深入。依托“互聯網+”，有效地補充“以教師為中心”的教學方式，調動學生的學習主動性，把學習的立足點面向“以學生為中心”“互聯網+”能讓學生根據興趣及需求自主學習，從而提高學習的主動性。

(4)精選教學內容，完善教學過程

目前化工原理課程教學內容主要是圍繞各單元操作展開，每個單元操作包含過程和設備兩部分。在一個時期，課程教學存在著重過程輕設備的問題。各個單元操作都是根據一定的物理或物理化學原理實現某一個特定目的，在卓越班教學中，要求學生對單元操作掌握“發展、選擇、設計和操作”四個方面。“發展”是要求學生理解一個單元操作是如何發展成的，溯本求源是培養創新性人次的重要環節。例如，在課程中涉及到多個分離的單元操作，物性的差異是分離的依據。存在差異就有分離的可能性，但不一定能夠達到高純度的分離。工程工作者的任務就是要把這種可能性變為現實性，這就是發展開發的意義。“選擇”是工程技術人員解決問題的必經之路。為了實現某一工程目的，進行過程和設備的合理選擇和組合。以液-固混合液的分離為例，顆粒尺寸的大小及固含量是選擇分離設備的主要依據。“設計”是針對過程和設備進行設計計算，如果在設計過程中缺乏一些設計數據，會通過有效的實驗獲取數據。“操作”對學生而言，就是學會根據基本原理的知識預測操作性能，尋找操作過程在可能出現的不正常操作的現象、原因及調節方法。

在課程教學過程中，深入分析教學內容，以“過程分析”→“過程數學描述”→“實例分析”這樣的程序來組織教學。以單元操作的原理為起點，以工程目的為終點。在分析工程時，運用邏輯思維，提出問題、討論問題、解決問題。以蒸餾工程分析為例：首先明確蒸餾操作目的、蒸餾分離的依據、蒸餾過程的經濟性，最后是蒸餾過程的操作特性和操作參數對工程的影響。在數學描述時，對于傳質工程，不外列衡算方程（物料衡算方程、熱量衡算方程），建立過程的特征方程（相平衡方程），之后聯立求解。在化工原理的單元操作中，采用了各種工程處理的方法，講清楚這些處理方法的實質是課程教學的關鍵。例如，在精餾塔板數的計算中引入“理論板”和“板效率”的概念，可以加深對精餾過程和精餾設備的理解。理論板是純過程（精餾）的特征，板效率是設備（精餾塔）特征。這樣的分解對工程實際問題的處理帶來很大的方便。在學生具備化工過程的基礎知識之后，引導學生以工程案例入手，應用化工原理的基本理論和方法對實際的化工單元操作問題進行分析，培養學生分析與解決實際問題的能力。在課程教學中，不僅要使學生掌握各個單元操作的相關知識，而且要讓學生理解各單元操作的內在關聯。例如通過傳熱推動力與傳質推動力表達式的比對，雙膜理論中的傳質阻力與間壁式換熱器總熱阻的對比理解對流傳熱和對流傳質的類比。對吸收、蒸餾、萃取典型傳質單元做總結，分析傳質過程的實質。使學生進一步理解“相平衡”是傳質過程的極限。“相的不平衡”是傳質過程的推動力。這樣學生在分析操作型問題時就有抓手，可以有的放矢地分析討論強化過程的方法。

2.化工原理課程設計的教學改革

“化工原理”課程設計是對學生進行的第一次綜合性的實踐設計環節，是學生第一次從工程視角出發，以某一單元操作為設計目標進行理論計算，工程計算，單元操作設備結構設計。原來的設計題目相對單一，題目與實際結合不夠緊密。以板式精餾塔設計為例，之前我們的設計題目主要是乙醇-水分離精餾塔設計，苯-氯苯精餾塔的分離。設計題目單一，學生容易出現雷同現象。在卓越班的課程設計中我們做了一些改革嘗試。以生產實際或近年的化工設計大賽題目為背景抽提設計題目。題目擴展到“丙烯腈－丙烷、丙烷－丙烯、乙酸乙酯－乙醛、正丁醇－異丁醇、乙苯-苯乙烯”分離過程板式精餾塔設計。為了加強學生創新能力與工程素養的培養，學生可以自行組隊但每人一組數據，首先引導學生查閱文獻，了解體系物資的應用背景。通過小組成員間的討論與合作加強學生在課程設計過程中對化工過程與工藝了解。完成某學生為中心的教學方式一個單元操作的工藝流程設計不僅僅是一個主體設備的設計而要有整體的工程觀念。在精餾塔設計中，需要把精餾塔及塔頂冷凝器與再沸器綜合考慮操作條件對其設備費和操作費的影響。在工藝設計中，要關注能量的合理利用問題，合理設置流程中多個換熱器之間冷熱介質流股配置。工藝確定后，要求學生采用化工流程模擬軟件Aspen Plus完成單元操作的流程模擬，鼓勵學生綜合應用所學過的基礎知識，并通過查閱工具書、國家標準和相關文獻資料補充相關知識，引導學生分析實際問題，在現有工作的基礎上進行改進和創新。設計過程中從體系的相平衡數據到單元操作主體設備設計技術及核算鼓勵學生充分利用Excel和Aspen Plus等相關軟件進行計算。使用專業設計軟件進行流體輸送機械的選擇，將計算機技術運用到設計過程中。在課程設計過程中，很好地貫徹了“學生為中心”的教學方式，而且進一步使學生樹立“工程經濟”的概念，一個好的工程設計不僅技術上可行，還需要經濟上合理。通過化工原理課程設計，進一步培養學生的創新思維和工程技能及團隊協作精神，為實現“卓越工程師”計劃，培養高質量的化工工程技術人才奠定良好基礎。

3.結論

為提高化工原理原理課程的教學質量，實現卓越工程師培養計劃的目標，培養具有“大工程觀”，有一定創新實踐能力的化工優秀的應用型人才，我們在教學內容設計、教學方法運用等方面進行積極探索和實踐，綜合運用各種教學資源與教學方法，從單純的“以教師為中心”的教學方式轉變為“以學生為中心”，培養學生的工程素養和創新能力。通過幾年的教學實踐取得較好的效果。