融合化工設計競賽內容的《化工原理》課程教學改革的探索與實踐

王巍 吳偉 肖林飛

（黑龍江大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

一、化工原理課程教學現狀

近年來，面對日新月異的科技進步以及復雜多變的國際形勢，培養具有工程實踐能力和創新能力的高層次專業人才，為國家工業領域自主創新和產業升級提供后備力量成為我國高校工程專業教育的首要目的。基于這一目的，在《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020 年）》的基礎上，教育部于2010 年制定了“卓越工程師教育培養計劃”并于2011 年開始推行“工程教育專業認證”工作，旨在促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國，鼓勵各高校對現有工程教育模式進行改革和突破，抓住工程教育的本質，創新工程人才的培養模式。

化學工業作為技術密集型產業，一直是我國國民經濟的重要支柱，對我國發展科學技術和改善人民生活起著重要的推動作用。化工原理課程是化學工程與工藝專業的主干專業基礎課，旨在通過講授動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞理論知識和經典單元操作設備的結構原理，培養學生運用所學知識分析和解決化工生產過程的工藝和技術問題的能力，是理論和實踐并重的一門核心課程。然而化工原理課程的傳統教學內容仍以講授基礎理論和公式推導及計算為主，教學手段仍以語言文字描述為主，課堂教學仍表現為老師大量講授而學生被動接受的情況。另一方面，化工原理課程面向大二或大三學生開設，這部分學生雖然已經完成了通識基礎課和化學基礎課的學習，但缺乏化工生產實踐經驗，過于偏重理論知識的講解讓學生缺乏對化工工藝流程的整體了解，缺乏對單元操作設備的直觀感受，缺乏對生產實際問題的深刻認知，導致學生理論聯系實際能力不足。同時，枯燥的教學過程也降低了學生對化工原理課程的重視程度和學習興趣，限制了學生的創新思維。

基于此，我們以黑龍江大學化工原理課程為研究對象，以將學生培養成既掌握扎實的理論知識又具有設計能力和創新思維的復合型化工專業人才為目的，將指導學生參加全國大學生化工設計競賽等專業實踐內容有機地融入化工原理課程教學的實踐環節之中，進行化工原理課程教學改革的嘗試與探索。

二、融合化工設計競賽內容的《化工原理》課程教學改革的探索與實踐

（一）更新教學內容

教學內容是化工原理課程的核心，是實現教學目的和人才培養目標的必備條件。雖然化工原理的知識體系已經相對成熟，但隨著化學工業生產領域相關技術和設備近年來不斷更新，現有的大部分化工原理教材的知識內容仍相對滯后，且多偏向于公式應用與理論計算，容易導致理論和實踐相脫節，不能滿足化工專業人才的培養和化工設計競賽的要求。因此，在教材經典內容的基礎上，教師需要采用案例式教學的模式，將理論與實踐有機結合，并將歷年競賽中出現的新技術或新設備的設計理念和改進方案適當的融入課本中，開闊學生的視野和思路，培養學生的創造性思維和解決實際生產問題的能力。教學內容的更新重點在于將化工設計競賽的相關內容與化工原理的課程知識有機結合，幫助學生深入理解所學內容。例如在課堂上講解熱量傳遞及換熱器操作時，重點在于如何計算傳熱面積或換熱量，但在化工設計競賽中，不僅需要學生確定換熱器的選型和換熱介質，還需要繪制換熱網絡圖并進行優化，以實現節能降耗的目的。因此，在改革實踐過程中，當講解熱量傳遞內容時，不僅要講明教材中的公式推導及應用技巧，還要適當補充換熱介質的選擇、熱量如何回收、換熱網絡圖如何優化等內容，讓學生具備利用所學知識解決實際問題的能力。同時，在化工原理教材經典單元設備的基礎上，還將向學生適當介紹化工設計競賽中出現的新設備或新技術，例如新型的分隔壁精餾塔，只在傳統精餾塔中加入一段垂直放置的隔板，既采用與傳統精餾塔完全相同的設計公式和計算過程，又能實現三組分的精餾分離并節能降耗。因此，適當引入新設備和新技術的設計應用知識，可以拓寬學生的視野和思路，培養學生的創造性思維和創新能力。

（二）豐富教學手段

化工原理課程教學已經實現了多媒體輔助教學，但目前的多媒體電子教案仍主要是大量文字和少量圖片相結合的傳統模式，學生們在課程中了解的設備、管道、閥門仍是紙面上獨立的圖形，缺乏對化工生產技術工藝的整體把握和不同設備在工藝中發揮作用的具體認知。因此，教師應該進一步有效利用多媒體教學手段，可以適當將工藝設計思路、流程模擬動畫以及競賽現場講解等內容以視頻等形式展示給學生，讓學生直觀的了解化工生產及工藝設計的內涵和要求，在豐富教學內容的同時，激發學生的學習興趣。針對傳統課堂教學重公式應用而輕設備介紹，重文字描述而輕直觀展示的問題，需要在改革實踐過程中加入更多的動畫或影像展示內容，讓學生直觀地了解從廠房、車間到反應器、精餾塔以及相應的管道配置和閥門控制等諸多實際情況。例如關于化工廠的整體布局及設備分布，學生以往只能在緒論或每章的引言中通過文字或照片有所了解，但化工設計競賽要求參賽隊伍必須通過3D Plant 軟件構建全廠區三維模型并進行視頻展示。因此，將這些視頻于課堂上播放，學生可以在短短幾分鐘直觀了解實際化工廠的布置情況，明確不同單元之間的位置排布，管道輸送及物料運輸等一系列配置布局等。再如化工設計競賽還要求制作設備裝配圖并注明控制系統的運行方式。因此，將這部分內容通過PPT 動畫展示，也可以幫助學生更好的學習單元設備的設計原理及操作過程。同時，在教學過程中要更多地采用案例式教學和啟發式教學，適時提出一些簡單的設計問題，激發學生的探索興趣，促進學生的獨立思考。例如學習精餾塔分離原理及設計后，可以簡單介紹新型的分隔壁精餾塔的設備構造，讓學生結合所學知識思考分隔壁精餾塔如何實現三組分分離，并進行幾分鐘的課堂討論，從而加深學生對相關知識的理解，活躍課堂教學氣氛。

（三）拓展課程實踐

化工原理課程教學以學生為主體，以教師為主導，因此教師在講授教學大綱規定的內容之外如何激發學生的學習興趣并引導學生進行自學，以掌握參加化工設計競賽所需要的知識是提高學生學習和實踐能力的關鍵。全國大學生化工設計競賽是具有綜合性、創新性和實踐性的國家級大型賽事，涉及所有化工專業主干課程知識的應用以及Aspen Plus 工藝模擬軟件、Auto CAD 制圖軟件和3D Plant 廠區設計軟件等諸多工具軟件的操作，是對教師與學生知識儲備和綜合素質的集中考驗。因此，在指導學生開展課程實踐的同時教師也需進一步提高理論和實踐的教學水平，并提高開展科學研究的能力，同時熟練操作各種工具軟件。理論知識方面要積極參加化工原理實驗及生產實習實踐教學工作，全方位了解單元操作設備的工作原理及整體生產工藝的流程與布局，學習化工設計、化工機械、化工安全等其他化工專業課程知識，建立起滿足指導化工設計競賽要求且全面覆蓋化工專業基礎知識的理論基礎。科學研究方面要繼續加強文獻調研，實時掌握化工領域最新發展動態，深化與化工企業合作，著重研究整體工藝流程創新與單元操作和設備改進之間的關系，實現教師自身知識系統與時俱進。操作軟件方面，除熟練掌握并且能指導學生學習使用Aspen Plus、Auto CAD 和3D Plant 等設計基礎軟件外，還應學習諸如反應器設計軟件COMSOL、三維配管軟件CADWorx、換熱器選型軟件換熱器大師等其他軟件的使用技巧，確保可以在實際操作方面為學生及時答疑解惑。

（四）完善考核機制

化工原理課程目前的考核方式是期末卷面考試結果占總成績的80%，平時作業成績占20%。在改革實踐過程中，教師可以適當提高平時成績在總成績中的占比至30%，將學生的課堂討論和過程表現情況記入平時成績中。同時可以適當增加課后設計或工藝模擬等內容，以團隊形式采用軟件或手畫的方式繪制簡單的工藝流程圖或設備裝配圖，鍛煉學生的繪圖能力和團隊意識。此外，在期末考試試題中可以適當增加開放式題目，例如在確定輸送介質和輸送流量的前提下，讓學生自行選擇兩種適宜管道尺寸及型號并計算相應的設備和輸送成本，考查學生利用相關動量傳遞公式解決實際生產問題的能力，實現培養掌握理論知識且具有設計能力的復合型化工專業人才的教學目標。

三、結語

通過此課題的實施，將全國大學生化工設計競賽的相關內容融合于化工原理課程的教學實踐內容中，完善現有的教學模式，培養學生的創新能力和運用專業知識解決實際問題的能力。同時實現以學助賽，提高學生參加化工設計競賽的熱情，為學生在本科階段開展對小型化工廠工藝設計工作的探索和嘗試提供實踐的機會，為學生的擇業及畢業后在工作崗位運用專業知識解決生產實際問題奠定堅實的基礎。