教育認證背景下化工過程分析與合成課程的教學設計及實施

張巧飛 高建飛 朱春山

(河南工業大學 化學化工學院，河南 鄭州 450001)

面向新世紀化工類專業人才培養的迫切需求，“化工過程分析與合成”列入化學工程與工藝專業人才培養方案的核心課程，同時也是列入我國《工程專業認證標準》中的必修課程。為了更好地服務地方區域經濟發展，向企業和社會輸送合格的工程類專業人才，依據工程教育專業認證標準開展專業建設與改革已成為各大高校提升辦學質量的主要舉措之一。因此，從2016年開始，河南工業大學將“化工過程分析與合成”列入2016級化工專業學生的培養方案，安排在第6個學期，36學時，2018年筆者首次開設本門課程。化工過程分析與合成是將系統工程的思想、方法和策略用于解決化工過程系統中復雜的化學工程問題的課程，涉及化學工程、計算機技術、運籌學、工程經濟學和最優化等理論。學生通過本課程學習，能運用系統工程的觀點和方法對化工過程系統進行系統分析、模擬與優化，實現化工過程系統在技術和經濟的各個層面達到單個或多個目標的最優化[1]。簡言之，這是一門將系統工程的思想、方法和策略用于解決化工過程系統中復雜化學工程問題的課程。

然而，筆者在進行該課程教學的過程中發現，傳統的以教材為主導的教學模式存在理論與實踐脫節的問題，導致學生普遍認為該課程理論性太強，數學要求較高，比較抽象，所學理論無法用于解決復雜工程問題。在傳統的教學模式中，教師通常先復習課程需要的數學和化工基礎知識，然后講授單元設備模型的建立，最后逐漸過渡到復雜流程系統的分析、合成及優化。這種教學模式雖然邏輯性強，卻無法充分調動學生的積極性和主動性；而且該課程課時有限，講授過多理論知識會導致實踐性環節不足，進而使得本課程在學生工程實踐能力培養中的作用得不到充分發揮。同時，該課程是以高等數學、化學、化工原理等相關基礎課與專業課為基礎，并且融合了系統工程、計算機模擬的知識，涉及大量學科交叉知識，大大增加了課堂教學和學生學習的難度。因此，對實踐性較強的化工過程分析與合成課程進行建設與改革至關重要。

1 OBE教學理念貫穿課程教學設計和教學過程

1.1 教學目標具體化

在第二章講解過程系統模擬的三種基本方法時，可在教學目標設計中利用學生熟悉的Aspen Plus軟件，引導學生分析該軟件的起源、發展以及基本原理，提高學生查閱文獻和網絡資料分析問題的能力。同時，教學目標不應局限于對專業基礎知識、應用能力和分析能力進行要求，還應包括人文素養、專業興趣、終身學習能力等方面的培養。例如，過程系統的優化和綜合問題離不開環保、節能、安全和技術經濟等各方面的綜合考慮，培養學生的人文社會科學素養、社會責任感，學生能夠在考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素的前提下，設計針對復雜工程問題的解決方案，并遵守工程職業道德和規范，履行責任。再比如第一章緒論中，加入課程思政元素，通過介紹過程工程學的發展史和國內外化工發展現狀，引導學生搜索和了解民族化學家的偉大事跡和重要貢獻，激發學生為振興民族化工科技事業獻身的熱情。

1.2 針對教學目標改進教學方法

傳統的教師講授型教學模式，使得學生處于對化工過程分析與合成課程畏懼、無興趣的狀態，學習效果甚微。OBE理念強調以學生為中心，事實上，當代大學生基本都在2000年以后出生，他們的成長伴隨著網絡的興起和普及。與授課教師成長期間以書本作為知識載體不同，信息的視頻化、碎片化以及從網絡獲取信息的強大能力使得當代學生鉆研課本的能力下降，對文字類載體的專注力差、容易產生疲倦。因此，在將實際生產實踐以及前沿科技引入教學的時候，需要以信息技術為載體，并實施多元化教學，引導學生深入探索和自主學習。以第四章化工過程系統的優化中人工智能模型為例，可以引入一系列有趣視頻來幫助學生理解人工神經網絡技術在過程系統性能模擬方面的獨特優勢，擺脫書本的束縛，鼓勵學生自己通過網絡資源查找化工和生活中人工智能技術的應用。

1.3 改革考核與評價模式

對于學習效果的評價絕不能僅僅局限于紙質作業以及卷面考試。得益于學習通自動記錄學習任務點的優勢，為了檢驗學生學習成果是否達到預期教學目標，教師可以設計豐富的線上、線下教學環節滿足考核需求。首先加大平時成績在課程考核中所占的比重，除了紙質課后作業和測試以外，增加小測驗、搶答、主題討論、分組任務等學習通線上互動環節，根據需要調節作業、課堂互動、簽到、訪問數、討論等各模塊所占的總成績比例，通過多維度成績分配，實現過程性評價。當然考核形式不限于教師評價給分，也可分組完成任務，小組之間互評。考試試卷部分針對教學目標，增加科學前沿相關題目和具有提高性的工程應用題，同時部分題目可以探究性題目為主，靈活給分。最后教師通過學情分析了解整個班級的作業完成度、平均分及簽到率等，統計計算各項分值和課程目標達成度，對學生達成情況進行分析評價，為持續改進提供依據和思路。

2 教學內容從“以教材”向“以工程案例”為中心轉變

化工過程分析與合成包括化工過程模擬與分析、過程優化和過程綜合三個層次，以及各層次之間的集成分析，課程綜合性強、知識點多、知識面寬，學生學習和理解起來較為困難。在教學過程中，過程分析、模擬、最優化、分離序列等知識點必須輔以大量的工程案例進行闡述。如果沒有工程案例作為背景知識，容易造成理論知識與工廠實際脫節的情況[2]。

因此，實現從“以教材為中心”向“以工程案例為中心”的轉變，可以營造良好的學習氛圍，激發學生的學習興趣，引導和啟發學生主動分析、積極思考和共同討論，認識到課程的重要性；也可以通過案例教學，為學生提供接觸、了解實際工程項目的機會，提高師生互動質量，增強學生對專業的認同感。按照“基本理論+工程案例”兩個環節，設計講授穩態模擬、動態模擬、過程優化、換熱網絡合成、分離序列綜合這五部分內容。壓縮“基本理論”環節的講授學時，只講模擬與優化的基本思路和理論；加強“工程案例”環節的學時，每部分內容都引入1～2個工程實踐案例，以工業化生產的實際需求為導向，綜合運用系統工程、數學建模、模擬軟件等方法和化工相關知識，將面臨的問題抽絲剝繭，提高學生的專業綜合素質及解決實際問題的能力。例如，在講述化工過程的穩態模擬時，先引出乙二醇和水分離的問題，然后討論熱力學模型的選取，再以閃蒸操作為例，講解物流模塊、閃蒸模塊、閃蒸方法以及熱平衡的建立，最后對完整的流程進行模擬計算；在此基礎上，逐漸展開包含多個單元模塊的復雜流程的建立和模擬分析。

3 復合式教學模式培養學生分析解決工程問題的能力

在教學中，采用線上線下混合式教學，運用問題導向、啟發式、研討式和案例式的復合式教學模式，改變傳統教學中“我講你聽”的灌輸模式，充分調動學生學習興趣和學習積極性，培養學生發現問題、解決問題等能力。基于課程的教學大綱，編制合理的教學執行大綱，對課程基本信息、預期學習成果、教學日歷，以及考核方式等內容進行具體、可執行的設計，縮略圖如圖1。

圖1 化工過程分析與合成的教學執行大綱縮略圖

針對課程學習難度大、課時較少的特點，理論教學分為線上、線下兩部分。授課教師利用超星學習通平臺建設網絡在線課程，上傳優質學習資源，拍攝重難點知識的慕課視頻，學生通過超星學生端可隨時進行自主學習和反復觀看，課前課后向學生發布學習任務和練習題，檢驗學生慕課自學和教學后的學習效果，教師在管理端則可直觀分析學生學習相關數據，動態掌握學生的學習情況；線下部分則是教師在課堂上根據學習通學情分析情況，著重講解學生難以理解或掌握的知識點，達到有的放矢，提高課堂效率。

在教學過程中，通過執行大綱設計切實可行的教學環節和內容。例如，在講解“問題表法確定夾點”知識點時，采用Aspen Energy analyzer軟件，直觀演示不同最小傳熱溫差下的溫焓圖，引導學生對不同過程系統的最大熱回收、最小公用工程加熱和最小公用工程冷卻量進行討論，啟發學生確定合理的最小傳熱溫差，培養學生發現問題和解決問題的能力。在夾點法換熱網絡綜合的教學過程中，考慮到線下課時有限，教師可通過線上慕課視頻進行案例教學，引導學生將夾點處物流匹配的可行性原則和經驗性規則的理論知識用于換熱網絡綜合過程，培養學生分析和解決問題的能力以及設計/開發方案的能力。

Aspen Plus流程模擬軟件加強學生工程實踐能力的培養。序貫模塊法是Aspen用于模擬計算的主要方法，與化工過程分析與合成中所講授的理論基本一致[3]。然而在實際教學中，很多學生無法將序貫模塊法理論和Aspen軟件有機結合起來解決流程模擬問題。應用Aspen對復雜化工過程進行模擬時，使用系統默認的斷裂流股和初值往往會出現結果不收斂，需要用戶對斷裂流股和初值進行調整，學生對這一塊內容難以掌握；而在學習化工過程分析與合成時，由于缺乏實際演練，學生同樣對循環回路斷裂的學習停留在紙上談兵的層面。如果教師通過乙苯脫氫案例將二者有機結合起來，將序貫模塊法理論和Aspen模擬進行集成教學，會使得學生輕松掌握序貫模塊法的理論及其在Aspen模擬中的實際應用。在課程實踐教學過程中也可與Aspen Energy Analyzer關聯使用，在流程模擬的基礎上對過程系統的換熱網絡夾點進行分析[4]，講解最小傳熱溫差、冷熱組合曲線等概念，并提出換熱網絡設計方案。如果課時有限，可以錄制微課視頻，方便學生課后自主模擬練習，加深認識。將Aspen Plus流程模擬軟件應用于教學中，不但可以加強學生模擬軟件的應用能力，也可讓學生了解實際工程案例在軟件模擬和優化中的應用，使課程緊密聯系化工生產實際過程，提高學生的自主創新能力和工程實踐能力。

設置工程大作業，理論結合實際。為了強調生產實際與專業背景知識的結合，培養學生團隊協作與創新理念，給學生布置天然氣制甲醇精餾過程模擬與分析、甲醇提純過程模擬與分析、氯化石蠟廢酸利用等方向的分組任務。學生組成學習小組，自主選擇工程案例，通過調研文獻資料、確定工藝流程、過程軟件模擬與優化、編輯撰寫研討論文、PPT制作及匯報等過程，提升學生的綜合能力。每個學生在小組中均有不同分工，同時啟動小組互評模式，不僅可以激發學生的學習興趣，變被動學習為主動學習，使學生對本課程的學習印象更為深刻，而且有利于增強學生的團隊協作精神、創新實踐能力和工程實踐能力。

4 結語

對標工程教育專業認證，針對化工過程分析與合成課程傳統教學中存在的理論性強、數學要求高、抽象，學生運用所學知識解決實際工程問題和復雜工程問題的能力較弱等問題，我們通過對本課程進行教學設計、構建及實施，提出注重工程實踐能力培養的新型教學模式，全面推進和深入課程的教學改革。在教學過程中，引入“以學生為中心，以成果為導向”的OBE教學理念，對教學目標、教學方法、課程考核方式和評價體系進行教學設計；教學內容從“以教材”為中心向“以工程案例”為中心轉變；編制切實可行的教學執行大綱，建設網絡課程平臺，實行線上線下混合式教學，設置工程大作業，應用Aspen Plus流程模擬軟件進行課程實踐教學，理論結合實際，復合式教學模式培養學生設計/開發解決問題的能力。