工程教育專業認證背景下的“化工設計”課程教改探索*

孫映暉，解瑞俊，劉俞辰，米亞策，陳天嘉，李 艷，李 媖

(內蒙古工業大學化工學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

隨著化學工業的發展以及化工行業對化工設計、施工和化工產品生產要求的提高，相關行業對工程技術類人才的要求也在進一步提高。對于化工專業的本科生而言，想要做好設計方面的工作，在校期間需要培養正確的設計理念和相應的化工技術與綜合運用所學知識解決實際工程問題的能力，進而提高學生的綜合素質，讓其從大學生轉變為一名優秀的工程師。化工設計作為化工專業的必修課，是對化工原理、分離工程、化工熱力學以及化學反應工程等專業核心課程的綜合應用。化工設計課程對于化工、制藥等相關專業的學生在畢業后從事化工廠的設計、建設、設備的正確選型、工藝路線的改進以及在設計和生產過程中發現并解決遇到的問題至關重要。同時，化工設計課程也是一門將技術和經濟緊密結合的科學，它將從我國建設的根本利益出發，從符合我國技術政策和經濟政策出發，能夠最合理、最有效地將資源綜合利用，盡可能吸取最新的科研成果，達到經濟上的最大效益[1-2]。新工科背景下以及最新工程教育認證都強調化工專業培養的學生要掌握最基本的設計原理和相關設計技能，能夠在畢業的時候對復雜工程問題的解決提出基本的方案，同時對系統的工程也要有初步的設計能力。因此，為了推動高等教育事業的發展與創新。在化工設計課程教學中不僅要讓學生掌握基本的專業知識，同時也要不斷培養學生的工程設計以及實踐創新能力。

化工設計課程具有較強的綜合性和系統性，要求學生對前序課程要有較好的掌握程度。課程所包含的專業內容比較全面，學生在該課程中需要掌握的內容包括生產工藝流程的選擇、物料衡算、能量衡算、工藝流程圖繪制、設備布置圖繪制、設備選型以及安全環保和經濟分析等等。其次，該課程與工程實際結合的較為緊密，注重實際操作訓練，在授課過程中注重以項目為導向的教學模式和行動學習式的教學模式相結合[3]。化工設計課程較為系統地講授了化工過程設計的基本內容、基本原理、設計規范和方法，比較系統地介紹我國現行化工行業的設計標準和規定。化工設計課程講授的目標旨在培養學生運用專業知識解決實際工程問題的能力和綜合工程素質，培養學生構建綠色、安全、節能、環保的設計思想和設計理念，培養學生的工程責任和工程理論[4]。本課程最終的學習目標是讓學生能夠完成完整工藝流程的可行性分析，確定生產工藝路線，并對生產工藝流程進行設計。尤其是能夠在設計數據不完整或最初設計定義不明確的情況下能夠對整個工藝過程給出預期的判斷，應用專業所學知識和技能解決設計過程中遇到的困難。同時，要求學生要有團隊合作意識，能有效地利用團隊中的每位成員，充分發揮團隊成員的優勢，通過團隊內每位成員的協同合作完成整個工藝生產流程的設計。

1 化工設計課程教學現狀

目前傳統的化工設計教學由于學時較短，無法詳細講解化工行業涉及的所有標準和規范，課堂上單純地講解設計標準和規范也容易造成學生學習興趣低下，學習效率較低。雖然前期課程中學生已經學習了許多專業基礎知識，但是學生對工程問題的直觀認識和深刻體會還存在一定的欠缺，尤其是對完整工藝流程的設計、車間與車間之間的銜接，安全環保問題的深刻分析還存在很大的不足。并且大部分學生還缺少在化工生產企業的實習經歷，因此對課堂上所講解的有關車間和設備布置的標準規范理解比較困難。此外，由于目前學院只開設了制圖軟件和工藝流程計算相關的兩門軟件應用課程，學生對化工計算軟件的使用能力也比較薄弱，對設備選型和計算也存在一定的不足。最后，現有課程的考核方式也不能夠全面反映學生對化工設計課程內容的掌握情況，期末考試考察的內容更多的是一些標準規范的考核，而對于工藝流程的設計和工藝流程計算方面的考察相對較少[5]。基于上述問題的存在，考慮對化工設計教學提出以下幾個方面的改革措施。

2 化工設計課程教改方案

2.1 改進教學方法

目前化工設計的授課方法主要是以老師和學生之間進行面對面的交流互動為主，沒有給學生留下足夠的時間讓學生無論是以小組還是個人的形式進行自我學習。針對目前的這種授課形式以及難以調動學生學習的主動性等問題。首先要創新授課方法，優化化工設計課程的講解方式。在課程的講授過程中要以學生為主體，以解決實際問題為導向，以提高學生的能力為核心，通過在課堂教學中引入實際案例來提高學生對工程實際問題的重視程度，增加對實際工程問題的認識能力[6]。課堂上通過布置經典的化工設計案例，分組教學，讓學生結合所學的理論知識進行討論與交流。老師應當將更多的設計項目以小組的形式下發到學生手中，讓學生通過查閱資料，相互討論的形式完成一個完整的設計任務。例如進行反應器的選型計算，生產車間的布置等，這些均可以提高學生的學習動力，課后多與學生交流探討，進一步強化和鞏固學生對理論知識的掌握程度[7]。在學生設計過程中教師應及時對遇到的問題進行答疑，一方面能夠發現學生哪方面的知識比較薄弱，其次也能夠真正掌握學生的學習動態。分組教學過程中團隊成員間分工要明確，團隊間協作共同完成一個作品。

課程考核方式也是教學改革的重要組成部分，為了提高學生學習過程的主動性，擴大平時成績占比。學生的考核評分需包括教師評分和團隊評分兩部分，這樣既可以保證團隊內不同成員依據自己在團隊內貢獻程度的不同獲得不同的分數，同時也可以為后期學生參加化工設計大賽奠定一定的基礎[8]。授課初期將學期內確定的設計任務以團隊的形式分配下去，小組內成員共同完成項目的可行性分析以及工藝流程設計環節中的所有任務。最后所有同學均需完成設計報告的撰寫，具體任務和參與形式見圖1所示。這一過程不僅能夠提高學生將所學知識應用在項目的設計過程中，同時每位同學就團隊的總體目標達成一致，能夠充分發揮每位學生在團隊中的作用。學生必須說明各自將如何支持團隊的工作，并就在項目設計過程對自己所承擔的任務、扮演的角色和完成的成果作出詳細說明，以便后期給每位學生合理的過程評價。

圖1 化工設計項目任務分配以及內容結構圖

2.2 強化實踐能力培養

針對本專業學生畢業設計環節提交的工藝流程圖(PFD)、管道儀表流程圖(PID)以及設備布置圖存在規范化程度相對較差等問題，在化工設計這門課程講授過程要不斷強化學生對相關標準規范的掌握以及圖紙規范化能力的訓練。一方面是授課過程中結合設計圖紙樣本和具體標準規范強調學生容易出錯的地方。歷屆化工設計大賽的參賽作品就行很好的案例，在課堂中穿插一些獲獎作品案例和圖紙作品可進一步提高學對課程內容的掌握情況。其次是加強學生圖紙繪制方面的訓練，在課程結束階段對學生參與的設計項目所提交圖紙進行綜合評價。老師對學生提交的圖紙進行注釋，以幫助學生在容易出錯的地方進行糾正[9]。

積極鼓勵并倡導學生參加相關的設計大賽。通過鼓勵學生參加化工設計大賽不僅可以檢驗目前的教學效果，為課程的設計和調整提供有效的指導。此外，通過參加比賽也可以調動學生學習的主動性，提高學生的創新精神。在日常的授課中借助學校網絡平臺，讓學生了解歷屆化工設計大賽的參賽情況，通過比賽讓學生認識并了解如何將學到的專業知識運用到現代化工工程的設計當中[10]。也可以借助學院的校企合作平臺，讓企業的工程師通過線上教學的形式介紹現代化工廠的設計規范和標準以及現代化工設計所需要考慮到安全與環保的相關問題。在競賽過程中，企業也可以提供相關方面的技術人員作為參賽學生的指導老師。一方面，競賽可以作為為企業輸送和培養人才的很好機會，同時企業也可以通過競賽充分了解學生的學習情況；另一方面，企業指導老師也可以在競賽過程中發現學生對專業知識的掌握情況以及對專業知識的靈活運用能力等問題，最后針對大部分學生存在的問題對現有的培養方案作出適當調整。在后期的畢業設計中，我們也可以通過學校導師與企業工程師合作的形式共同參與指導學生完成畢業設計。

2.3 加強設計軟件的應用

目前化工設計課程要求教師以及學生對各種軟件的掌握情況提出了更高的要求。學生需要熟練掌握各種制圖和計算軟件以便為工程設計提供更多的便利[11]。例如，在對工藝流程進行設計時學生需要經常用到的流程模擬軟件有ProⅡ、Aspen Plus和Aspen HYSYS等；進行物料和熱量衡算時用到的軟件有Aspen Plus、Matlab和Visual Basic等；繪制圖表常用的軟件有Auto CAD、Smart Plant 3D和3D Max等。對于大部分學生而言，只有完成一個完整工藝項目的設計后才能對這些軟件有熟練的應用。在現代化工設計中不論是工藝流程設計、化工計算、車間設備及管道布置、技術經濟分析還是環境分析與安全評估都會用到一些計算機輔助軟件。除了專業設置的Auto CAD和Aspen Plus必須課以外，其它有關設計軟件應用的課程基本都沒有開設。所以學生很難從我院目前開設的Auto CAD和Aspen Plus兩門課程上系統掌握化工設計軟件的具體操作與應用技巧。尤其是在工程教育認證背景下，要求學生對現代設計工具的掌握與應用提出了更高的要求。為了適應化工設計中對大量現代設計方法以及設計工具的應用，在化工設計課程授課的過程中要不斷穿插一些相關設計軟件的應用，調整出幾個學時來介紹部分軟件的應用，在課后要適當加大學生對各種軟件的使用力度。

由于化工設計涉及的專業知識比較全面，可以適當增加課時量，在課堂上直接對學生進行設計的規范化訓練，并對大家容易出現的各種問題進行探討和分析，提高學生探索、分析和解決問題的能力；最后借助學院為年輕教師提供的校企合作平臺，年輕教師通過在化工設計院半年時間的實習培訓與學習，從而增加新教師的生產經驗，提升自己的工程設計能力，把工廠設計的基本要求以及設計的步驟、內容融入到課堂教學中，同時要把企業內團隊的合作精神和工程意識要在化工設計教學中體現出來[12]。此外，還可以讓企業的專家到學校進行講座，講解一些常見的化工設計和模擬計算軟件在實際設計過程中的應用，讓更多的學生不出校門就可以了解到化工設計在實際生產中的應用。

3 結 語

面向新工科背景下提高工程應用型人才培養質量的要求，本文圍繞提高化工專業人才培養質量這一核心，對化工設計這樣實踐性較強的專業課程改革進行構思，從引進化工設計實例，豐富課堂教學方法，強化設計軟件學習，從重視講授課程知識的內容和模式轉變為培養學生綜合素質與工程實踐能力上進行改革，以培養學生的工程設計和產品開發能力，提高學生的團隊合作意識和實踐動手能力為出發點，著重培養新時代工科背景下的卓越工程師。