基于創新理論的化工設計教學改革初探*

徐環斐，高 揚，卜秋祥

(1 青島科技大學化工學院，山東 青島 266042；2 山東三維石化工程股份有限公司青島分公司，山東 青島 266071；3 青島科技大學教務處課程中心，山東 青島 266061)

習近平總書記在2021年5月28日出席中國科學院和中國工程院院士大會上指出：“高水平研究型大學要把發展科技第一生產力、培養人才第一資源、增強創新第一動力更好結合起來，發揮基礎研究深厚、學科交叉融合的優勢，成為基礎研究的主力軍和重大科技突破的生力軍。”因此，高等學校應當勇于擔當此重大使命，從最基礎的教學為落腳點之一，發揮創新理念指導高等學校教學的優勢，促進高質量本科生教育和高水平科技創新聯動發展，為實現打好核心技術攻堅戰以解決“卡脖子”科技難題夯實高等教育對人才培養過程中教學環節的堅實基礎。

1 化工與化工設計簡介

化工行業是涉及到國家戰略發展和人民日常生活的重要行業[1]。化工產品從各領域為國民經濟提供了重要支持。化工產品的生產具有一定的專業特點，因為涉及到特定的反應條件和特定的試劑助劑催化劑等，因此對化工產品生產的場所的設計優化也就是化工廠設計優化在推動整個行業發展的進程中起到至關重要的作用。化工設計按照不同的角度可以劃分為不同的類別；在化工設計這門課程中，重點講授如何進行新建工廠的設計。從撰寫各類設計文案如項目建議書、可行性研究報告等學習化工設計的基本流程；從廠址選擇開始到投產試運行到技術經濟指標分析學習化工設計的具體環節；具體包括了生產方法的選擇、生產工藝流程、化工計算、設備的選型和設計、車間布置設計、管道布置設計、非工藝專業設計、技術經濟分析等內容。

化工設計這門專業課的名字是有兩部分組成的，其中一部分是化工，一部分是設計。設計二字帶有創作的含義；在學術界，“設計”的概念多被概括為對某一事物的構想和規劃，并將腦海中的構思輸出變成現實。設計本身是具有創造性的活動，是需要創新思維的。而化工二字將設計進行了限定，表示此設計內容必須要符合化工行業的規范，化工領域的標準。因此，如何在化工行業基本要求下，進行創造性的設計，以提供優質的化工廠設計方案是本門課程的教學難點和痛點。基于創新理論的化工設計教學改革將嘗試解決這一難題。

2 基于傳統創新方法的化工設計教學改革

創新作為一種理論[2-3]，可追溯到著名的哈佛大學教授熊彼特在《經濟發展理論》中提出的一句話，“創新是指把一種新的生產要素和生產條件的‘新結合’引入生產體系”。創新理論逐步發展壯大，形成不同的創新方法[4-5]。在本章節以傳統創新方法中的和田十二法、奧斯本檢驗法、5W1H法等與化工設計課程相結合，進行教學改革探索。

2.1 基于和田十二法的教學改革

和田十二法，又叫“和田創新法則”或者“和田創新十二法”；是我國學者許立言、張福奎在奧斯本檢驗法問題表基礎上，借用其基本原理，加以創造而提出的一種創新思維方法。由于其首先在和田路小學進行了實踐運用，因此成為和田十二法。其具體內容是“加一加、減一減、擴一擴、縮一縮、變一變、改一改、聯一聯、學一學、搬一搬、反一反、定一定”。

以化工設計中的管道布置為例進行此方法與教學的結合。化工廠中的管道布置具有重要意義，化工廠的管道就如同人身體的血管，人體的血管聯通各個器官，化工管道聯通化工廠的各個設備，是重要的物料輸送能量輸送方式。學生可通過和田十二法進行定向深入分析：比如某車間某工段工序的管道能否加一加，即是否需要加高、加厚、增加性能模塊，如防腐蝕、隔熱層等。化工管道能否減一減，即能否縮減此處管道的總長度、能否縮減管道上的閥門數量、能否縮減管道上的某些自動化調控數量等。管道的布置涉及到物料的具體特性，易燃易爆的管道能否縮一縮，能否壓縮數量體積或者微型化處理。管道的安全閥門、防爆膜、阻火器、水封等能否變一變。現有管道是否存在不足，能否改一改更加合理和高效。通過聯一聯思路，管道和設備之間的聯系，以及管道和管道之間的聯系能否產生創新性的設計。通過模仿別的結構特點，進行學一學的管道結構和功能創新。管道容易出現氣袋、口袋和盲腸等問題，因此在設計初期能否根據反一反的思路進行逆向思維，從另外一個角度去思考管道設計問題進行創新性設計。采用代一代的指導思想，引導學生思考某部分管道能否采用別的設備的一部分進行替代、某幾個管道能否用別的管道進行替代保證原有功能。采用搬一搬思路引導學生考慮目前管道能否移作他用，能否產生新的效應和技術。管道設計有行業內的標準，比如化工裝置管道布置設計規定，在案例分析過程中，采用定一定的思路，引導學生思考為什么需要遵循管道設計的標準或者規定，如果不遵循某條行業規定，可能會出現什么樣的后果。

2.2 基于奧斯本檢驗法的教學改革

上述和田十二法是根據奧斯本檢驗法延伸形成的。奧斯本檢驗法或者稱為奧斯本檢驗表法是以該方法的發明者奧斯本的名字命名的。該方法在創新領域非常受歡迎，被稱為創新方法之母。它強制人去思考，有利于突破一些人不愿提問題或不善于提問題的心理障礙。提問，尤其是提出有創見的新問題本身就是一種創新。具體包括以下九部分內容：能否改變、能否借用、能否他用、能否擴大、能否縮小、能否替代、能否調整、能否顛倒、能否組合。

以化工設計中的發展用地為例進行此方法與教學的結合。發展用地可以簡單的理解為在化工廠的總圖設計中，平面區域并不完全被占滿，預留出一片空地，此空地用于未來化工廠的發展，因此叫做發展用地。在發展用地設計的過程中引導學生采用此方法思考發展用地能否進行以下九部分內容的調整。發展用地能否改變，更詳細一些，發展用地能否改變功能，能否改變形狀，能否改變具體位置等。發展用地能否借用，更具體一些，發展用地能否被用作暫時儲存空間，能否被工藝管道借用通過其上方空間或者地下空間，能否被公用工程管道借用穿過其區域。發展用地能否擴大，更深入一些，發展用地的面積能否擴大或者縮小，擴大或者縮小后整個廠區的總圖布置發生了怎么樣的改變，對技術經濟指標的影響是什么，如果面積能擴大或者縮小，具體采用哪種長寬比的擴大方式，和周圍車間和管道的位置關系有無需要調整的地方。發展用地能否替代，換個角度說，能否在化工廠里面沒有發展用地，或者別的車間替代其功能。發展用地能否調整和顛倒，發展用地能否調整比例，能否顛倒位置、顛倒作用等。發展用地能否組合，是設計一個位置的發展用地還是設計多個位置的發展用地，這些不同的發展用地能否集中成一個，或者一個位置的能否分散成多個發展用地，他們之間的相互關系如何確立等。在學生利用此方法回答以上問題的過程中，督促了學生進行主動思考，有助于學生探究發展用地的設計初衷，并強化了學生對發展用地知識點的掌握和理解。

2.3 基于5W1H法的教學改革

5W1H法又稱為六個為什么方法，或者六何方法。是一種深度剖析問題的創新方法。其中5W1H分別是why、what、where、when、who和how的首字母。這個方法可以用一句話來總結，即是對選定的項目、工序或操作，都要從原因、對象、地點、時間、人員、方法等六個方面提出問題進行思考。

以化工設計中的事故水池為例進行此方法與教學的結合。事故水池又稱為事故應急水池，是化工企業在發生事故、檢修等特殊情況下，暫時貯存排除廢液的水池。是化工廠設計過程中需要注意的具有消防、防腐、防洪功能的應急區域。按照5W1H創新方法，引導學生們進行創新性思考，解決六個為何問題。(1)解決這個事故水池的what問題，即這個水池是處理具體什么事情的，事故發生之后化工廠會有什么情況，化工廠存在事故水池和沒有事故水池有什么區別或者后果，并讓同學們舉例進行說明。(2)解決這個事故水池的where問題，即這個事故水池需要放置在化工廠的具體什么位置，需要靠近什么車間，具體需要靠近的車間有什么特點；化工廠的區域分為平面和立面，平面這個水池需要占地多少面積，立面這個水池需不需要進行溢流堰的設置，如果需要，溢流堰需要設置多高。(3)解決這個事故水池的when問題，即這個水池在什么時候起到作用，既然稱為事故應急水池，起作用的時候和不起作用的時間占比大約是多少，在沒有發生事故的時候，這個水池有沒有其他的作用，這個作用是否影響其位置的確定。(4)解決這個事故水池的who問題，即這個水池是為誰服務的，是為緊急事故廢水服務的，服務的這個廢水特點是什么，可能具有什么物化性質，可能具有怎樣的流量速度和總量，這些是否和廢水來源的設備或者管道有關系。(5)解決這個事故水池的why問題，即這個水池為什么需要這個技術參數，為什么非要這樣設計，換個別的設計形式行不行。(6)解決這個事故水池的how問題，即這個水池怎么設計，怎么設計效果更好，怎么設計效率最高，怎么設計最省人力物力財力，怎么設計最有利于這個化工廠的總的技術經濟指標，怎么設計能避免失敗，怎么設計能最大限度的發揮價值。

2.4 基于信息交合法的教學改革

信息交合法，又可以稱為“要素標的發明法”，或稱為“信息反應場法”。信息交合法是一種在信息交合中進行創新的思維技巧，即把物體的總體信息分解成若干個要素，讓這些要素進行兩兩相交使得不同的信息進行聯系，將孤立的零散的信息形成網狀結構，可以發散思維，進行創新設計。

在化工設計課程內容中，設備的選型和設計是非常重要的一個環節，特別是針對具體的反應條件、反應熱效應、反應物產物的物理化學性質，核心反應設備有時不能通過選型完成而是需要自行設計。可以通過信息交合法引導學生進行設備的設計。比如將分散的設備需求點進行交合，整合成為具有多種功能的集成設備；設備需要比表面積大、換熱好、混合均勻、分離效果好等需求點，在此方法的指導下，學生將有目的地去思考能否采用換熱器、混合器、反應器、控制器等集成在一起的微反應器實現？具體怎么操作，是選擇錯流還是逆流；怎么實現單位體積的高通量操作；如何通過調整形狀實現設備內部比表面積的增加；如何實現微反應器內的裝置的聯通等，在此方法引導下，學生選擇重要的要素進行兩兩相交獲得不同的信息關聯，最終為化工廠的特定反應設計具有集成功能的微反應器。

3 結 語

創新是發展的靈魂所在，在高等學校專業課教學中培養學生的創新思維具有重要的意義。化工學科專業課化工設計是一門基于專業背景的設計課程，培養學生在化工行業標準和規范下進行具有創新性思維的創造有助于提高學生的化工工程師素養。將創新理論和化工設計課程有機結合，進行基于創新理論的化工設計教學改革初探能夠提高教學水平，更好地達到教學目標。