基于工程能力培養(yǎng)的化工專業(yè)設計類課程改革實踐*

王小艷，常文貴，徐光年

(皖西學院，安徽 六安 237012)

工程實踐能力是對應用型化工專業(yè)人才的基本要求，表現(xiàn)為既有扎實的學科理論基礎，又具備與生產(chǎn)實際緊密聯(lián)系的工程意識和創(chuàng)新思維。其中化工設計類實踐課程是實現(xiàn)工程實踐能力培養(yǎng)目標的重要的課程體系[1]。在教育部新修訂的化工類教學質(zhì)量國家標準中將化工設計列為四種基本的綜合實踐教學環(huán)節(jié)其中之一。指出“化工設計實踐課程是培養(yǎng)學生工程設計能力的重要實踐教學環(huán)節(jié)，是對多門相互聯(lián)系的基礎課、專業(yè)基礎課知識的綜合和實踐應用，該環(huán)節(jié)可培養(yǎng)學生的團隊意識和協(xié)作精神，提高其綜合應用各方面的知識和技能解決復雜工程問題的能力”。

與傳統(tǒng)的工科院校和綜合性大學相比，地方院校化工專業(yè)辦學時間相對較短，專業(yè)定位、專業(yè)特色有待于進一步彰顯，課程設置過程中往往存在大而全或者因人設置、因條件設置等情況，這對專業(yè)特色化發(fā)展、個性化發(fā)展是極其不利的。化工設計實踐類課程主要包括化工原理課程設計、化工設備課程設計、化工系統(tǒng)工程課程設計、化工CAD課程實踐等多個實踐課程的一個綜合性課程群組。傳統(tǒng)的化工課程設計類課程按照以上的模式開設獨立的理論和課程設計相關課程。各學校學院依據(jù)自身的優(yōu)勢在課程設計的出題方面有所側(cè)重。在化學工業(yè)中，化工設計都是工程建設的基礎，設計過程是將研究開發(fā)的技術及過程開發(fā)的成果轉(zhuǎn)以工程數(shù)據(jù)、圖紙、文件等等形式呈現(xiàn)，要求設計者具有一定的化工設計基本知識和技能和一定的工程實踐基礎。化工設計類課程正是為了培養(yǎng)化工專業(yè)的學生能綜合運用多門理論課程中的的基本理論和基本方法，聯(lián)系生產(chǎn)實際，進行初步設計，提升專業(yè)綜合能力和實踐應用能力[2]。近年來，我國化工行業(yè)的發(fā)展令人矚目，新能源、新材料能分支也蓬勃發(fā)展，行業(yè)需求也日益增長，國內(nèi)一流的化工設計院所，通過引進項目、消化吸收國外先進技術，開發(fā)和設計水平已接近國際先進水平，在與高校的聯(lián)系合作中也間接推進了高校化工設計課程建設、完善和發(fā)展[3]。

現(xiàn)有的化工設計類課程體系在培養(yǎng)學生的工程能力和應用能力方面存在著斷層、重復交叉、資源未有效充分利用等方面的問題。重新整合化工設計類課程，將化工設計類課程進行綜合改革是化工教改非常重要也必要的一個方面。綜合后的化工設計課程立足于化工學科的工程技能訓練，有效整合《化學工藝學》、《化工原理》、《化工設備基礎》、《化工過程分析與綜合》和《化工CAD》等課程的課程設計內(nèi)容，通過合理的設置化工項目的要求學生分組，以團隊形式進行設計實踐。引導學生學習并掌握化工專業(yè)的設計方法、熟練掌握模擬軟件、作圖工具等。學生在實踐過程，學習現(xiàn)代(化工專業(yè))設計方法與設計工具的使用方法，了解計算機輔助化學工程設計的基本步驟，初步掌握使用Aspen Engineering Suit軟件進行化工過程、換熱設備和塔設備設計，使用Intergraph Smart Plant 3D軟件進行化工裝置三維建模設計，使用AutoCAD繪制化工流程圖、塔設備圖、車間布置圖、工廠總平面圖的方法和技能，使用Aspen Process Economic Analyzer軟件進行成本估算，了解化工設計工作程序、工作內(nèi)容、設計文檔編制方法，從單元操作模擬、設備選型到完整流程模擬，再到化工廠設計全過程[4]。課程的實踐教學培養(yǎng)了學生綜合運用化工熱力學、化工原理、化學工藝學、化學反應工程、化工機械設備、化工儀表與自控等化工專業(yè)基礎理論解決具體工程問題的能力，符合培養(yǎng)應用型人才的需求。

以皖西學院為例，自2011級開設化工原理課程設計、化工設備機械基礎課程設計、化工CAD課程實踐，2014級開設化工系統(tǒng)工程課程設計、2015級開設化工設計課程實踐以來，調(diào)研發(fā)現(xiàn)：

(1)部分課程設計與理論課同步開設，學生在未完整的系統(tǒng)的學習設計要求的情況下完成的設計內(nèi)容不規(guī)范，設計內(nèi)容單一。

(2)多門設計課程內(nèi)容雖然各有側(cè)重，但有重復的現(xiàn)象。

(3)各門設計實踐課程獨立開設，學生沒有對完整的項目進行設計實踐的經(jīng)歷，不利于工程能力的培養(yǎng)。

鑒于當前化工課程設計類課程開設的現(xiàn)狀，從以下方面進行改革實踐和探索，形成可輻射性經(jīng)驗。

1 化工設計類實踐課程之間的融合

化工課程設計類的課程的課程體系大多是按設計知識單元劃分，涵蓋單元操作、設備設計、CAD制圖、換熱網(wǎng)絡設計、流程設計等。學生依托理論課中的知識針對單元操作及其設備進行簡單的物料衡算、能量衡算和設備選型計算。這個過程固然對學生的理論知識得到檢驗，對單元操作有進一步理解，但是缺乏系統(tǒng)設計的訓練，而且往往因為設計目標脫離實際項目，導致學生在課程設計過程中缺乏工程實際的考量；學生完成階段性設計從而與工藝過程脫節(jié)，將知識孤立化和碎片化，在設計過程中不利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)和綜合分析問題能力，導致工程設計能力弱化的現(xiàn)象。在實踐課程教學過程中，加強現(xiàn)有的課程設計類實踐課程的有機融合，減少重復交叉、資源未有效充分利用等方面的問題，通過面向具體化工項目的設計實踐來引導學生學習并掌握化工專業(yè)的設計方法、工具和思想。設計類課程協(xié)同教學的模式實現(xiàn)了階段設計與畢業(yè)設計的有效結合，加強了設計內(nèi)容的系統(tǒng)性、綜合性和規(guī)范性。針對課程設計類課程之間的融合，可以有效的利用課程設計內(nèi)容項目化，加強設計內(nèi)容的系統(tǒng)性、綜合性和規(guī)范性，學生則采用分組協(xié)作，在一定的時間內(nèi)完成一個相對完整工程項目設計，開展原料、產(chǎn)品方案選擇、設備設計選型、工藝方案設計、車間設計、經(jīng)濟分析與評價和環(huán)境評價等，最終完成完整的初步設計[5]。在此過程中不僅培養(yǎng)了學生的工程設計能力和團隊協(xié)作精神，而且提升了他們解決復雜工程問題的能力，達到應用型人才培養(yǎng)的目標。

在實踐過程中總結出實現(xiàn)融合的途徑和方式：形成“師資團隊共同協(xié)作、理論基礎長程統(tǒng)一、課程設計項目化”綜合后的化工課程設計課程體系將有很大的改變，如設計實踐環(huán)節(jié)的融合，理論和生產(chǎn)設計實際的對接等。形成完整的項目設計，更好的對接工程實際，有效的培養(yǎng)學生的工程能力。

2 化工設計類課程與其他實踐類課程融合

以企業(yè)認識實習-校內(nèi)化工專業(yè)仿真實驗-化工專業(yè)實訓為學生工程能力進階式培養(yǎng)脈絡的的化工實踐教學環(huán)節(jié)，對課程設計有很好的支撐作用。

化學工程與工藝的學生通常都需要參加認識實習，期間要求學生掌握所實習工段的生產(chǎn)流程、工藝原理及操作方法，了解主要設備的類型、安全生產(chǎn)措施，了解生產(chǎn)中“三廢”的處理方法和利用情況，了解車間的生產(chǎn)管理制度。通過實習過程在實際生產(chǎn)環(huán)境中有效的培養(yǎng)學生工程意識。但目前工廠顧及安全與效益，一般不允許學生動手操作，以參觀、討論為主，因此校內(nèi)仿真實驗中心和工程訓練中心的建設尤為重要。

仿真實驗中心一方面采用實物仿真裝備和實訓軟件的混合體系架構，將單元操作的化工裝備按一定比例制作，具備真實裝備所具有的相關結構、功能，學生可以分小組根據(jù)實驗原理自行設計實驗過程，調(diào)試實驗參數(shù)，探索實驗結論。然后根據(jù)設計流程進行仿真裝備實驗，再結合實際實驗裝置親身操作，同時將實驗得到的參數(shù)進行仿真實驗優(yōu)化，再進行實驗驗證，實現(xiàn)仿真實驗和實際實驗操作之間的有效真實互動。在這樣積極的互動過程中能讓學生進一步理解過程系統(tǒng)優(yōu)化的內(nèi)涵，充分提升學生解決實際工程問題的能力。通過逼真的仿真教學系統(tǒng)，使學生不出校門便能了解實際生產(chǎn)裝置，并能親自動手反復操作，將所學專業(yè)知識和實際生產(chǎn)緊密地結合在一起充分激發(fā)學生的學習興趣。學生在按照步驟操作的同時需要用用理論去分析實際問題，解決實際問題。

在實踐教學環(huán)節(jié)中，虛實結合的原則，強化仿真實驗中心和工程訓練中心的建設，以皖西學院材化學院化工專業(yè)為例，當前學院已建成“省級仿真實訓中心”和工程實訓中心，其中仿真實驗中心依托虛擬現(xiàn)實、仿真裝備與多媒體技術，融合多種互動硬件與數(shù)據(jù)庫，可以對化工單元操作、工藝流程的各個真實環(huán)節(jié)進行模擬仿真，將不可視的場景形成安全操作的二維或三維虛擬場景，實現(xiàn)對作業(yè)崗位職能及工藝的可視化模擬。學生在虛擬的崗位進行提前預演，在工程實踐中提高學生工程實踐能力、 提升就業(yè)素質(zhì)和競爭能力。

通過認識實習、仿真實訓，學生已經(jīng)逐步形成工程設計理念，具備一定工程實踐能力，在課程設計過程中遇到工程設計問題能更好的自主解決，設計結果更符合生產(chǎn)實際。

3 化工設計類課程與競賽融合

全國大學生化工設計競賽是面向高校化工專業(yè)、規(guī)模最大、影響最大的化工學科專業(yè)競賽，至今已舉辦十五屆了，在培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力、團隊協(xié)作精神等等方面都有非常重要的作用，符合工程認證的要求，每一年精心選擇貼合當前化工行業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品需求的設計目標，制定相關的設計任務[6]。參賽多年來我們以開展化工設計競賽為手段，培養(yǎng)學生實踐能力，創(chuàng)新能力和團隊精神，在完成產(chǎn)品和技術的研發(fā)，流程和裝置的設計，工廠設計和經(jīng)濟分析，環(huán)保設計運行方案等過程中，鍛煉將理論知識轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造新的技術成果的能力。通過競賽過程進行工程能力培養(yǎng)的實踐探索。競賽的宗旨和課程設計的培養(yǎng)目標具有高度的重合性，所以也探索了課程設計與競賽融合，擴大競賽的參與面，提高參與的積極性，能更好的以賽促教、以賽促學。在課程設計與競賽融合我們發(fā)現(xiàn)：一方面推動課程設計教學改革，提升教師競賽指導水平和課程設計的指導能力；一方面學生為帶著在課程設計和競賽中遇到的問題，進行理論學習和探索學習，拓展了理論學習的廣度和深度，也強化了學生自學能力。指導競賽的教師一般都擔任課程設計的指導工作，在課程設計出題、設計內(nèi)容、設計方法等多方面更容易把控，實現(xiàn)兩者之間的融合。在具體的教學

過程中通過整合設計實踐課程，以完整的項目作為課程設計任務，學生需要進行流程設計、單元操作設備設計、換熱網(wǎng)絡設計、經(jīng)濟分析與評價等。通過改革后的課程設計教學實踐過程，大多學生對參加設計競賽有了一定的信心，對后續(xù)完成畢業(yè)設計奠定了堅實基礎。

4 結 語

在化工專業(yè)設計類課程改革實踐過程中，積極探索改革模式：通過化工設計類實踐課程之間的融合，有效的整合師資和其他教學資源，形成“師資團隊共同協(xié)作、理論基礎長程統(tǒng)一、課程設計項目化” 實現(xiàn)融合的有效途徑和方式；通過化工設計類課程與其他實踐類課程融合，結合進階式化工實踐教學環(huán)節(jié)，提升設計能力；通過化工設計類課程與競賽融合，不但能正向以賽促教、以賽促學，還能逆向提高化工設計競賽水平。通過化工專業(yè)設計類課程改革，為達成工程能力培養(yǎng)目標提供了有效的途徑，提升應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。