化工相關專業“化工分離工程”課程的教學思考與實踐*

呂 楠，鄭 勝，張譽騰，王帝淞，楊春華，李 強

(東北電力大學 化學工程學院 能源化學工程專業，吉林 132012)

2019年，新工科建設進入越來越多高校的視野，樹立學生中心，產出導向，持續改進的理念，對化工專業人才培養提出了更高要求[1-2]。課程是人才培養的核心要素，是實現學生培養目標和畢業要求的依據和載體，是保障和提高教育教學質量的關鍵?；し蛛x工程是化工類專業的核心專業課程，具有較強的綜合性和工程應用性，在化工專業人才培養中占有重要地位。化工分離工程課程內容綜合性強，要求具備“物理化學”“化工原理”“化工熱力學”等多學科基礎知識，同時公式多、計算量大，要求具備一定的高等數學基礎。因此，在傳統教學方式下，化工分離工程課程存在著教學理念陳舊、教學方法與教學內容不匹配、考核評價方式單一等多方面問題[3-5]。

本課題以能源化學工程專業的必修課“化工分離工程”為研究對象，結合“新工科”建設的要求，討論“化工分離工程”教學方法改革對以學生為中心和成果為導向的積極作用和效果。在“新工科”建設的新要求下，結合實踐經驗，針對分離工程課程特點與教學中存在的問題，從課程內容、教學形式等方面，對課程教學改革進行了探索，提出了建設線上教學平臺、理論與實踐相結合等教學改革措施，培養學生工程能力和工程素養，提高學生的知識運用與創新能力。

1 注重工程實踐能力培養，修訂課程教學大綱

1.1 課程目標的制定與修訂

在能源化學工程專業最新修訂的培養方案中，更加注重工程實踐能力的培養，調整了化工分離工程課程與畢業要求指標點的支撐關系。根據課程對畢業要求的支撐關系制定化工分離工程課程的具體課程目標，以畢業要求達成情況作為主要的修訂依據，課程組基于課程目標評價報告結果進行持續改進。

“化工分離工程”的三個具體課程目標為：①能夠應用所學的相關知識，進行泡點、露點和閃蒸計算，掌握單元和裝置的設計變量的分析方法，能夠對化工生產實際中復雜物系中的分離和提純過程中的組分組成、回流比、塔板數、進料級等相關的問題的進行計算與分析；②根據具體的分離要求，結合目前分離技術的現狀，運用化工分離工程的基本原理，能夠進行工藝流程的設計，并能夠對不同設計方案進行分析與比較；③能夠根據具體的實驗要求，運用化工分離工程的基本原理，選擇合理的研究路線，設計實驗方案，能正確地采集實驗數據并處理分析。課程目標與畢業要求指標點的支撐關系，如表1 所示。

表1 支撐畢業要求指標點的課程目標

1.2 課程內容與考核方式

1.2.1 課程內容重新解構，建立知識體系框架

教學內容是整個教學活動的主體部分，反思教學內容是對理論知識的重新思考和把握，在保證教學內容是以培養目標和畢業要求為導向，符合教學目標和教學大綱的基礎上，對課本上的理論知識重新解構，構架邏輯關系，建立跨章節銜接順暢的知識體系?；し蛛x工程課程由于公式多，計算量大，講授時應該注重由淺入深，由點到面，幫助學生建立課程知識整體框架。例如，由簡單的單級平衡過程引入，讓學生掌握相平衡的理論，相平衡常數、泡點、露點和閃蒸計算等，再進行多組分分級分離過程中單元和裝置的設計變量的分析；之后利用所學的基礎理論和計算方法進行多組分多級過程的分析和計算，從簡單的清晰分割假設引入，讓學生掌握芬斯克公式計算最少平衡級數，再進行芬斯克公式反用使學生們輕松掌握全回流下非關鍵組分分配。課程內容由簡入繁，幫助學生建立自己的課程知識框架和體系，只有真正掌握才能夠綜合應用。同時，及時更新案例，選擇鮮活、飽滿的教學案例，進行重點知識內容銜接，使學生對解決復雜問題產生興趣。最后總結提煉精華，給學生以啟發。幫助同學們建立一套具有科學性、時代性的課程知識內容體系。

根據課程目標進行詳細的教學內容安排，化工分離工程課程分為理論教學和實驗教學兩部分。總學時為 32學時，其中理論 28學時，課內實驗 4學時。

理論教學分為 5 個單元，分離過程的基本概念、分類和特征及展望 (2學時)、單級平衡過程及相關計算(6學時)、多組分多級分離過程分析與簡捷計算(8學時)、多組分多級分離的嚴格計算(8學時)和分離設備的性能和效率(4學時)。實驗教學分為 2個實驗項目，分別為：反應精餾制備乙酸乙酯(2學時)，超純水制備中的分離工藝(2學時)。具體的教學內容和教學方式如表2所示。

表2 知識內容與教學方式

表3 課程目標與評價依據占比關系表

1.2.2 課程考核及評價方式多元化

多元化考核，增加挑戰度，建立完善的過程性考核與結果性考核有機結合的課程考核制度，是人才培養的關鍵一環。從考核與學習評價來說，強調過程性考核，制定嚴格的過程考核指標，考核難度逐漸增強。隨堂測試及時監測學生對基礎理論的掌握情況；設計報告考核，體現學生自主學習能力和創新能力；實驗成績，考察學生的理論結合實踐的動手操作能力；期末試卷著重考察學生的分析和解決復雜工程問題能力。最終，以綜合成績對學生的能力進行全面的評價，隨堂測試占比10%，實驗成績占比20%，專題報告占比15%，期末成績占比55%，全方位對學生的工程實踐能力進行評價。

增加課程考核方式和內容審核環節，課程的教學大綱中需包含課程考核方式、內容與課程目標審核表，以確保課程評價面向產出，即課程評價依據合理。評價審核考核方式、內容與課程目標是否符合，化工分離工程課程的課程評價指標如表4所示。

表4 考核方式、內容與課程目標審核表

2 化工分離工程課程教學模式的改革與探索

針對化工分離工程課程特點與教學中存在的問題，對教學設計、教學方法等方面進行探索，采用 “線下與線上相結合” “理論與實踐相結合” 等方式促進知識、能力、素質有機融合來培養學生解決復雜工程問題的綜合能力。

2.1 線下與線上混合教學模式

現代信息技術的發展為線上教學的發展提供了寶貴的機遇?；趯W校數字化教學平臺，在超星網絡平臺建立化工分離工程在線網絡課程。相較于傳統的線下課堂，一方面，線上課堂可以提供更加豐富的課程資源，如課程大綱、教材、老師錄制的知識點視頻，習題庫等，不僅可以幫助學生查漏補缺，還可以滿足學生個性化的學習需求。另一方面，線上教學可以幫助教師高效開展教學工作。課前，可以通過線上課堂布置預習視頻任務點，線上課程可以實時統計學生觀看學習的數據，幫助教師進行高效的管理。線上課程的隨堂測試功能，可以及時考察學生課上基礎知識的掌握情況，第一時間反饋學生的學習情況，為后續有針對性的復習和差異化教學提供參考。通過“線下與線上相結合”的教學形式，顯著提高了學生對基礎知識的掌握。

2.2 多元化教學策略設計

化工分離工程課程的特點是內容綜合性強，涉及多學科基礎知識，同時公式多、計算量大，學生在學習過程存在著一定的畏難情緒，根據教學內容合理地設計教學策略，可以幫助學生適應由易到難的學習過程。例如，化工分離過程的分類、特征等基本概念，可以采用多媒體教學，提供更多的素材，激發學生對課程的學習興趣。對于分離過程的基本理論內容，如單級過程是多組分多級分離過程的基礎，可以采用多媒體與板書結合。對相平衡常數的計算、泡露點的計算采用板書公式逐級推導，幫助學生打好基礎。單元裝置設計變量計算可以采用講解+互動提問式教學，由淺入深，幫助學生建立自信。多組分多級分離過程則需要案例逐一講解，培養學生分析復雜工程問題的思維，加強習題練習，學以致用，培養解決復雜工程問題的能力。建立“案例庫”，緊跟前沿，以問題為導向，激發學生的求知欲。利用分組討論和翻轉課堂，激發和鼓勵學生的創造性思維。

2.3 理論與實踐相結合，注重實踐能力培養

采用 “理論+實踐”的教學模式，建設“高階性”課堂。多組分多級分離的嚴格計算是解決實際復雜工程問題的關鍵，是培養學生工程實踐能力的基礎，也是化工分離工程課程的難點。除了掌握計算方法，更重要的是能夠進行復雜工程問題的嚴格計算。但是，由于多組分多級分離的嚴格計算的計算步驟繁瑣，人工運算難度大，實際工程中采用系統穩態模擬軟件Aspen Plus進行計算。為了加強學生實踐能力的培養，將Aspen Plus軟件引入課堂教學，讓學生利用Aspen軟件進行工藝計算，培養學生利用現代化工具和手段解決工程實際問題的意識和工程實踐能力，為后續的課程設計、畢業設計，以及未來從事相關行業打下良好的基礎。同時，開展反應精餾制備乙酸乙酯實驗和超純水制備實驗，培養學生的動手能力和綜合實踐能力。

2.4 鼓勵自主學習，鍛煉創新能力

隨著生產技術的發展，現代分離技術的發展和更新是必然的趨勢。隨著分離要求越來越高，需要不斷進行分離工藝流程的設計，探索新的分離原理和開發新的分離技術。培養學生以發展的眼光看待行業，培養學生自主學習和終身學習的意識，是化工分離工程課程的兩個素質目標。通過設定分離要求，讓學生自主選擇分離過程，進行分離工藝流程的設計。學生通過查閱文獻了解目前分離技術的研究進展和動向，如膜分離、超濾和微濾、反滲透、電滲析等新型分離技術的國內外研究現狀和發展前沿，能夠根據具體的分離要求，運用化工分離工程的基本原理，進行工藝流程的設計，并能夠對不同設計方案進行分析與比較，培養學生創新意識和終身學習能力。

3 結束語

秉承以學生為中心，以產出為導向，對新工科背景下化工分離工程課程教學實踐進行了探討。為了達成知識能力和素質的教學目標，持續改進化工分離工程課程大綱，把“線上學習-課堂教學—實驗教學—自主學習”的教學模式融入整個教學過程中，旨在培養出一批具有卓越工程能力和創新能力的應用型高級專門人才。