工業(yè)4.0背景下化工設(shè)計課程教學(xué)模式探索*

郝 麗，陳循軍，周紅軍，周新華

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510225)

工業(yè)4.0的發(fā)展概念以互聯(lián)、集成、數(shù)據(jù)、創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型為特征，“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”是其兩大主題，實現(xiàn)信息化和實體工業(yè)的融合[1-2]。借鑒該戰(zhàn)略思想，我國提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，大數(shù)據(jù)和人工智能等信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展為我國傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級帶來前所未有的機遇與挑戰(zhàn)[3]。面對化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，對我國高?；I(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)能適應(yīng)工業(yè)4.0時代要求的智能型化工人才迫在眉睫。

化工設(shè)計課程是本科化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程，化工設(shè)計是把化工過程從設(shè)想變成現(xiàn)實的一項重要建設(shè)環(huán)節(jié)[4-5]，如若學(xué)生畢業(yè)后進入化工設(shè)計院及化工工程公司等企業(yè)，化工設(shè)計這門課程的專業(yè)知識是他們開展工作的有利儲備，此課程具有較強的綜合性和工程實踐性，在成果導(dǎo)向的教學(xué)理念下，化工設(shè)計課程對培養(yǎng)智能型工程設(shè)計人才具有重要作用。

基于我?；ぴO(shè)計教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)過程中主要存在的以下問題：

(1)化工設(shè)計課程中主要應(yīng)用Auto CAD及Aspen Plus軟件，學(xué)生對軟件的掌握不夠深入，對Aspen Plus軟件原理了解不夠深入，且對其他設(shè)計軟件知之甚少。

(2)教學(xué)內(nèi)容過于傳統(tǒng)，不夠與時俱進，考核及評價方法難于真正地檢驗學(xué)生的水平和對現(xiàn)代化設(shè)計方法的掌握，缺少系統(tǒng)、科學(xué)的分析。

(3)過于強調(diào)知識傳授、學(xué)生自主選擇空間有限、學(xué)習(xí)積極性不高，難于使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)的能力[6]，綜上所述，目前的化工設(shè)計教學(xué)方法難以適應(yīng)工業(yè)4.0背景下智能型化工人才的培養(yǎng)需求。

仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院作為地方本科院校，每年的化工專業(yè)畢業(yè)生進入化工工程設(shè)計行業(yè)的人數(shù)較少，為了更多的向社會輸出具有創(chuàng)新思維、工程設(shè)計與實踐技能、團隊協(xié)作精神的智能型化工人才，科學(xué)的構(gòu)建化工設(shè)計課程體系并落實在教學(xué)過程中是達成此目標(biāo)的關(guān)鍵所在。

1 化工設(shè)計課程“智能化”教學(xué)改革目標(biāo)

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化貫穿于化工行業(yè)研發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)的各個環(huán)節(jié)，使得化工行業(yè)需要系統(tǒng)化的集成與創(chuàng)新。為了適應(yīng)經(jīng)濟和社會發(fā)展需要，在化工設(shè)計課程原有教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，需要融合多學(xué)科的知識體系和思維習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計數(shù)字化工廠的能力，進一步為培養(yǎng)具有開發(fā)自主核心化工軟件的高端人才奠定基礎(chǔ)。課程改革后，除了熟練運用CAD、Aspen Plus軟件進行設(shè)計之外，還需要了解智能設(shè)計軟件(如智能三維設(shè)計軟件Smart 3D、智能工藝流程設(shè)計軟件Smart P&ID等)如何完成智能工廠的數(shù)字化設(shè)計，了解如何操作和維護數(shù)字化和智能化設(shè)備，了解如何指揮和操作智能化生產(chǎn)線、智能化設(shè)備和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)[7]。化工設(shè)計課程改革旨在以成果為導(dǎo)向，培養(yǎng)理論知識與現(xiàn)場實踐兼?zhèn)洌緦I(yè)技能過硬，兼具跨專業(yè)知識背景的創(chuàng)新性復(fù)合型人才。

通過化工設(shè)計的智能化教學(xué)改革，期望學(xué)生畢業(yè)后增加如下職業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

(1)能夠綜合應(yīng)用化工、系統(tǒng)工程、大數(shù)據(jù)等專業(yè)知識解決化工轉(zhuǎn)型升級及化工廠數(shù)字化集成的問題。

(2)鼓勵學(xué)生繼續(xù)深造，進一步強化數(shù)字工廠和智能工廠的設(shè)計能力，敢于從事專業(yè)大數(shù)據(jù)分析等開創(chuàng)性的工作。

基于化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級對智能型人才的需求，提出優(yōu)化化工設(shè)計課程的思路，探索多學(xué)科交叉融合的化工設(shè)計人才培養(yǎng)模式，推進智能化技術(shù)與工程教育深度融合，結(jié)合仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院本科教學(xué)的特點，促進“設(shè)計院+科研院所+化工企業(yè)”協(xié)同高校教學(xué)的創(chuàng)新實踐培養(yǎng)方式。

2 化工設(shè)計課程“智能化”教學(xué)改革思路

2.1 在“智能化”背景下，優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建交叉融合的課程知識體系

人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿科技的飛速發(fā)展，促進了工業(yè)化與信息化的深度融合[8]。智能化對化工設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容提出了更高、更新穎的要求，未來化工領(lǐng)域除了傳統(tǒng)化工核心課程外，分析、建模、仿真、過程控制類課程的相對重要度越來越高，對我?；ぴO(shè)計課程教學(xué)進行科學(xué)合理的改革已勢在必行[9]。因此我們決定創(chuàng)新教學(xué)理念，引入智能化概念，進而優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，擴大實踐環(huán)節(jié)，進行線上線下混合式教學(xué)。

改革前，我?；ぴO(shè)計課程的學(xué)時分配為理論教學(xué)32學(xué)時，上機實踐16學(xué)時，其中理論教學(xué)內(nèi)容為緒論(3學(xué)時)、工藝路線以及工藝流程設(shè)計(6學(xué)時)、物料衡算和熱量衡算 (10學(xué)時)、化工設(shè)備的選型和設(shè)計計算(6學(xué)時)、裝置(車間)布置設(shè)計(4學(xué)時)、設(shè)計中必須注意的幾個問題(3學(xué)時)；上機實踐主要內(nèi)容為繪制PID圖(4學(xué)時)、Aspen Plus輔助技術(shù)講解及實例(4學(xué)時)、換熱器及精餾塔的工藝設(shè)計(4學(xué)時)、繪制中試反應(yīng)裝置平面、立面布置圖(4學(xué)時)，總體來講，我?；ぴO(shè)計課程學(xué)時充足，理論及實踐學(xué)時分配較合理。

基于此，我們將智能化相關(guān)概念及知識滲透到理論及實踐教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，比如：

(1)在緒論部分，融合化工過程分析與合成課程簡要介紹集散系統(tǒng)(DCS)的先進控制與優(yōu)化控制、化工企業(yè)CIPS(Computer Integrated Process System)技術(shù)、以及人工智能技術(shù)在化工過程中的應(yīng)用。

(2)在工藝路線以及工藝流程設(shè)計部分，強化最優(yōu)化概念，秉承節(jié)能優(yōu)先、效率為本的理念，引導(dǎo)學(xué)生在確保技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保和安全可靠性的前提下，設(shè)計最佳的工藝技術(shù)路線，通過工藝軟件的模擬分析，確定優(yōu)化的工藝流程、工藝條件，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)達到節(jié)能的效果，體現(xiàn)化工經(jīng)濟性較強的特色。

(3)使用化工流程模擬軟件進行物料衡算、能量衡算、設(shè)備選型與計算，從而對復(fù)雜化工過程進行設(shè)計、建模和優(yōu)化，在此部分內(nèi)容的教學(xué)過程中，強化計算機的應(yīng)用，除了引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)軟件基本操作之外，還要入門級介紹化工過程系統(tǒng)模擬(如序貫?zāi)K法、面向方程法、聯(lián)立模塊法)的基本原理。

(4)在車間(裝置)布置設(shè)計部分，要向?qū)W生表達全局觀及細(xì)節(jié)化。

(5)基于Auto CAD、Aspen Plus進行理論和實踐教學(xué)之外，簡要介紹PDMS、Smart Plant 3D等軟件的作用，提高學(xué)生對軟件設(shè)計的深度認(rèn)識和知識能力的遷移，以拓寬學(xué)生思維和視野。

在教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化改革基礎(chǔ)上，創(chuàng)新教學(xué)模式，例如：

(1)進行線上線下混合式教學(xué)，化工設(shè)計課程涉及大量的軟件學(xué)習(xí)資料、視頻資源、軟件安裝文件等，通過使用智慧樹、超星學(xué)習(xí)通等上傳學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過智慧樹、超星學(xué)習(xí)通等發(fā)布思考題，進行啟發(fā)式教學(xué)，教會學(xué)生獨立思考并提問，而不是一味的接受，只有思考才能真正掌握知識乃至創(chuàng)新，通過智慧樹、超星學(xué)習(xí)通等發(fā)布課堂簽到、提問等，活躍課堂氛圍。

(2)基于全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽這一成果導(dǎo)向，以解決實際化工工程問題為目標(biāo)，通過實踐教學(xué)促進理論教學(xué)，形成多維多尺度化工設(shè)計教學(xué)，使學(xué)生全面了解整個設(shè)計過程，讓化工設(shè)計教學(xué)過程更具實用性、新穎性，提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，潛移默化的提升智能化設(shè)計能力。

2.2 依托校內(nèi)外教學(xué)資源，構(gòu)筑多元協(xié)同的化工設(shè)計人才培養(yǎng)模式

在工業(yè)4.0背景下，學(xué)科交叉尤為重要，那么如何解除學(xué)科間的束縛、突破學(xué)科壁壘，讓學(xué)生更好的樹立大工程觀念，是化工設(shè)計課程改革中值得關(guān)注的問題。因此，我們在化工設(shè)計教學(xué)過程中，積極鼓勵學(xué)生選修其他專業(yè)的課程，如計算機、環(huán)境、機械、電氣、土建、自控、給排水等專業(yè)，學(xué)科內(nèi)外協(xié)同，多學(xué)科的交叉和整合研究有利于學(xué)生突破慣性，釋放創(chuàng)造力，獲得更多交叉創(chuàng)新發(fā)展的新路徑。同時，跨專業(yè)選修課的學(xué)習(xí)也會幫助學(xué)生養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，在知識爆炸性增長的時代難能可貴。

化工設(shè)計課程是一門實踐性很強的課程，這門課程的改革希望提升學(xué)生在工程實踐活動中創(chuàng)造新的技術(shù)成果的能力，包括新產(chǎn)品和新技術(shù)的研發(fā)，新流程和新裝置的設(shè)計，新的工廠生產(chǎn)過程操作運行方案等。實踐當(dāng)然不能紙上談兵，最好的方式是走出校園，在相關(guān)企業(yè)建立實踐基地，將化工設(shè)計課程與認(rèn)識實習(xí)無縫銜接，帶領(lǐng)學(xué)生走進車間、實地參觀體驗，或是聘請企業(yè)的資深專業(yè)人員走進校園，舉辦講座、短期培訓(xùn)等，深度融合高校、企業(yè)、科研院所等多方主體資源，圍繞“課程教學(xué)、生產(chǎn)實踐、科研訓(xùn)練、服務(wù)化工行業(yè)”多方位為一體的理念，形成開放、多元化協(xié)同共建的化工設(shè)計人才培養(yǎng)模式。

2.3 多元化考核方式，大數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)動態(tài)

將智慧樹、超星學(xué)習(xí)通等軟件引入到課程教學(xué)中，改變傳統(tǒng)單一的考核方式，在大數(shù)據(jù)時代，實現(xiàn)智能化及多元化考核與分析，調(diào)動學(xué)生積極性。以智慧樹軟件為例，可以發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，并實時跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)進度，可以發(fā)布作業(yè)及考試，并且學(xué)生可以通過訓(xùn)練題庫進行自我模擬訓(xùn)練，小組教學(xué)模式將一對一教學(xué)變?yōu)榭赡?，學(xué)情數(shù)據(jù)及成績管理模塊可以關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)及作業(yè)完成情況，并得到統(tǒng)計分布曲線。學(xué)生人數(shù)樣本越多，統(tǒng)計數(shù)據(jù)越具有說服力，這樣一來，每2～3年就可以根據(jù)學(xué)生學(xué)情及成績分布圖對教學(xué)內(nèi)容及評價方式進行調(diào)整及優(yōu)化。

在考核方式的成績比例分配中，加大平時成績的比重，與期末設(shè)計各占考核成績的50%，其中平時成績包括出勤、作業(yè)、課堂活躍度、上機和實踐表現(xiàn)等，期末設(shè)計則采用全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽的模式，通過組隊(每隊4～5人，設(shè)隊長一名)按照設(shè)計任務(wù)書(每組一個題目)進行化工廠設(shè)計和設(shè)計答辯、報告。鼓勵學(xué)生運用先進的設(shè)計工具、創(chuàng)新的思維設(shè)計出優(yōu)秀作品，提高化工設(shè)計課程的學(xué)習(xí)效果，增強學(xué)生工程設(shè)計能力，使學(xué)生能夠勝任團隊成員及負(fù)責(zé)人的角色和責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生整合知識和團隊協(xié)作能力，為今后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。同時，引入學(xué)生互評機制，因此引導(dǎo)學(xué)生站在觀察者及評價者的角度通過審視他人的作品進行深入學(xué)習(xí)。

平時的過程考核分?jǐn)?shù)占該門課程的最終成績的50%，按百分制評分，總評后折算成50分。平時考核方式及權(quán)重要求包括：

(1)課堂紀(jì)律與綜合表現(xiàn)，占比20%，如按時上課、課堂紀(jì)律、請假、遲到及缺課等綜合表現(xiàn)。

(2)課堂互動、問答與討論，占比20%，如課程中相關(guān)內(nèi)容理解，課堂互動表現(xiàn)，思維與語言表達能力。

(3)上機實踐活動，占比60%，如對上機實踐或文獻調(diào)研及報告等材料的完成情況，考核對課程的掌握程度；對知識點的掌握，課程學(xué)習(xí)與思考的主動性。

期末設(shè)計考查采取分組設(shè)計的方式進行考核，期末設(shè)計分?jǐn)?shù)占該門課程最終成績的50%，包括：

(1)工程圖紙質(zhì)量，占比30%，考核學(xué)生對工藝流程圖、帶控制點的工藝流程圖及廠區(qū)布置圖的掌握程度。

(2)現(xiàn)代設(shè)計方法，占比40%，考核學(xué)生對工藝選擇、物料衡算、能量衡算、流程模擬、設(shè)備選型的掌握程度，考核學(xué)生對設(shè)計軟件的掌握程度，考核學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力。

(3)設(shè)計文檔質(zhì)量，占比30%，考核學(xué)生對相關(guān)規(guī)定、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的掌握程度，考察學(xué)生對工程設(shè)計文檔編寫的規(guī)范程度。

基于以上評價方法，通過相關(guān)公式進行數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)課程改革及優(yōu)化。

3 化工設(shè)計課程“智能化”教學(xué)改革措施

3.1 調(diào)查法及文獻法

通過對各種類型高校(雙一流高校、普通博士點授權(quán)學(xué)校和普通碩士點授權(quán)學(xué)校)本科生化工設(shè)計課程改革的調(diào)研，了解各層次高校本科生化工設(shè)計課程建設(shè)模式。通過文獻檢索獲取國內(nèi)化學(xué)工業(yè)發(fā)展中的案例資源。

通過文獻的閱讀與梳理，強化學(xué)生查閱文獻和文檔編輯整理歸納能力。引導(dǎo)學(xué)生查閱大量的學(xué)術(shù)論文、專利、年鑒等資料，選擇工藝生產(chǎn)技術(shù)方案及確定生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)規(guī)模、市場分析、廠區(qū)選擇等環(huán)節(jié)，進而將搜索到的資料進行文檔編輯。

3.2 以問題為導(dǎo)向的比較研究法

采用教學(xué)評價方法比較傳統(tǒng)培養(yǎng)和本項目組采取的改革方案培養(yǎng)的差異，得出各自的不足和優(yōu)勢，進一步尋找整合路徑。借鑒相同或相似的網(wǎng)絡(luò)課程資源進行對比，定期做適當(dāng)?shù)挠涗洠员阍u估學(xué)生能力的取得程度，以出勤情況、課堂提問等形式，記錄平時成績，通過課堂互動開展問題分析和問題討論。通過團隊合作、分組討論、課堂討論完成實踐作業(yè)及設(shè)計任務(wù)。

以問題為導(dǎo)向，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強學(xué)生的主觀能動性，加深學(xué)生對實現(xiàn)設(shè)計工廠“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”的理解。

3.3 持續(xù)改進及優(yōu)化

將課程評估及評價的結(jié)果系統(tǒng)地加入持續(xù)改進，比如個人素質(zhì)方面，挖掘?qū)W生的主觀能動性，使之具備獨立獲取分析、解決問題的能力；提升寫作素養(yǎng)、發(fā)揮學(xué)生的協(xié)作精神和溝通能力，體現(xiàn)團隊合作的創(chuàng)新能力；職業(yè)技能方面，將個人素質(zhì)、寫作素養(yǎng)貫穿于職業(yè)發(fā)展之中，從而解決實際化工設(shè)計過程中存在的問題，并發(fā)展創(chuàng)新能力。

4 結(jié) 語

智能型和創(chuàng)新型化工人才是社會所需，工業(yè)4.0背景下化工設(shè)計課程“智能化”教學(xué)模式探索有強烈的實施需求。創(chuàng)新實踐平臺及相關(guān)軟硬件條件是工業(yè)4.0背景下《化工設(shè)計》“智能化”教學(xué)改革與創(chuàng)新能夠順利開展的保障。建立適應(yīng)于工業(yè)4.0背景下，滿足智能化創(chuàng)新人才需要的化工設(shè)計人才培養(yǎng)模式，提出一個邏輯結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容全面、重點突出、目標(biāo)明確的學(xué)生智能化創(chuàng)新能力系統(tǒng)化培養(yǎng)模式，為人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新提供新思路，該模式還可拓展使用到其它相關(guān)本科專業(yè)課程?！爸悄芑被ぴO(shè)計課程改革和創(chuàng)新有利于學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)和發(fā)展，有利于學(xué)生進入研究生學(xué)習(xí)階段后開展學(xué)習(xí)和研究，也有利于學(xué)生團隊合作精神和人格的完善。