小設(shè)計(jì)在化工設(shè)計(jì)理論課中應(yīng)用的教學(xué)改革探索

代偉

[摘 要]本文將小設(shè)計(jì)教學(xué)訓(xùn)練環(huán)節(jié)引入化工設(shè)計(jì)理論課教學(xué)中，“點(diǎn)”與“面”優(yōu)化組合，豐富了化工設(shè)計(jì)理論課的教學(xué)內(nèi)容和形式，從“紙上談兵”到“實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練”，多層次加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論課知識(shí)點(diǎn)的掌握，提升了教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]小設(shè)計(jì)；化工設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）03-0043-03

“化”是化學(xué)反應(yīng)或化工單元操作，“工”是工藝或工程，“設(shè)計(jì)”是優(yōu)化組合，“化工設(shè)計(jì)”就是如何將一個(gè)化學(xué)反應(yīng)或化工單元操作與工藝或工程優(yōu)化組合。由于化工設(shè)計(jì)是一門理論性、綜合性、工程性相當(dāng)專業(yè)的核心課[1]，因此它不僅要求學(xué)習(xí)者具備無機(jī)、分析、有機(jī)和物化等“四大化學(xué)”基礎(chǔ)知識(shí)，還需要掌握化工原理、反應(yīng)工程、化工制圖和化工儀表等化工專業(yè)知識(shí)。“講述”+“聽課”是傳統(tǒng)的化工設(shè)計(jì)課堂教學(xué)模式，工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、車間布置、物料衡算、能量衡算和經(jīng)濟(jì)分析等相對(duì)枯燥和抽象的內(nèi)容很容易導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)、難學(xué)、不學(xué)。另外，現(xiàn)代化工程設(shè)計(jì)軟件的崛起也促進(jìn)了化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革進(jìn)程，以往需要幾個(gè)月才能完成的工藝流程繪制和物料衡算內(nèi)容，現(xiàn)在借助ASPEN和ChemCAD等專用軟件很快就能搞清楚。基于上述問題，若要真正地掌握化工生產(chǎn)工藝及設(shè)備的設(shè)計(jì)，使學(xué)生具備化工工程師的基本素養(yǎng)，學(xué)生需要自主參與化工生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)工作，親歷設(shè)計(jì)過程，為此我們將原有48個(gè)學(xué)時(shí)的課程進(jìn)行拆分，28個(gè)學(xué)時(shí)用于講授，其余20個(gè)學(xué)時(shí)用于小設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，針對(duì)精餾、吸收、萃取、干燥和化學(xué)反應(yīng)等三傳一反單元過程，優(yōu)選典型真實(shí)化工企業(yè)的生產(chǎn)工藝小設(shè)計(jì)為題目，同時(shí)增加相應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真工具軟件的內(nèi)容，讓學(xué)生解決化工過程設(shè)計(jì)和操作過程的模擬分析及優(yōu)化等問題，進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)從“紙上談兵”到“實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練”。

一、小設(shè)計(jì)引入的必要性

化工設(shè)計(jì)這門課涉及的單元反應(yīng)操作較多、內(nèi)容繁雜、反應(yīng)原理較難、公式多、計(jì)算煩瑣，學(xué)生學(xué)習(xí)起來相對(duì)比較枯燥、抽象、吃力，較容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)的情緒，單方面的理論講解難以使學(xué)生產(chǎn)生全面且深刻的理解，必須借助于實(shí)踐才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并真正掌握相關(guān)理論知識(shí)。比如對(duì)于比較繁雜的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，在課堂教學(xué)過程中將傳統(tǒng)的平鋪直敘的講解改為從實(shí)驗(yàn)工藝流程中改錯(cuò)。例如我們小設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的一個(gè)“反應(yīng)精餾提純”的題目，板式塔裝置中特別預(yù)置多處違反規(guī)定的設(shè)計(jì)，如進(jìn)料塔板流量控制、加熱蒸汽含量自動(dòng)控制、關(guān)鍵溫度和壓力控制點(diǎn)、循環(huán)冷卻水的流向、殘液排放等多處設(shè)計(jì)違規(guī)處，并將此流程展示討論，引導(dǎo)學(xué)生指出且改正錯(cuò)誤，以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。小設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)揮自我創(chuàng)新及思考能力，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生良好的設(shè)計(jì)思路。在糾正設(shè)計(jì)的訓(xùn)練中，提升學(xué)生優(yōu)秀的化工設(shè)計(jì)規(guī)范，運(yùn)用提出問題、分析問題、討論問題的“教—學(xué)”模式，既可使設(shè)計(jì)教學(xué)變得生動(dòng)有趣，又可以提高學(xué)生分析、解決實(shí)際工程問題的能力。高素養(yǎng)的化學(xué)化工專業(yè)高級(jí)人才必須具備和重視化工設(shè)計(jì)的課程學(xué)習(xí)和知識(shí)儲(chǔ)備，因此具體教學(xué)過程必須包括理論和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)核心模塊。例如我們將丙烯酸半實(shí)物虛擬仿真工廠設(shè)計(jì)引入小設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐和軟件仿真模擬進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)模式和學(xué)生自主探究式的“教—學(xué)”模式，有助于增強(qiáng)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)際工程技術(shù)難題的目的。這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力、競(jìng)爭(zhēng)能力和提高學(xué)生綜合素質(zhì)的有效途徑。

目前，常規(guī)的化工設(shè)計(jì)課程的主要教學(xué)難題是教師傳統(tǒng)授課，機(jī)械單一化地逐一講解化工設(shè)計(jì)的理論和內(nèi)容，鑒于學(xué)生缺乏相應(yīng)的企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不能對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)有一個(gè)比較全面的理解與認(rèn)知?；すこ淘O(shè)計(jì)的理性知識(shí)體系受到影響，缺乏系統(tǒng)積累。被動(dòng)學(xué)習(xí)和負(fù)荷加重導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既痛苦又缺乏創(chuàng)新能力。大多數(shù)高校相關(guān)專業(yè)均采取下企業(yè)見習(xí)與實(shí)習(xí)的方式來解決上述系列的問題。通過工廠見習(xí)和實(shí)習(xí)，學(xué)生可以初步認(rèn)知各種化工單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工藝流程、自動(dòng)控制體系、閥門及管道的類型、大小和功能等。通過實(shí)習(xí)建立對(duì)工藝和設(shè)備的感性認(rèn)知，可使學(xué)生有一個(gè)完整的、真實(shí)的化工工程設(shè)計(jì)的概念。但僅僅依靠下企業(yè)實(shí)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐存在嚴(yán)重的問題：一是在化工廠，學(xué)生的實(shí)習(xí)教學(xué)只許看不許動(dòng)，因此達(dá)不到實(shí)踐工程教學(xué)訓(xùn)練的效果；二是工廠設(shè)備大型化、系統(tǒng)化、工程化、自動(dòng)化水平較高，學(xué)生只能觀察裝置外貌，不可能徹底理解設(shè)備運(yùn)行原理。對(duì)于如何確定原料路線、設(shè)備選型、工藝論證等設(shè)計(jì)內(nèi)容，不僅需要學(xué)生有扎實(shí)的工程實(shí)踐基礎(chǔ)，而且還需要在長(zhǎng)期工作中積累豐富的化工生產(chǎn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。單單教科書式培養(yǎng)的大學(xué)生，不僅無法成為高級(jí)應(yīng)用技能型人才，而且也無法達(dá)到“到崗即用”企業(yè)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年有超過3萬(wàn)多項(xiàng)科技成果，但是真正產(chǎn)業(yè)化并取得一定經(jīng)濟(jì)效益的只有不到5 %[2][3]。因此我們需要對(duì)化工設(shè)計(jì)課程進(jìn)行教學(xué)改革，加快提升學(xué)生綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)能力，與時(shí)俱進(jìn)的適應(yīng)企業(yè)需求，提升社會(huì)服務(wù)的能力 [4][5]。

二、小設(shè)計(jì)改革探索

筆者從事化工設(shè)計(jì)授課10年來，所教應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生多次在浙江省和全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。例如在題目為“針對(duì)某一含硫工業(yè)廢氣源設(shè)計(jì)一套深度脫硫并予以資源化利用的裝置”的2017年第十一屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)總決賽中，我們的學(xué)生運(yùn)用“虛-實(shí)”組合技術(shù)的作品“年產(chǎn)3500t牛磺酸項(xiàng)目”獲得了全國(guó)賽一等獎(jiǎng)的好成績(jī)。我們的經(jīng)驗(yàn)就是與時(shí)俱進(jìn)修訂教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，探索小設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的全新教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與課程學(xué)習(xí)和樹立創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量。具體措施包括：

（一）理論設(shè)計(jì)知識(shí)蓄積

化工設(shè)計(jì)教學(xué)大綱規(guī)定講授的主要內(nèi)容有工藝論證設(shè)計(jì)、物料和能量衡算、設(shè)備選型設(shè)計(jì)、車間布置設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)分析等部分。每一個(gè)部分所涵蓋的知識(shí)點(diǎn)繁多，需要凝練核心問題，強(qiáng)化設(shè)計(jì)理念才能達(dá)到提高學(xué)生認(rèn)知體系的目的。例如我們?cè)谝宜嵋阴スS小設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首先給出多個(gè)反應(yīng)方程式，提出如何將化學(xué)反應(yīng)方程變成工藝流程的問題，讓學(xué)生查閱資料，自行進(jìn)行工藝選擇論證，并繪制工藝流程方框流程圖，然后進(jìn)行物料衡算和能量衡算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)備選型，避免出現(xiàn)“小馬拉大車”和“大馬拉小車”的問題。我們將可行性研究報(bào)告簡(jiǎn)化成市場(chǎng)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)三方面內(nèi)容，這使學(xué)生容易掌握可行性報(bào)告寫作的要求和任務(wù)。

（二）實(shí)踐知識(shí)蓄積

以認(rèn)知實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐來實(shí)現(xiàn)實(shí)踐知識(shí)蓄積。企業(yè)生產(chǎn)車間教學(xué)目的是使基礎(chǔ)理論形象化、可視化、具體化，提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。面對(duì)真實(shí)的生產(chǎn)工藝，學(xué)生在教師指導(dǎo)下可直觀、有針對(duì)性地掌握工藝特點(diǎn)、設(shè)備功能、車間設(shè)計(jì)原則等實(shí)際內(nèi)容，更深刻掌握單元設(shè)備的特點(diǎn)、幾何方位、工藝對(duì)接、自動(dòng)控制等。采用現(xiàn)場(chǎng)答疑方式立刻解決學(xué)生的疑惑，真實(shí)的實(shí)踐知識(shí)積累使學(xué)生建立起一個(gè)完整的、詳細(xì)、可靠、真實(shí)的工程設(shè)計(jì)知識(shí)體系。由于化工廠對(duì)安全及技術(shù)秘密的慎重考慮，不允許學(xué)生上生產(chǎn)線操作，因此，“只看不動(dòng)”的實(shí)習(xí)模式也很難完成對(duì)化工設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)的全面掌握[6]。與此同時(shí)，各院校對(duì)于不斷增長(zhǎng)的實(shí)習(xí)費(fèi)用也難以承受，企業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)間一再壓縮?？梢姡瑔我坏钠髽I(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐模式教學(xué)還不能滿足化工設(shè)計(jì)理論課的傳授。

（三）軟件知識(shí)蓄積

現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段主要依賴軟件仿真。仿真技術(shù)（數(shù)字仿真和物理仿真）是一門現(xiàn)在和未來必備的應(yīng)用技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。數(shù)字仿真能夠數(shù)值化地描述真實(shí)物體或體系規(guī)律的相似性。仿真教學(xué)依托計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和多媒體，人為打造了虛擬環(huán)境，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)運(yùn)行軟硬件，通過數(shù)字仿真的動(dòng)態(tài)特性模型實(shí)驗(yàn)為真實(shí)體系分析和設(shè)計(jì)提供有效且經(jīng)濟(jì)的展示技術(shù)，具體到化工設(shè)計(jì)過程仿真，其實(shí)就是利用仿真機(jī)構(gòu)建一個(gè)與真實(shí)體系相似的化工廠，模擬生產(chǎn)裝置及生產(chǎn)操作，展示生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，使學(xué)生處在一個(gè)非常逼真的體驗(yàn)環(huán)境中，最終取得較好的教學(xué)效果。資料表明，仿真培訓(xùn)尤其是半實(shí)物虛擬仿真培訓(xùn)可以使初學(xué)者在數(shù)周之內(nèi)取得現(xiàn)場(chǎng)2～5年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4]。根據(jù)國(guó)家對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的進(jìn)一步加強(qiáng)，仿真技術(shù)在化工設(shè)計(jì)教學(xué)方面將被廣泛應(yīng)用。因此，軟件化工設(shè)計(jì)知識(shí)積累會(huì)使學(xué)生對(duì)化工生產(chǎn)的不同生產(chǎn)單元有一個(gè)更加全面、具體的認(rèn)識(shí)，從而達(dá)到具有針對(duì)性和側(cè)重性地組織實(shí)習(xí)教學(xué)的效果。

（四）更新傳統(tǒng)教學(xué)

加強(qiáng)傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)改革的優(yōu)化組合，運(yùn)用“啟發(fā)性小設(shè)計(jì)”和“探究小設(shè)計(jì)”教學(xué)方法，收集、分析企業(yè)實(shí)習(xí)的工程問題，經(jīng)過不斷地分析與討論，使學(xué)生在理性方面加以認(rèn)識(shí)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生必須要能熟悉查閱文獻(xiàn)資料、國(guó)家最新工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)正確選用經(jīng)驗(yàn)公式及處理數(shù)據(jù)，自行命題“工藝小設(shè)計(jì)”問題，分組討論及答辯，展示自己創(chuàng)新和演講能力。傳統(tǒng)授課與“小設(shè)計(jì)”教學(xué)的差異見表1。

學(xué)生獨(dú)立或者組成團(tuán)隊(duì)完成工藝的設(shè)計(jì)，在很大程度上可以培養(yǎng)學(xué)生的合作和個(gè)人“實(shí)戰(zhàn)”能力?！靶≡O(shè)計(jì)”課題的選定由教師和企業(yè)技術(shù)人員擬定，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和化工設(shè)計(jì)教學(xué)大綱要求，主要來源有以下三方面：（1）來源于企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)裝置技術(shù)難題；（2）來源于校企合作科研項(xiàng)目；（3）來源于小設(shè)計(jì)訓(xùn)練題庫(kù)。完成小設(shè)計(jì)后，由教師和企業(yè)技術(shù)人員組成小設(shè)計(jì)匯報(bào)評(píng)審答辯小組進(jìn)行設(shè)計(jì)成果的審定工作，給出設(shè)計(jì)成績(jī)，指出錯(cuò)誤，督促作品整改。

三、推進(jìn)創(chuàng)新教學(xué)模式

經(jīng)過一段時(shí)間的“小設(shè)計(jì)”實(shí)踐教學(xué)改革嘗試，全新的小設(shè)計(jì)教學(xué)創(chuàng)新模式教學(xué)效果主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性大幅度提升，開闊了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情；（2）提升了大學(xué)生應(yīng)用技能實(shí)用性，就業(yè)率和就業(yè)質(zhì)量逐年改善；（3）促進(jìn)了教師與工程師角色互換，促進(jìn)了 “雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)；（4）建立了支撐課程的“產(chǎn)-學(xué)-研”實(shí)習(xí)實(shí)踐基地，提升了高校教師的教學(xué)和科研能力，同時(shí)使學(xué)生完成了從“學(xué)生”到“工程師”的轉(zhuǎn)變過渡，使學(xué)生鞏固了基礎(chǔ)理論知識(shí)、基本操作技能和知識(shí)，更加系統(tǒng)化、綜合化。因而，這樣能真正使化工設(shè)計(jì)理論課教學(xué)深入融合于學(xué)生的素質(zhì)教育和職業(yè)教育中。

四、結(jié)論

運(yùn)用化工設(shè)計(jì)的課堂教學(xué)與小設(shè)計(jì)實(shí)踐訓(xùn)練優(yōu)化組合，不僅能提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論基礎(chǔ)知識(shí)來解決實(shí)際工程問題的能力，而且又能通過小設(shè)計(jì)真正領(lǐng)會(huì)和掌握設(shè)計(jì)工作的要求和方法。小設(shè)計(jì)的引入提高了學(xué)生學(xué)習(xí)枯燥理論課的興致，反過來又提高了教學(xué)效率和質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張浩勤，章亞東，陳衛(wèi)航.化工過程開發(fā)與設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：7.

[2] 吳重光.化工仿真實(shí)習(xí)指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：5.

[3] 趙剛.化工仿真實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：7.

[4] 方利國(guó).化工系統(tǒng)工程教學(xué)改革及探索[J].化工高等教育，1995（2）：56-58.

[5] 孫小琴.基于理論與實(shí)踐一體化導(dǎo)向的化工教學(xué)設(shè)計(jì)探析[J].化學(xué)教育，2015（10）：61-64.

[6] 李寧.石油化工設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革實(shí)踐與探索[J].高師理科學(xué)刊，2010（6）：106-107.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]