面向新工科的貫穿式化工實(shí)踐課程改革初探

王 慧，鄧益強(qiáng)，肖業(yè)鵬，程麗華

(廣東石油化工學(xué)院， 廣東 茂名 525000)

新工科內(nèi)涵既包括實(shí)質(zhì)工程內(nèi)容，也強(qiáng)調(diào)新興發(fā)展取向。在新工科背景下，教育模式應(yīng)該積極尋求革新，以適應(yīng)新形勢(shì)下的教育理念和體系的轉(zhuǎn)變，走在時(shí)代發(fā)展的前沿，培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新和專業(yè)技能素質(zhì)的高級(jí)工程人才?；诖?，化工實(shí)踐課程皆在培養(yǎng)本科學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，并將理論知識(shí)與具體工程相結(jié)合，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的。然而，在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，化工實(shí)踐課程存在學(xué)生積極性差、目標(biāo)不明確、課程時(shí)間短、技能知識(shí)碎片化等缺點(diǎn)，采用原有教學(xué)思路已經(jīng)無(wú)法滿足新工科教育理念。如何對(duì)現(xiàn)有化工實(shí)踐課程的教學(xué)思路、手段和資源進(jìn)行調(diào)整與提升是促進(jìn)新工科高級(jí)技術(shù)人才培養(yǎng)的重要途徑之一[1-4]。

在本科教學(xué)過(guò)程中，化工專業(yè)在完成基礎(chǔ)理論課程(即物理化學(xué)、化工原理、化工分離工程、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、化工工藝學(xué)等)后，通常會(huì)設(shè)置一些實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，比如生產(chǎn)實(shí)習(xí)、模擬仿真、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和化工課程設(shè)計(jì)等，以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，并進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)生產(chǎn)工藝的理解及專業(yè)技能的提升。但是在課程安排上，這些實(shí)踐性環(huán)節(jié)彼此孤立進(jìn)行，缺乏系統(tǒng)連貫性，使教學(xué)內(nèi)容寬泛而零散，無(wú)法充分展開(kāi)，工程設(shè)計(jì)深度受到嚴(yán)重限制。因此，作者根據(jù)近年的教學(xué)探索，分析以化工課程設(shè)計(jì)為主，并整合化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)和模擬仿真的貫穿式教學(xué)模式的可行性，針對(duì)單一工程問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)而深入學(xué)習(xí)，以充分發(fā)揮各個(gè)實(shí)踐性環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)展新工科教育提供新思路[5-9]。

1 化工專業(yè)實(shí)踐性環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

化工實(shí)踐性環(huán)節(jié)是本科教育過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生掌握多學(xué)科綜合能力和分析實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵課程。但由于在具體實(shí)施過(guò)程中存在矛盾沖突，使工程實(shí)踐課程往往達(dá)不到預(yù)期效果，長(zhǎng)此以往即浪費(fèi)了大量的教學(xué)資源，也無(wú)法有效提升學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力。究其原因主要包括以下幾個(gè)方面：

1.1 實(shí)踐內(nèi)容難以深入

根據(jù)作者所在院校的課程安排，各個(gè)實(shí)踐性環(huán)節(jié)時(shí)間均大于2周，因此實(shí)踐內(nèi)容課時(shí)總量上十分可觀。但相關(guān)知識(shí)缺少連貫性，且每個(gè)環(huán)節(jié)間隔較長(zhǎng)，學(xué)生掌握知識(shí)不扎實(shí)，教學(xué)內(nèi)容難免有所重復(fù)，使得實(shí)踐過(guò)程難以深入進(jìn)行。另外，每個(gè)環(huán)節(jié)也暴露出一些具體問(wèn)題，比如生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中，化工企業(yè)出于安全、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的考慮，使實(shí)習(xí)過(guò)程趨于形式化；模擬仿真過(guò)程中，由于具體流程都在軟件平臺(tái)上完成編寫(xiě)，學(xué)生很難獲取參與感，普遍存在"走馬觀花"現(xiàn)象；化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)雖然在時(shí)間安排上比較充裕，但學(xué)生大多采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算，缺少對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，耗費(fèi)大量時(shí)間，在發(fā)現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤后需要重新核算，且一些設(shè)計(jì)參數(shù)難以在文獻(xiàn)查閱中得到，計(jì)算結(jié)果缺少實(shí)際對(duì)比，使得學(xué)生對(duì)工藝設(shè)計(jì)缺少應(yīng)有的興趣，這也間接限制了學(xué)生自主深入學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

1.2 實(shí)踐平臺(tái)多樣化導(dǎo)致經(jīng)費(fèi)不足

由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，使得人力資源和物價(jià)也不斷上漲，無(wú)論是到現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)化工裝置的過(guò)程操作還是針對(duì)工藝流程的具體實(shí)踐平臺(tái)搭建方面，都需要教育經(jīng)費(fèi)的支撐。一些高校為了節(jié)約交通費(fèi)用，壓縮實(shí)習(xí)成本，往往就近選擇實(shí)習(xí)場(chǎng)所，使得學(xué)生對(duì)新工廠、新工藝缺少必要的了解。為進(jìn)一步控制綜合成本，可能會(huì)對(duì)一些化工模擬程序的選購(gòu)降低功能要求，這使學(xué)生對(duì)裝置開(kāi)停車(chē)、事故處理和復(fù)雜操作流程的理解不夠深入。同時(shí)，對(duì)于一些工藝模擬軟件，如Aspen Plus、ProcessⅡ、SmartPlant 3D和CAESARⅡ等，其系統(tǒng)升級(jí)更新較快，一些高校無(wú)法全面掌握對(duì)所有化工模擬計(jì)算軟件的擁有權(quán)，削弱了對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和職業(yè)技能的培養(yǎng)。

1.3 實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)教師隊(duì)伍不穩(wěn)定

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，指導(dǎo)教師起到主導(dǎo)作用，是確保學(xué)生能夠高效完成實(shí)踐學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。但由于課程安排復(fù)雜，教師其他教學(xué)任務(wù)和科研任務(wù)繁重，導(dǎo)致指導(dǎo)崗位變動(dòng)較大，不利于完善和提升實(shí)踐過(guò)程中的系統(tǒng)建設(shè)和指導(dǎo)效果。另一方面，化工實(shí)踐性環(huán)節(jié)包含的知識(shí)量龐雜，如工藝設(shè)計(jì)、總圖布置、儀表自動(dòng)化、管道流程、設(shè)備安裝、土建設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助軟件應(yīng)用等內(nèi)容，要完全掌握這些內(nèi)容并將知識(shí)靈活地傳授給學(xué)生，需要指導(dǎo)教師具有多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和耗費(fèi)大量時(shí)間、精力。然而，承擔(dān)實(shí)踐教學(xué)的師資隊(duì)伍逐漸趨于年輕化，年輕教師對(duì)于企業(yè)的工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)不夠熟悉，加之實(shí)踐專業(yè)課程掌握不夠全面，很難全面開(kāi)展教學(xué)任務(wù)。

2 化工實(shí)踐課程的新模式探索

傳統(tǒng)實(shí)踐課程的設(shè)置具有獨(dú)立性，削減了各個(gè)課程之間的有機(jī)關(guān)聯(lián)，嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)于專業(yè)技能的綜合掌握與應(yīng)用。針對(duì)單一工程問(wèn)題，以化工課程設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，整合化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)和模擬仿真實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)貫穿式教學(xué)的新模式，可發(fā)揮出各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，提高專業(yè)技能學(xué)習(xí)效率，并且有利于培養(yǎng)兼具理論知識(shí)與工程應(yīng)用的卓越化工人才。該新模式的應(yīng)用有助于緩解以下幾方面矛盾：

2.1 利用實(shí)踐課程的有機(jī)關(guān)聯(lián)使教學(xué)內(nèi)容逐層深入

首先，采用貫穿式教學(xué)模式不僅使得教學(xué)內(nèi)容上的得到延續(xù)，也強(qiáng)化了對(duì)教學(xué)時(shí)間的應(yīng)用，因采用的是三個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的加和，可以確保學(xué)生有充足時(shí)間完成高質(zhì)量的工程實(shí)踐作業(yè)。其次，由于圍繞單一工程問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，其相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容、資源和平臺(tái)可進(jìn)行有效整合，節(jié)省了學(xué)生對(duì)不同環(huán)節(jié)中不同問(wèn)題的學(xué)習(xí)時(shí)間和精力，增強(qiáng)各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的知識(shí)系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，減少部分重復(fù)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)間，提升了學(xué)生靈活解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。最后，貫穿式教學(xué)模式打破了傳統(tǒng)實(shí)踐課程之間壁壘，實(shí)現(xiàn)跨課程知識(shí)點(diǎn)的重組，從而構(gòu)建了多學(xué)科、多平臺(tái)的交叉融合，形成了適用于新工科教育理念的完整知識(shí)框架和能力結(jié)構(gòu)。

2.2 采用單一工程案例可緩解經(jīng)費(fèi)不足

在現(xiàn)有預(yù)算的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)費(fèi)的有效利用，整合多個(gè)工程實(shí)踐平臺(tái)資源，搭建各個(gè)平臺(tái)之間的聯(lián)通軌道才是解決經(jīng)費(fèi)問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)篩選合適的工藝教學(xué)案例，針對(duì)該工藝流程進(jìn)行平臺(tái)建設(shè)，可有效緩解同時(shí)建立多套裝置的教學(xué)平臺(tái)而引起的資金競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。例如選擇常減壓蒸餾裝置作為實(shí)踐課程的工程案例，在生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)只挑選具有代表性裝置(如千萬(wàn)噸級(jí)常減壓裝置)，帶領(lǐng)學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)記錄其生產(chǎn)數(shù)據(jù)和操作參數(shù)，了解工藝流程和自動(dòng)控制方案。同時(shí)，開(kāi)展對(duì)該裝置化工課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對(duì)工藝流程進(jìn)行模擬計(jì)算，并積極采用先進(jìn)工藝軟件輔助設(shè)計(jì)。比如采用Aspen Plus計(jì)算精餾塔的參數(shù)；利用SmartPlant 3D實(shí)現(xiàn)工藝三維配管；通過(guò)CAESARⅡ完成應(yīng)力校核；使用Aspen Energy Analyzer對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點(diǎn)分析并優(yōu)化等。將課程設(shè)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)比對(duì)修改，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，減少實(shí)習(xí)費(fèi)用的同時(shí)，極大地增強(qiáng)了學(xué)生們的求知欲望。另一方面，在進(jìn)行模擬仿真環(huán)節(jié)時(shí)，也可以利用Aspen Plus Dynamics軟件實(shí)現(xiàn)與化工課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的有機(jī)串聯(lián)，通過(guò)建立常減壓裝置的動(dòng)態(tài)模擬流程，完成對(duì)實(shí)際流程的仿真模擬，并利用干擾變量的輸入，檢驗(yàn)控制結(jié)構(gòu)的有效性和魯棒性。模擬仿真環(huán)節(jié)與化工課程設(shè)計(jì)的結(jié)合，可克服多套裝置仿真平臺(tái)的采購(gòu)費(fèi)用昂貴性與實(shí)習(xí)管理的復(fù)雜性，并提高了同學(xué)們的參與感，使得整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)變得更系統(tǒng)，體現(xiàn)專業(yè)課程知識(shí)體系中原有內(nèi)在聯(lián)系。

2.3 貫穿式教學(xué)模式有助于年輕教師快速成長(zhǎng)

由于改進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)方案具有連貫性，可為年輕教師提供整塊時(shí)間進(jìn)行充電學(xué)習(xí)。同時(shí)，由于選取的實(shí)踐案例具有單一性，也減輕了指導(dǎo)教師對(duì)龐雜知識(shí)體系的備課壓力。貫穿式教學(xué)模式是將化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)、模擬仿真與課程設(shè)計(jì)相結(jié)合，我們可以聘請(qǐng)企業(yè)專家和經(jīng)驗(yàn)豐富的教師同時(shí)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，而年輕教師在集中的時(shí)間段內(nèi)，可快速積累現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、工藝設(shè)計(jì)步驟和實(shí)際操作流程，有助于在短時(shí)間內(nèi)容完善教學(xué)任務(wù)，調(diào)整實(shí)習(xí)方案，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

伴隨化學(xué)工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)化工工程師的培養(yǎng)策略也逐步升級(jí)，在新形勢(shì)下，針對(duì)化工專業(yè)的新工科建設(shè)勢(shì)在必行。貫穿式化工教學(xué)模式的探索將有助于促進(jìn)化工實(shí)踐課程的教學(xué)思路、手段和資源調(diào)整與改進(jìn)，建立多元化實(shí)踐教學(xué)機(jī)制，以滿足對(duì)國(guó)家對(duì)新工科高級(jí)技術(shù)人才的需求。