基于工程教育認證的"化工過程分析與合成"教學探討

晉 梅,安 良,吳宇瓊,鄒琳玲

(江漢大學 化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430056)

為了適應新世紀化工類專業(yè)人才培養(yǎng)的需求， “化工過程分析與合成”列入化學工程與工藝專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心課程之一，同時也列入我國《工程專業(yè)認證標準》中的必修課程[1]。“化工過程分析與合成”是將系統(tǒng)工程的思想、方法和策略用于解決化工過程系統(tǒng)中復雜的化學工程問題。學生通過本課程學習，能運用系統(tǒng)工程的觀點和方法對化工過程系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析、過程系統(tǒng)模擬與優(yōu)化，實現(xiàn)化工過程系統(tǒng)在開發(fā)、設計、操作以及管理等各個層面達到單個或多個目標的最優(yōu)化[2]。

結合工程教育專業(yè)認證，在教學過程中，引入“以學生為中心，以成果為導向”的OBE教學理念，對課程目標、課程考核方式和評價體系進行教學設計，優(yōu)化教學內(nèi)容；引入思維導圖，培養(yǎng)學生自主學習能力；采用研討式、啟發(fā)式和問題導向的復合式教學方法，培養(yǎng)學生分析和解決問題能力；應用Aspen Plus流程模擬軟件進行課程實踐教學，提高學生創(chuàng)新實踐能力和工程實踐能力。

1 OBE教學理念貫穿課程教學設計和教學過程

表1 基于OBE理念的“化工過程分析與合成”課程內(nèi)容和要求

Spady等人在1981年提出成果導向教育，簡稱OBE，已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念，被工程教育專業(yè)認證采納。OBE教學理念是將傳統(tǒng)的“以教師為中心”、“以課本為中心”的教學理念轉變成四個較為具體的問題：“我們想讓學生取得的學習成果是什么？”“為什么要讓學生通過本課程的學習取得這樣的學習成果？”“如何有效的通過課程學習取得這些學習成果？”“如何知道學生在課程學習結束后已經(jīng)取得了這些學習成果？”[3]。為了更好的貫徹OBE教學理念，將上述四個問題轉化為課程教學內(nèi)容、學生通過學習后所能達到的畢業(yè)要求、學生的能力培養(yǎng)要求和課程的考核方式等具體的課程目標，如表1所示。

通過“化工過程分析與合成”教學內(nèi)容的設計，學生可獲得三個課程目標的學習成果，以滿足學生能達到的畢業(yè)要求，三個課程目標分別與學生畢業(yè)后“問題研究能力、設計/開發(fā)方案能力以及使用現(xiàn)代工具的能力”相關，另外，通過平時作業(yè)、結課考試、上機實踐以及提交課程報告等考核學生是否滿足課程的教學目標，最后通過計算課程目標達成度，對學生達成情況進行分析評價，為持續(xù)改進提供思路。

2 思維導圖的應用培養(yǎng)學生自主學習和問題分析的能力

思維導圖是英國托尼巴贊在1970年提出的一種發(fā)散性思考可視化工具，模擬人腦的工作方式，充分運用左右腦的技能，讓左半腦和右半腦在思維過程中協(xié)同運作，以樹形分支延伸出去，形成一種樹狀思維。

在教學過程中，為了強化學生自主學習能力和教會學生“如何學習”，在章節(jié)或知識點學習結束后，引入思維導圖，幫助學生系統(tǒng)性的掌握知識，培養(yǎng)學生自主學習能力和形成自己的學習方法。如，在過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬方法講解完之后，引入如圖1所示的思維導圖，幫助學生將所學的內(nèi)容按照邏輯關系梳理所學的知識點以及梳理各知識點之間存在的關聯(lián)。通過思維導圖，一方面，培養(yǎng)學生對所學知識的分析、總結能力，另一方面，培養(yǎng)學生自主學習的能力，提高學習的主觀能動性。

圖1 過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬方法的思維導圖

3 復合式教學模式培養(yǎng)學生設計/開發(fā)解決方案的能力

在教學中，采用問題導向、啟發(fā)式、研討式和案例式的復合式教學模式[4]，既把學生當做教學的客體，又把學生當成學習的主體，讓學生更主動的獲取知識，調(diào)動學生積極思維的能力。

在“圖解法確定夾點”教學過程中，引導學生對不同ΔTmin下溫-焓圖中所得到的不同過程系統(tǒng)最大熱回收、最小公用工程加熱和最小公用工程冷卻量進行討論，啟發(fā)和引導學生提出確定合理ΔTmin的思路和方法，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，并幫助學生建立設計/開發(fā)方案的概念。

在換熱網(wǎng)絡綜合教學過程中，結合前期所學的傳熱學和熱力學的理論知識，討論換熱網(wǎng)絡綜合的優(yōu)化目標，并對不同理論所得到的初步換熱網(wǎng)絡進行討論。在夾點法換熱網(wǎng)絡綜合的教學過程中，通過案例教學，培養(yǎng)學生將夾點處物流匹配的可行性原則和經(jīng)驗性規(guī)則的理論知識用于換熱網(wǎng)絡綜合過程，尤其在如何拆分流股滿足夾點處物流匹配的可行性原則上，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力以及設計/開發(fā)方案的能力。在分離序列綜合教學中，引導學生將分離序列綜合的優(yōu)化目標進行合理簡化，并采用案例教學方法，讓學生學會應用有序直觀推斷法提出初步分離序列設計方案，培養(yǎng)學生設計/開發(fā)方案的能力。

4 Aspen Plus流程模擬軟件培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代工具的能力

Aspen Plus軟件是美國麻省理工學院在20世紀70年代開發(fā)的化工模擬軟件，可用于單元過程和完整工藝流程模擬，是應用最為廣泛的大型通用穩(wěn)態(tài)模擬軟件和功能最全面的過程工程軟件，在化工設計院、研究院、企業(yè)和高校教學中具有普遍應用。

為了加強學生工程實踐能力的培養(yǎng)，在課程實踐教學過程中引入Aspen Plus軟件進行某體系精餾塔的模擬與優(yōu)化、某產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程模擬與優(yōu)化、并將Aspen Plus和Aspen Energy Analyzer關聯(lián)使用[5-6]，在流程模擬的基礎上對過程系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡夾點進行分析，并提出換熱網(wǎng)絡設計方案。

將Aspen Plus流程模擬軟件應用于化工過程分析與合成的教學中，不但培養(yǎng)了學生應用計算機應用能力，也讓學生了解了實際工程案例在軟件中模擬和優(yōu)化中的應用，使課程緊密聯(lián)系化工生產(chǎn)實際過程，提高學生的自主創(chuàng)新能力和工程實踐能力。另外，通過化工過程的模擬，也讓學生了解軟件在實際工程問題中的使用局限性，培養(yǎng)學生學會分析模擬軟件計算結果的可靠性和正確性。

5 小結

在中國工程教育專業(yè)認證體系下，建立“以學生為中心”、“以成果為導向”的OBE教學理念，同時，在教學過程中引入思維導圖，培養(yǎng)學生自主學習能動性和學會"如何學習"；采用復合式教學方法，培養(yǎng)學生自主分析問題、解決問題的能力，并培養(yǎng)學生設計/開發(fā)方案的能力；基于Aspen Plus流程模擬軟件進行工程實踐問題的模擬與優(yōu)化，將工程實踐和理論相結合，引導學生合理選擇模擬軟件并能認識到軟件在使用過程中局限性，提高學生的綜合專業(yè)素質。