《化工系統(tǒng)工程》課程教學改革探索與實踐

鄧 春，王彧斐

(中國石油大學 化學工程與環(huán)境學院 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249)

化工系統(tǒng)工程是將系統(tǒng)工程的理論和方法應用于化工過程領域的一門新興的交叉學科，是化學工程的一個分支[1]。郭慕孫教授指出化學工程目前覆蓋了所有物質(zhì)的物理和化學加工工藝，可稱為過程工程[2]。因此，化工系統(tǒng)工程也稱為過程系統(tǒng)工程或化工過程系統(tǒng)工程。成思危教授和楊友麒教授給出如下定義，過程系統(tǒng)工程是一門綜合性的交叉學科(如圖1所示)，它以處理物料流-能量流-信息流的過程系統(tǒng)為研究對象(如圖2所示)，其核心功能是過程系統(tǒng)的組織、計劃、協(xié)調(diào)、設計、控制和管理，其目的是達到技術經(jīng)濟上的最優(yōu)化，并符合安全環(huán)保等可持續(xù)發(fā)展的要求[3]。目前，過程系統(tǒng)工程的理論和技術已經(jīng)廣泛應用于石油化工，冶金，制藥、食品、造紙等過程工業(yè)中，例如，流程模擬，換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計/改造，煉油生產(chǎn)計劃與調(diào)度優(yōu)化，過程控制和參數(shù)優(yōu)化等，對于提高資源和能源的利用效率方面起到積極有效的作用。

圖1 化工系統(tǒng)工程與其他學科的關系示意圖

圖2 化工系統(tǒng)工程的研究對象

《化工系統(tǒng)工程》是化工類及相關專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課程[1]。我校針對化工類的本科生開設《化工系統(tǒng)工程》課程，屬于專業(yè)選修課程，學時為48學時(2017年秋調(diào)整為40學時)，安排在本科學年第四學年的第一學期(大四上學期)，大四的學生已經(jīng)完成高等數(shù)學，線性代數(shù)，化工原理，化工熱力學，化學反應工程，化工應用軟件，化工設計概論、石油加工工藝、有機化工工藝等課程的學習，為化工系統(tǒng)工程的學習儲備了一定的基礎知識?！痘は到y(tǒng)工程》是從事化工過程設計、改造和優(yōu)化工作必不可少的基礎課程之一?？偰繕耸遣捎眯碌闹R結構模式進行理論授課和實訓教學，使學生能夠綜合運用化工熱力學、化學反應工程、化工原理或化工單元操作、系統(tǒng)工程、最優(yōu)化方法、工程數(shù)學和計算機編程等方面的知識，進行主要化工過程單元和系統(tǒng)的模擬與分析、化工過程系統(tǒng)的綜合與集成、化工過程操作參數(shù)與系統(tǒng)結構的優(yōu)化，以實現(xiàn)化工過程技術上和經(jīng)濟上的最優(yōu)化，并達到可持續(xù)發(fā)展的要求，從而培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，達到學以致用的目的。該課程的主要任務是使化工類的本科生學會利用化工系統(tǒng)工程的思想和方法來解決本專業(yè)中碰到的單純用化工專業(yè)知識難以解決的問題[4]。筆者借鑒其他教師的教學經(jīng)驗和自身的教學工作經(jīng)驗，從教學內(nèi)容、方法和考核方式等方面逐步探索和實施改革，取得了較為明顯的效果。

1 化工系統(tǒng)工程課程教學改革探索與實踐

針對以往教學過程中存在的問題，結合專業(yè)和學生的具體培養(yǎng)目標，深入剖析以往教學過程中學生的反饋意見，筆者采取了如下改革措施，并在實踐中不斷完善和改進。

1.1 精選核心教學內(nèi)容

化工系統(tǒng)工程的內(nèi)容相當寬泛，涉及單元過程建模和模擬，系統(tǒng)分解，過程系統(tǒng)的建模與模擬，最優(yōu)化理論，過程系統(tǒng)綜合與集成等內(nèi)容?；卧^程涉及大量數(shù)學公式的推導以及計算機程序框圖，化工過程優(yōu)化理論包含數(shù)學優(yōu)化，求解算法等基本理論，這些內(nèi)容對學生的數(shù)學基礎知識和計算機編程能力要求較高，容易讓學生望而生畏，缺乏學習的積極性，從而導致課堂教學氣氛沉悶，教學效果欠佳。借鑒其他高校教師的教學經(jīng)驗，筆者認真梳理了教學內(nèi)容，分為三大部分，如表1所示，包括過程系統(tǒng)模擬部分(單元過程和系統(tǒng)的建模與模擬)，過程系統(tǒng)綜合與集成部分(換熱網(wǎng)絡綜合，能量集成等)和過程系統(tǒng)優(yōu)化部分(線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃，整數(shù)規(guī)劃等理論和經(jīng)典算法)。

表1 化工系統(tǒng)工程課程主要教學內(nèi)容

筆者在單元過程和系統(tǒng)建模與模擬的教學過程中，主要借助于過程模擬軟件Aspen Plus進行教學演示，同時要求學生親自上機演示，并學會使用幫助文件，理解各模塊的結構，原理，以及適用范圍等。國內(nèi)的教材中有關過程模擬的內(nèi)容，以大量篇幅介紹過程單元/系統(tǒng)的數(shù)學模型，系統(tǒng)分解的理論，卻鮮有介紹與常用的過程模擬軟件(例如Aspen Plus，Hysys)之間的聯(lián)系。這兩部分的教學內(nèi)容具有很強的關聯(lián)性，過程模擬軟件的開發(fā)正是基于過程單元/系統(tǒng)的數(shù)學模型，以及系統(tǒng)分解的理論。如果不注重兩者之間的聯(lián)系，又因為過程單元/系統(tǒng)的數(shù)學模型和系統(tǒng)分解的理論枯燥，學生容易忽略其重要性，無法激起學生的學習興趣。我們選擇典型的過程單元/系統(tǒng)(例如混合過程)，分別建立數(shù)學模型和Aspen模擬模型，注重數(shù)學模型和Aspen Plus模擬模型之間的關聯(lián)性。我們講解最基礎的系統(tǒng)分解的理論(例如：單元串搜索法和回路矩陣法)，并針對典型的過程系統(tǒng)進行應用，進一步結合Aspen Plus模擬軟件進行教學演示(例如共沸精餾分離乙醇和水，苯乙烯合成工藝流程)，強調(diào)系統(tǒng)分解的理論的重要性。筆者還安排8個學時的上機時間，讓學生利用Aspen完成安排的任務，主要包括：基于實驗數(shù)據(jù)，需用熱力學模型，回歸熱力學參數(shù)，泡露點計算，甲烷水蒸汽重整制氫，變壓精餾等案例。

過程系統(tǒng)優(yōu)化是最優(yōu)化方法和理論在化工過程系統(tǒng)中的應用。最優(yōu)化方法和理論相關的知識非常豐富，大部分學生都未選修最優(yōu)化方面的課程，難以接受最優(yōu)化算法理論方面的知識。為了激發(fā)學生的學習興趣，筆者盡量減少最優(yōu)化算法方面知識的介紹，重點講解線性規(guī)劃以及圖解法，重點簡介了煉油廠生產(chǎn)計劃優(yōu)化的案例。筆者學習和借鑒了國內(nèi)外過程系統(tǒng)工程研究領域著名學者的課件，重新整理和過程系統(tǒng)優(yōu)化的課件，主要分成4個部分：基本概念，線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃，并簡要介紹了GAMS優(yōu)化建模軟件的使用方法，推薦了典型規(guī)劃問題的求解算法和求解器。筆者還安排2個學時的上機時間，讓學生用GAMS編制簡單的線性規(guī)劃模型，例如運輸模型等。

過程系統(tǒng)綜合與集成涉及的內(nèi)容非常廣泛。在教學改革之前，筆者重點講解了換熱網(wǎng)絡綜合，分離序列綜合，過程系統(tǒng)能量集成和質(zhì)量集成，講解了部分公用工程系統(tǒng)綜合方面的內(nèi)容。然而，這些內(nèi)容的知識點過于松散，學生可能只能理解部分內(nèi)容，缺乏對這些內(nèi)容之間的關聯(lián)性的理解和思考。筆者與國內(nèi)系統(tǒng)工程領域?qū)＜荫T霄教授交流，重新優(yōu)化了教學內(nèi)容，主要包括換熱網(wǎng)絡綜合、蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化綜合、分離系統(tǒng)優(yōu)化綜合。優(yōu)化后的教學內(nèi)容，強化了知識點之間的聯(lián)系，有助于學生對知識的理解和掌握。筆者還安排2個學時的上機時間，讓學生學會利用Aspen Energy Analyzer進行換熱網(wǎng)絡分析與設計，包括流股數(shù)據(jù)輸入，繪制冷熱復合曲線和總復合曲線，進行換熱網(wǎng)絡設計，涉及流股分支和消除熱負荷回路等等。

1.2 采用理論教學與案例分析相結合的教學方法

筆者常采用理論教學與案例分析相結合的教學方法。例如，整數(shù)規(guī)劃部分內(nèi)容的講解，傳統(tǒng)的教學模式在于先講解整數(shù)規(guī)劃模型的特點，然后再講解求解的算法(如分支定界法等)。筆者首先給出一個簡單的煉油生產(chǎn)計劃問題，讓大家假想作為管理者，如何確定最優(yōu)的生產(chǎn)計劃方案。然后逐步引導大家建立數(shù)學模型，并與書本上整數(shù)規(guī)劃的規(guī)范形式進行對比。先不急于講解求解整數(shù)規(guī)劃模型的求解方法，而是將這個簡單的模型寫入LINGO優(yōu)化軟件中，直接調(diào)用LINGO軟件內(nèi)置的分支定界算法進行求解，進而引導學生學習分支定界算法求解整數(shù)規(guī)劃問題。筆者通過簡化的工業(yè)生產(chǎn)實際問題給學生講授優(yōu)化的思想，抽象的數(shù)學算法也不再深奧和神秘，激發(fā)了學生的學習激情和動力，取得了很好的教學效果。

1.3 采用分組學習和研討的教學模式

充分利用小班教學的優(yōu)勢，筆者將全班學生分成小組，平均每組5～6人，同時兼顧保研和考研的學生比例。每組需要完成兩份過程系統(tǒng)模擬，兩份過程系統(tǒng)綜合與集成，一份過程系統(tǒng)優(yōu)化大作業(yè)。其中，過程系統(tǒng)模擬的內(nèi)容要求學生在講臺或者機房現(xiàn)場講解流程和模擬要點，其他小組的學生和筆者負責提問。值得一提的是，筆者還將這部分的課堂內(nèi)容進行視頻錄像，作為后續(xù)觀摩和改進的影像資料備份留存。另外，筆者還專門邀請本課題組在讀的碩士研究生，曾經(jīng)全國化工設計大賽一等獎獲得者，結合自己所做的課題，講解如何使用Aspen Energy Analyzer進行苯乙烯裝置的換熱網(wǎng)絡優(yōu)化改造。此外，本課題組邀請過程系統(tǒng)工程研究領域的國際專家Jiri Klemes教授，陳誠亮教授，尤峰崎教授，SantanuBandyopadhyay教授，Denny Kok Sum Ng教授，Dominic Chwan Yee Foo教授, José María Ponce-Ortega教授，張楠博士，李瑞元博士等來我校交流并做講座。筆者也邀請本科生聆聽講座，部分學生也能夠積極參與，學生表示這些講座開闊了他們的視野，同時也進一步激發(fā)了他們的學習興趣。

1.4 改革傳統(tǒng)的考核方式

傳統(tǒng)的考核方式往往通過期末試卷考試來評定學生對課程掌握情況。然而，《化工系統(tǒng)工程》是一門實踐性較強的課程，難以通過試卷對學生進行充分的考量。筆者把學生的試卷

分數(shù)在總評成績中的比例降至60%～70%，另外30%～40%的成績由大作業(yè)、課堂討論來組成。在分組學習和討論的基礎上，筆者為了鍛煉學生撰寫科技論文的能力，要求每人完成1篇小論文，參考《化工學報》《石油學報(石油加工)》等代表性中文期刊論文進行寫作，包括中英文摘要，關鍵詞，正文和參考文獻。筆者還針對不同類別的論文擬定了建議的論文撰寫框架和評分標準。學生補交要提交小論文的文檔，還要求提交源文件(例如Aspen模擬文件，GAMS或者Matlab源程序和Aspen Energy Analyzer模擬文件等)。近3年的教學實踐結果顯示，約20%的學生完成質(zhì)量很高，其中1名學生的小論文已發(fā)表在中文核心期刊上；約70%的學生能夠按照要求完成任務，但是問題分析不夠透徹；約10%的學生完成質(zhì)量較差，論文撰寫能力欠缺，甚至部分學生抄襲論文，筆者記為零分。

2 結論和展望

筆者從四大方面對《化工系統(tǒng)工程》課程教學內(nèi)容進行改革探索和實踐，包括精選核心教學內(nèi)容，采用理論教學與案例分析相結合的教學方法，采用分組學習和研討的教學模式，改革傳統(tǒng)的考核方式等。學生評教和同行教學專家聽課評議結果較好，表明筆者的改革和實踐起到了較好的改革效果，提升了該課程的教學質(zhì)量。