新工科背景下化工過程分析與合成教學(xué)心得*

付 華，張愛華，馬 磊，李慧芳，郭 莉，焉海波

(青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

2017年2月和4月，教育部分別在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會和新工科建設(shè)研討會，共同探討了“新工科”的內(nèi)涵特征、建設(shè)、發(fā)展路徑及新工科建設(shè)的愿景，即“復(fù)旦共識”和“天大行動”。兩次會議指出，我國高等工程教育改革發(fā)展已經(jīng)站在新的歷史起點(diǎn)，為培養(yǎng)造就一批能夠引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程技術(shù)人才，需要高校工科教育體系進(jìn)行相應(yīng)改革，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展內(nèi)容，更新工程人才知識體系，同時(shí)應(yīng)用創(chuàng)新工程教育方式與手段，探索新工科自主發(fā)展、自我激勵(lì)機(jī)制，打造工程教育開發(fā)融合新生態(tài)，從而達(dá)到培養(yǎng)能夠適應(yīng)新形勢下的工科發(fā)展的工程技術(shù)人才的目的[1-3]。

這要求工科院?；蚓C合性院校必須緊跟時(shí)代發(fā)展，立足當(dāng)下時(shí)代及技術(shù)變革，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才，具體包括應(yīng)有較健全的新技術(shù)背景下的專業(yè)知識體系、掌握相應(yīng)的理論知識、對相關(guān)工程技術(shù)問題具有一定潛在解決的方法和能力，同時(shí)高校培養(yǎng)出的人才還需具備較高的人才素質(zhì)。新工科理念提出已近兩年，如何將新工科理念貫徹到每門課的教學(xué)工作中，多所高校已在進(jìn)行相關(guān)課程改革和實(shí)踐探索。本文將結(jié)合課程教學(xué)實(shí)踐對如何提升新工科背景下的《化工過程分析與合成》教學(xué)效果進(jìn)行探討。

1 結(jié)合新工科理念，打磨適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)的本科生培養(yǎng)方式

新工科理念對高校授課目的做了規(guī)劃，指出：工科優(yōu)勢高校要對工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用；綜合性高校要對催生新技術(shù)和孕育新產(chǎn)業(yè)發(fā)揮引領(lǐng)作用；地方高校要對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮支撐作用。作為青海省唯一一所“211”工程大學(xué)、唯一一所集理工農(nóng)醫(yī)為一體的綜合性省部共管大學(xué)，青海大學(xué)的育人理念是培養(yǎng)一批拿得起、下得去、留得住的新型應(yīng)用型人才。由于化工與制藥類專業(yè)學(xué)生第六學(xué)期末去工廠進(jìn)行為期一個(gè)月的專業(yè)實(shí)習(xí)，因此可通過專業(yè)實(shí)習(xí)具備一定的實(shí)際生產(chǎn)認(rèn)知，而本課程開設(shè)在第七學(xué)期，可以利用這一實(shí)際生產(chǎn)認(rèn)知與本課程相關(guān)知識結(jié)合，使學(xué)生學(xué)習(xí)印象更深刻。故授課前，教研室會進(jìn)行專門的教學(xué)研討，討論本學(xué)期學(xué)生的專業(yè)實(shí)習(xí)背景如何與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。教學(xué)研討中，幾位主講教師根據(jù)學(xué)生不同的實(shí)習(xí)經(jīng)歷分享授課經(jīng)驗(yàn)，并探討不同的實(shí)習(xí)經(jīng)歷如何以案例形式嵌入教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生根據(jù)已有的化學(xué)生產(chǎn)過程認(rèn)知對本課程內(nèi)容掌握的更加透徹，從而達(dá)到使青海省化工行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐與本課程更好地結(jié)合，進(jìn)而使學(xué)生在青海地區(qū)化工廠就業(yè)后可迅速立足崗位的目的。

在授課過程中，針對青海大學(xué)服務(wù)青海省人才培養(yǎng)的教育基礎(chǔ)，立足青海本地企業(yè)特色，將天然氣制甲醇、甲醇精餾、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯生產(chǎn)等青海省政府大力扶持和發(fā)展的工況運(yùn)用于授課實(shí)例中，幫助學(xué)生在工作之后能盡快理論和實(shí)際相配合。通過教師之間相互溝通，取長補(bǔ)短，有的放矢，可以有很強(qiáng)針對性地對培養(yǎng)學(xué)生，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的目的。而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，通過教師不斷強(qiáng)化專業(yè)背景知識和實(shí)踐知識，也能夠具備一定的服務(wù)青海省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的專業(yè)背景知識。增強(qiáng)解決專業(yè)問題的能力。

2 結(jié)合新工科理念，優(yōu)化課程體系，注重實(shí)踐與理論相結(jié)合

《化工過程分析與合成》是青海大學(xué)化工與制藥類專業(yè)的專業(yè)課。重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生用系統(tǒng)工程觀點(diǎn)和方法研究化工過程的開發(fā)、設(shè)計(jì)、最優(yōu)操作和最優(yōu)控制。課程共講授三大模塊的內(nèi)容，即化工過程系統(tǒng)的模擬和分析，化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化和化工過程系統(tǒng)合成。這三大模塊是從數(shù)學(xué)和系統(tǒng)工程角度出發(fā)，講授如何對化工過程系統(tǒng)進(jìn)行模擬并建立數(shù)學(xué)模型；對化工系統(tǒng)中常見的優(yōu)化問題、優(yōu)化方法和化工操作參數(shù)的優(yōu)化等提出解決方法；講授如何對化工系統(tǒng)中的換熱網(wǎng)絡(luò)、分離塔序列進(jìn)行綜合合成等。因此本課程既與數(shù)學(xué)知識關(guān)系密切，又與化工過程實(shí)例密不可分。

在授課過程中，如從原理出發(fā)，則會更多地講授數(shù)學(xué)知識，學(xué)生反映內(nèi)容晦澀難懂，不易理解，也比較枯燥。因此近年來，我校對本課程的講解偏重理論與實(shí)踐結(jié)合的方式組織教學(xué)。面對新工科教育理念，青海大學(xué)化工學(xué)院為化工與制藥類專業(yè)的學(xué)生配備了化工原理課程仿真和專業(yè)課程仿真的實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生除了在第二學(xué)期末進(jìn)行認(rèn)識實(shí)習(xí)、第六學(xué)期末進(jìn)行專業(yè)實(shí)習(xí)外，還在第五學(xué)期初和第七學(xué)期初進(jìn)行課程仿真實(shí)踐課程和專業(yè)仿真實(shí)踐課程的訓(xùn)練。因此，當(dāng)講授化工系統(tǒng)過程的模擬和分析時(shí)，主講教師應(yīng)用仿真過程和實(shí)習(xí)期間學(xué)生已經(jīng)熟練掌握的絕熱閃蒸、等溫閃蒸、精餾過程為例，幫助學(xué)生建立化工系統(tǒng)的概念，并在這些化工過程的工工藝流程圖的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行過程系統(tǒng)的模擬。這樣一來，學(xué)生對模擬和分析的概念既能產(chǎn)生興趣又能理解掌握，并深入腦海。達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

3 提高主講教師的工程技術(shù)背景

《化工過程分析與合成》課程既然與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系緊密，而新工科背景又要求學(xué)生具有較完備的專業(yè)知識體系和應(yīng)用相關(guān)專業(yè)知識解決實(shí)際問題的潛在能力，因此，有意識地培養(yǎng)學(xué)生綜合知識的運(yùn)用就成了重中之重。而近年來入校主講教師雖然均擁有博士及以上學(xué)歷，然而碩士及博士的教育很大程度在實(shí)驗(yàn)室完成。因此造成教師與企業(yè)生產(chǎn)及行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀有所脫節(jié)、教師實(shí)際生產(chǎn)過程工程背景不強(qiáng)，從而導(dǎo)致對本科生的教育很多時(shí)候是紙上談兵，且達(dá)不到新工科理念要求。

為此，青海大學(xué)提出了教師入企業(yè)參加工程實(shí)踐，提高主講教師的工程實(shí)踐背景的實(shí)踐活動，提倡教師多參加高校與企業(yè)對接會議及相關(guān)活動，了解企業(yè)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀及行業(yè)發(fā)展趨勢等。通過工程實(shí)踐，教師深入企業(yè)生產(chǎn)一線，了解一線工人及工程師對實(shí)際生產(chǎn)工況的操作及存在的問題，對企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀有了較全面的認(rèn)知，因此可以將生產(chǎn)實(shí)際和存在的問題引入《化工過程分析與合成》課程中去，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行從實(shí)際問題入手，進(jìn)行生產(chǎn)工藝模擬、參數(shù)優(yōu)化以及合成某工段或工序的換熱網(wǎng)絡(luò)等生產(chǎn)實(shí)際問題。從而大大增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)際生產(chǎn)的認(rèn)識和解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力。此外，通過教師與企業(yè)對接，使教師了解行業(yè)目前生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，則可以讓教師在實(shí)際授課中有的放矢，對于目前和未來發(fā)展需要的重點(diǎn)知識做詳細(xì)說明，而行業(yè)目前已經(jīng)淘汰的或應(yīng)用較少的理念，可以略講或不講，如此一來可以使教師在有限時(shí)間內(nèi)盡可能傳授給學(xué)生更多更有用的知識，學(xué)生與企業(yè)和行業(yè)實(shí)際接軌，也會提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

4 注重計(jì)算機(jī)模擬軟件與課程實(shí)際聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)生綜合能力

新工科理念主張以學(xué)生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段。整合內(nèi)外資源創(chuàng)造條件，打造工程教育開放融合新生態(tài)。而《化工過程分析與合成》要求在學(xué)習(xí)該課程后，學(xué)生應(yīng)具備運(yùn)用系統(tǒng)工程知識和方法對化工過程分析、優(yōu)化及綜合的能力，并在此過程中，對某個(gè)化工過程在設(shè)計(jì)、操作及能源使用等方面上達(dá)到最優(yōu)化。針對《化工過程分析與合成》這門課程與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系密切，然而在講授時(shí)數(shù)學(xué)知識多、理論知識枯燥難以理解、生產(chǎn)實(shí)踐課時(shí)不足等特點(diǎn)，在學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)、仿真實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上，給學(xué)生布置工藝過程模擬及優(yōu)化大作業(yè)。該大作業(yè)應(yīng)用在許多化工企業(yè)和國外高校本科生教學(xué)中的應(yīng)用已非常普遍的通用型化工流程模擬軟件，如Aspen Plus、PRO/II等操作軟件，結(jié)合學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)中學(xué)習(xí)的實(shí)際化工過程，通過在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對具體生產(chǎn)過程的分析與合成，讓學(xué)生進(jìn)一步以所學(xué)理論知識對實(shí)際問題進(jìn)行流程模擬、分析以及優(yōu)化、合成。

目前本科生對電腦操作普遍比較熟練，也對軟件模擬感興趣，因此，這種利用計(jì)算機(jī)軟件和實(shí)際生產(chǎn)背景知識相結(jié)合的手段對課程內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的訓(xùn)練，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍比較濃厚，從而達(dá)到以學(xué)生志趣改變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段的目的。

布置大作業(yè)時(shí)，既注重生產(chǎn)實(shí)際與專業(yè)背景知識的結(jié)合，又注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新理念的融合。以2019年秋季學(xué)期為例，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)程度，教研室布置大作業(yè)的方向?yàn)樘烊粴庵萍状季s過程模擬與分析、甲醇提純過程模擬與分析、CH2CI2溶劑的絕熱閃蒸過程部分優(yōu)化、簡捷法設(shè)計(jì)精餾塔的ASPEN模擬、乙炔氣相法合成醋酸乙烯、醋酸乙烯精餾工段模擬與優(yōu)化等。大作業(yè)的具體操作方法是根據(jù)班級人數(shù)，讓學(xué)生4～5人組成一組，每個(gè)小組再以實(shí)習(xí)期間或做課程設(shè)計(jì)期間用到的工藝為基礎(chǔ)，通過查找文獻(xiàn)資料、工藝流程確定、過程軟件模擬與優(yōu)化、后期作業(yè)word文檔的編輯及ppt制作及講解等過程對學(xué)生的綜合能力進(jìn)行訓(xùn)練。在此過程中，每個(gè)學(xué)生在小組中均有不同分工，讓學(xué)生通過大作業(yè)將工廠實(shí)踐與理論結(jié)合起來，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)印象更為深刻，且在該作業(yè)過程中，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和工程實(shí)踐能力，從而達(dá)到新工科理念主張的創(chuàng)新工程教育方式和工程教育開放融合新生態(tài)[4-5]。

在ppt講解的課堂討論環(huán)節(jié)，按大作業(yè)總體完成質(zhì)量；文獻(xiàn)資料的查找及應(yīng)用；word文檔語言邏輯及編寫質(zhì)量；PPT制作質(zhì)量：報(bào)告講解；團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況等，由教師和班級其他小組同學(xué)打分，并將所得分?jǐn)?shù)計(jì)入平時(shí)成績。這樣一方面可以通過強(qiáng)化過程考核，讓學(xué)生對大作業(yè)重視起來，并努力協(xié)作完成工作任務(wù)；另一方面，通過對其他小組的打分及評價(jià)可以及時(shí)認(rèn)識到自身還需要提高的地方，做到取長補(bǔ)短，并及時(shí)消化沒有掌握好的知識。

由上例可知，大作業(yè)可以讓學(xué)生將所學(xué)的系統(tǒng)工程思想、化工過程模擬、序貫?zāi)K法、參數(shù)優(yōu)化、換熱網(wǎng)絡(luò)合成等本課程所學(xué)內(nèi)容得到訓(xùn)練，同時(shí)又能理論聯(lián)系實(shí)際，并將創(chuàng)新思想融入其中。在此過程中，學(xué)生可以再次鞏固所學(xué)知識，鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提升PPT制作能力，以及匯報(bào)人的邏輯思維等，既可以達(dá)到課程綜合訓(xùn)練目的，又能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

此外，主講教師還進(jìn)行了課改，利用雨課堂進(jìn)行授課和實(shí)時(shí)測試，讓學(xué)生充分理解學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并盡量在課堂消化。通過知識點(diǎn)強(qiáng)化，學(xué)生在學(xué)期末的考試中及格率得到了提高。

5 結(jié) 語

根據(jù)化工過程分析與合成課程要求及新工科人才培養(yǎng)要求，以學(xué)生為中心，以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，以學(xué)生現(xiàn)有的知識水平為基礎(chǔ)，結(jié)合專業(yè)實(shí)習(xí)及仿真實(shí)訓(xùn)，以滿足新工科背景下的課堂教學(xué)質(zhì)量為目的，在教學(xué)全過程中注重適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建立了實(shí)踐與理論密切聯(lián)系的課程體系，以及注重過程考核和學(xué)生參與度的課堂教學(xué)體系。通過課程建設(shè)，提高了教師的工科背景，增強(qiáng)了學(xué)生參與度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的理論與實(shí)踐相結(jié)合解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新性思維，為學(xué)生將來順利進(jìn)入工作崗位打下了基礎(chǔ)。