基于OBE的《化工軟件及應用》課程教學探索

龍厚昂，劉 惠，洪學壯，李 偉，邰月華，張 淼

(煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005)

進入新世紀以來，隨著和石化產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展中國經(jīng)濟水平快速的發(fā)展與不斷提高，石化產(chǎn)業(yè)已成為國家經(jīng)濟實力快速提升與發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，同過去相比，化工行業(yè)正在發(fā)生一系列的改變[1]。隨著計算機軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)逐漸向各學科滲透，化工行業(yè)的飛速發(fā)展，已經(jīng)越來越不開計算機技術(shù)。因此，大學教育需要將計算機技術(shù)引入到日常教學中。為全面貫徹黨的十九大精神，作為服務地方經(jīng)濟發(fā)展的煙臺大學，應密切聯(lián)系本地區(qū)的行業(yè)人才需求，做好服務地方產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)優(yōu)秀人才的工作[1]。化學工作者除了具有化學、化工專業(yè)知識外，還應該掌握與本專業(yè)相關(guān)的計算機應用技術(shù)[2]。因此我院開設了《化工軟件及應用》專業(yè)課，意在培養(yǎng)化工專業(yè)學生利用化工軟件解決實際問題。

1 課程現(xiàn)狀

化工軟件及應用旨在培養(yǎng)學生將計算機知識應用于分析/解決復雜化學工程問題的能力，借助專業(yè)模擬軟件從分子層次、設備層次以及工藝流程層次深入認識和理解化工反應過程。通過掌握這些化工模擬與仿真技術(shù)，為將來的新型反應過程開發(fā)、化工設備設計以及工藝流程優(yōu)化奠定基礎。本課程主要介紹化工過程模包括單元設備級別和全工藝流程級別。主要以講授Aspen Plus軟件為例，全面介紹如何利用軟件，在計算機上重現(xiàn)化工現(xiàn)場，從而實現(xiàn)化工生產(chǎn)中涉及到的分子性能預測、設備流場的模擬、工藝設計優(yōu)化等過程的模擬與仿真。

化工軟件及應用課程針對化學工程與工藝專業(yè)開設專業(yè)課，課時為64學時，其中32學時為講述理論學時，主要講授軟件的具體應用和操作方法，32學時為學生上機學時，主要為學生自己上機學習使用軟件及用軟件解決復雜的化工問題。

OBE理念(Outcome-based Education)又稱“成果導向教育”理念，是以“學生為中心”的教育理念，高等工程類專業(yè)要求學生具備良好的創(chuàng)新實踐能力[3]。以OBE理念為導向，學生不僅要掌握必要的專業(yè)理論知識，同時培養(yǎng)學生們的創(chuàng)新能力和解決實際問題的綜合素質(zhì)。我院將工程教育專業(yè)認證與OBE教育理念相結(jié)合，將OBE理念轉(zhuǎn)化為課程教學內(nèi)容和、學生通過學習后所能達到的畢業(yè)要求，如表1所示。

表1 基于OBE理念的“化工軟件及應用”課程內(nèi)容和要求

對照工程教育專業(yè)認證和OBE教學理念，傳統(tǒng)的授課方式已經(jīng)很難滿足學生的畢業(yè)要求。傳統(tǒng)的授課方式主要是老師在課堂上講授ASPEN軟件的理論知識和操作步驟，學生在課堂上記筆記，大部分的課堂時間，學生都在記筆記，學生很難參與到教學中來，老師也很難和學生進行互動。老師講的抽象，學生們聽的模糊。在這種教學方式下，原本抽象且理論性較強的化工課程就更加讓學生難以接受，更不要提及取得良好的教學效果了[4]。理論課時和上機課時各為32學時，學生先上理論課學習ASPEN軟件的操作步驟，然后在上實踐課學習操作ASPEN軟件。理論課與上機課分別獨立進行，這樣這就會造成課程的分割，理論課和上機課很難很好的銜接。學生們在理論課學習之后，本身對于有些課上老師講解的重難點理解較差，在經(jīng)過幾天上實踐課，對于老師講解的重難點，學生們很多時候都已經(jīng)淡忘，或者對于老師講解的內(nèi)容已經(jīng)模糊或者記不清楚想不起來了。上機操作之前就忘記了理論課學習的知識點，理論課與上機課嚴重的脫節(jié)，導致學生們無法深刻理解所學的知識，理論和實踐不能有效的銜接，無法為學生建立立體感的思維，學生難以理解課堂教學中的重難點，很難提升是學生的學習效果和熱情[4]?；贠BE理念，化工軟件及應用課程勢必要進行一次改革。

2 課程改革探索

2.1 案例教學

選取能完美體現(xiàn)教學內(nèi)容的案例，體現(xiàn)ASPEN軟件的強大優(yōu)勢和靈活性。例如，學生在學習化工軟件及應用這門課之前，都要做化工原理課程設計，在進行化工原理課程設計中學生們要通過計算安托因方程 lgP0= A-B/(t + C)得出分離物質(zhì)的飽和蒸汽壓，再由泡點方程和露點方程可得出 X 和 Y，最后通過平衡方程的計算可得出相對揮發(fā)度 a。在通過逐板計算法計算精餾塔的理論塔板數(shù)以及精餾段和提餾段[5]。逐板計算法計算量大，而且數(shù)據(jù)處理復雜。而在ASPEN軟件中只需要選中DSTWU模塊，建立相應的流程，輸入分離物質(zhì)的輕重關(guān)鍵組分即可。模擬運行就可以計算出最小理論板數(shù)及進料位置，如圖1所示。同學在利用ASPEN軟件計算時，可以大大簡化同學們的工作量，體現(xiàn)出ASPEN軟件的強大與方便。

圖1 ASPEN軟件DSTWU模塊計算出最小理論板

ASPEN軟件盡管功能強大，方便靈活。但是再利用ASPEN軟件進行計算時，同學們并不知道計算過程，只是簡單的進行參數(shù)的輸入，這也讓同學的直觀感受度大大降低。在以化工原理課程設計為例講解ASPEN軟件時，應該結(jié)合逐板計算法和軟件操作一起給同學講解精餾的簡捷計算，使同學們一目了然，印象更加深刻。將計算理論計算過程與計算軟件操作一起運用，加深同學們的直觀理解。同時也可以對比兩種計算方法的誤差，找出誤差原因。

2.2 改進教學方法

傳統(tǒng)的授課方式主要是老師在課堂上講授ASPEN軟件的理論知識和操作步驟，在上機課具體操作ASPEN軟件。這種教學方法導致理論和上機課嚴重脫節(jié)，學生們無法深刻理解所學的知識。這種傳統(tǒng)的教學方式已經(jīng)無法滿足OBE教育理念下學生發(fā)展的需求，更不利于學生獨立思考問題和獨立動手解決問題能力的培養(yǎng)與提高。因此，老師要充分發(fā)揮學生的主體性，提高學生學習的積極性。為了能讓學生參與到課堂上來，同時與老師形成良好的互動關(guān)系。老師提前把下一節(jié)課知識的重點和難點告訴同學，同學可以自己分組，課下同學自己查閱相關(guān)資料和預習重難點，讓學生們帶著問題來聽課。在課堂上，首先讓學生們先講解自己課下所查閱的資料，講解預習的重點難點。學生是主講，教師是旁聽。在學生講課老師聽課的過程中，老師通過學生對重難點的講解情況，就能了解學生們對于知識重難點的掌握情況，老師再根據(jù)學生講課的內(nèi)容，適時調(diào)整講課的內(nèi)容與重難點，這樣就能對于學生講不清楚或者講不懂的知識點，更加有針對性的講解，更加有利于學生們對于知識重難點的理解，提高學生學習的熱情。這樣師生互動，老師尊重學生的主體地位，不僅能夠建立良好的師生關(guān)系，還能夠促進教師和學生互幫互助、相互學習和共同進步。

除了對課堂主客體角色的轉(zhuǎn)變，老師還要充分利用現(xiàn)代多媒體以及互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在很多學校都進行了慕課以及公開課。老師們要利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，與同學們分享慕課以及公開課。通過觀看慕課或者公開課，提高老師的教學水平，改進教師的教課方法。同時學生們在課下觀看慕課以及公開課，可以對于課堂上的疑惑點進行鞏固提高。

2.3 ASPEN在其他課程中的應用

ASPEN軟件在化工生產(chǎn)中具有廣泛的應用，基于Aspen Plus 軟件的強大功能，ASPEN軟件可以應用在化工的很多專業(yè)課程中。將ASPEN軟件與化工專業(yè)課相結(jié)合可以解決很多實際問題。例如，ASPEN軟件的上機課為32學時，由于上機課時短，學生們要想掌握好ASPEN軟件的操作，具有很高的挑戰(zhàn)。將ASPEN軟件與化工專業(yè)課相結(jié)合，可以解決ASPEN軟件上機課時短的問題。同時，同學們學習其他專業(yè)課時，也對ASPEN軟件的操作進行了鞏固，防止了學生們學完ASPEN軟件后長時間不操作，對于知識點的遺忘，加深了同學們對于ASPEN軟件的記憶。此外，將ASPEN軟件與化工專業(yè)課相結(jié)合，還可以使化工專業(yè)課更加立體，更加生動，避免化工專業(yè)課的枯燥乏味，簡化同學們的很多繁瑣的計算過程。

ASPEN軟件可以與化工熱力學課程相結(jié)合，講授熱力學中關(guān)于物性計算方法等知識。ASPEN軟件與分離工程相結(jié)合，解決化工分離工程的一些復雜問題。ASPEN軟件與化工原理課程設計相結(jié)合，可以比較逐板計算法和軟件計算的快慢與優(yōu)缺點。ASPEN軟件與化工設計大賽相結(jié)合，提高學生們學以致用的能力，獲得真正的感知感。

3 結(jié)論

隨著計算機軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，未來的化工專業(yè)人才一定要具備良好的計算機水平和扎實的專業(yè)基礎。隨著國際工程教育和OBE 教育理念不斷推進，課程教育質(zhì)量迫切需要提高?；ぼ浖皯谜n程的改革與探索對提高化工專業(yè)人才的計算機應用能力、解決復雜工程問題的能力、培養(yǎng)復合型人才具有重要的意義。在教學改革過程中，將案例教學與軟件應用相結(jié)合，即講授原理又講授軟件操作，實現(xiàn)多樣化教學，提高學生學習興趣。通過對課堂主客體角色的轉(zhuǎn)變，加深學生們對于知識重難點的理解，提高學生學習的熱情。同學們利用課下的慕課和公開課資源，可以對課堂上的疑惑點進行鞏固提高，解決課后知識盲點。通過將ASPEN軟件與化工專業(yè)課相結(jié)合，避免化工專業(yè)課的枯燥乏味，使化工專業(yè)課更加立體，更加生動。將ASPEN軟件延伸到其他課堂，提高了同學們對于ASPEN軟件的操作能力以及解決實際問題的能力，提高學生們學以致用的能力，獲得真正的感知感。