建立以學(xué)生為中心的化工系統(tǒng)工程教學(xué)探索

夏斐斐 徐秀敏 楊鳳麗

（江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 常州213001）

化工系統(tǒng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的一門重要課程,該課程結(jié)合化工熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、化工單元操作、最優(yōu)化方法、工程數(shù)學(xué)等方面的知識(shí),運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法研究化工過程的整體特性,實(shí)現(xiàn)化工過程系統(tǒng)在開發(fā)、設(shè)計(jì)、操作、管理等各個(gè)層面的最優(yōu)化,從而提高化工過程單元的工藝水平,旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用化工基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)處理實(shí)際問題的能力。

但是,該課程的內(nèi)容相當(dāng)寬泛,涉及化工過程各單元的模擬、設(shè)計(jì)和優(yōu)化,以及各單元之間的集成分析[1]。同時(shí),化工單元過程涉及大量數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)以及計(jì)算機(jī)程序框圖,化工過程優(yōu)化理論包含數(shù)學(xué)優(yōu)化、求解算法等基本理論,這些內(nèi)容對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和計(jì)算機(jī)編程能力要求較高,容易讓學(xué)生望而生畏,缺乏學(xué)習(xí)的積極性和興趣,從而導(dǎo)致課堂教學(xué)氣氛沉悶,教學(xué)效果欠佳。因此,常見教學(xué)方法并不能適用于所有的授課內(nèi)容,有必要優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和改善教學(xué)方法以提高學(xué)生對該課程的興趣。具體來說,為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的課程教學(xué),可以嘗試從以下四個(gè)方面進(jìn)行探索。

1 豐富教學(xué)元素,拓展課程體系

在課堂上,應(yīng)用各種教學(xué)元素展示學(xué)術(shù)最前沿的理論知識(shí),不僅可以拓展課程體系,還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課前教師要有針對性地做好教學(xué)設(shè)計(jì),授課知識(shí)點(diǎn)廣而深,最好能用淺顯正確的語言及豐富的教學(xué)元素讓學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)。授課的課件應(yīng)該條理清晰,盡可能地提高課堂教學(xué)課件中圖片和表格的比例,做到相關(guān)教學(xué)素材、音效與文字內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合。另外,在化工系統(tǒng)工程中,換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合是主要教學(xué)內(nèi)容。但是,換熱網(wǎng)絡(luò)的分析與合成在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中已趨于成熟,特別是換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)技術(shù),在工業(yè)界已有數(shù)十年的應(yīng)用歷史[2,3],已不是目前學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題,這部分教學(xué)內(nèi)容缺乏新的、前沿性的知識(shí)。為了使學(xué)生更容易理解和掌握換熱網(wǎng)絡(luò)綜合這部分內(nèi)容,我們在近年的教學(xué)實(shí)踐中,逐步將化工設(shè)計(jì)中涉及的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和熱集成水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)內(nèi)容引入課程[4]。這部分內(nèi)容既是對夾點(diǎn)技術(shù)相關(guān)知識(shí)的深化,也是對化工過程體系的應(yīng)用拓展,有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 以學(xué)生為主體,改變“填鴨式”教學(xué)方法

化工系統(tǒng)工程課程安排在本科學(xué)年第四學(xué)年的第一學(xué)期（大四上學(xué)期）,此時(shí)學(xué)生已經(jīng)完成了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、化工原理、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工分離工程、化工應(yīng)用軟件等課程的學(xué)習(xí),為學(xué)習(xí)化工系統(tǒng)工程課程儲(chǔ)備了一定的基礎(chǔ)知識(shí)。但是該課程的理論性極強(qiáng),在教授的過程中必須結(jié)合實(shí)際工程案例,這樣有助于學(xué)生在理解基本理論知識(shí)的同時(shí),對化工過程單元還可以有一定的認(rèn)識(shí),從而對激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力有益。同時(shí),本課程的培養(yǎng)目標(biāo)之一就是要求學(xué)生能夠解決實(shí)際生產(chǎn)過程中存在的問題。因此,為了提高學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的能力,教學(xué)中應(yīng)盡量給學(xué)生更多的學(xué)習(xí)主動(dòng)權(quán),為學(xué)生提供更多自學(xué)、探討、創(chuàng)作的機(jī)會(huì)。另外,在課堂教學(xué)時(shí),教師可以在一段教學(xué)內(nèi)容開始時(shí)先著重介紹本次課程內(nèi)容的應(yīng)用背景和工程意義,同時(shí)提出實(shí)際生產(chǎn)中的若干問題,讓學(xué)生帶著這些問題聽課。這時(shí)學(xué)生就會(huì)在這些問題的引導(dǎo)下進(jìn)行思考,在聽課的同時(shí),根據(jù)已具備的化工專業(yè)知識(shí)思考出一些解決問題的方法。最后,經(jīng)過小組討論,得出解決本堂課開始時(shí)提出問題的初步方案,這樣就做到了課堂上以學(xué)生為主體的課堂教學(xué),達(dá)到此節(jié)課程的教學(xué)目標(biāo)。課堂結(jié)束后,教師根據(jù)本節(jié)課所授的知識(shí)內(nèi)容布置課后思考題目,要求學(xué)生帶著問題去預(yù)習(xí)下節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容,并儲(chǔ)備相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

3 以工程實(shí)際案例為背景,豐富課后作業(yè)

化工系統(tǒng)工程是一門與實(shí)際工程結(jié)合緊密的課程,但從理論知識(shí)教學(xué)到工程實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。為了培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力,在講授化工過程單元模塊的自由度時(shí),可以安排學(xué)生結(jié)合化工原理課程所學(xué)的活性分離裝置的特征以及在此裝置中所包含的流股數(shù)目、各個(gè)流股包含的獨(dú)立變量數(shù)目及獨(dú)立變量之間的關(guān)系進(jìn)行討論。此類小組討論問題可以設(shè)計(jì)為課后讓學(xué)生先收集資料,小組討論后再在課堂上分享,也可以設(shè)計(jì)為隨堂討論。通過小組討論以工程實(shí)例為背景的思考問題,不僅可以鍛煉學(xué)生搜集、整理和獲取數(shù)據(jù)的能力,同時(shí)也鼓勵(lì)了學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決問題的能力。因此,安排小組討論時(shí),一定要精心設(shè)計(jì)需要討論的問題,所設(shè)計(jì)的問題既要與課程知識(shí)點(diǎn)相聯(lián)系,又要有一定深度和廣度,這樣才可以最大限度地考察學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的掌握理解情況并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本課程的課堂教學(xué)中著重通過案例介紹化工過程數(shù)學(xué)模型的建立與求解策略,以及化工過程參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化理念與具體方法[1,4]。教師通過具體實(shí)例講解復(fù)雜化工問題的分析與合成方法后,學(xué)生可基本形成感性層面的整體認(rèn)知。對于僅靠聽講無法掌握的細(xì)節(jié)操作問題,我們會(huì)在課后布置相應(yīng)的大作業(yè),要求學(xué)生針對化工生產(chǎn)過程,查閱、分析文獻(xiàn)資料,通過合理簡化與假設(shè),結(jié)合質(zhì)量衡算、熱量衡算、動(dòng)量衡算及其連接條件,建立能描述過程的較為合理的數(shù)學(xué)模型,然后利用工程軟件或者通過計(jì)算機(jī)編程對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算求解,從而完成操作參數(shù)優(yōu)化或結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。通過完成大作業(yè),學(xué)生能夠得到適當(dāng)?shù)挠?xùn)練,加深理解與體驗(yàn)。結(jié)合實(shí)際工程案例講授相關(guān)的單元過程的設(shè)計(jì)、模擬和優(yōu)化,有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還能加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 優(yōu)化考核方式,注重過程性考核

另外,為了使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到課程教學(xué)和考核中,本課程采用過程性評價(jià)、表現(xiàn)性評價(jià)和結(jié)果性評價(jià)相結(jié)合的方式對課程成績進(jìn)行綜合評定。課程考核總成績中,平時(shí)成績占50%,其中線下平時(shí)成績占30%（包括平時(shí)線下作業(yè)5%、筆記5%和化工系統(tǒng)工程實(shí)例方案的設(shè)計(jì)20%）、線上成績（雨課堂中的預(yù)習(xí)、測試和討論）占10%、線下課內(nèi)討論練習(xí)占10%,期末考試成績占50%。其中化工系統(tǒng)工程實(shí)例方案的設(shè)計(jì),以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力為核心。

5 結(jié)語

綜上所述,高校教師在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí),要提高課堂教學(xué)的效果,使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到課堂教學(xué)中,就需要不斷地豐富課堂內(nèi)容、改善教學(xué)方法和優(yōu)化考核方式。另外,還需要注重理論與實(shí)踐的結(jié)合,讓學(xué)生能夠應(yīng)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題,達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。同時(shí),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心,也可以培養(yǎng)學(xué)生把握問題本質(zhì)及分析和解決問題的綜合能力。