卓越工程師計(jì)劃下的“化工原理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

＊武朝軍 解瑞俊

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 內(nèi)蒙古 010051）

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工藝與工程專業(yè)始創(chuàng)于1958年，在幾十年的發(fā)展過程中為內(nèi)蒙古自治區(qū)培養(yǎng)了大量的化工人才。在專業(yè)的發(fā)展過程中我們本著立足內(nèi)蒙古，面向全國的理念在學(xué)科建設(shè)上取得一定成績。2011年我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)開始實(shí)施卓越計(jì)劃，致力于培養(yǎng)掌握系統(tǒng)的化工專業(yè)的理論知識，同時具備較強(qiáng)的創(chuàng)造能力與實(shí)踐能力的化工應(yīng)用型人才。為了有效實(shí)施卓越計(jì)劃，在學(xué)生的培養(yǎng)過程中不僅要按照通用標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來培養(yǎng)化學(xué)工程技術(shù)人才，相比普通班而言，為此在專業(yè)課程教學(xué)過程中，需要不斷完善教學(xué)方法，突出工程觀，加強(qiáng)卓越班學(xué)生學(xué)生化學(xué)工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?！痘ぴ怼肥腔ゎ悓I(yè)的專業(yè)本科生的一門主干課程，講授化工單元操作的原理、典型設(shè)備及其計(jì)算，是理論與實(shí)際結(jié)合密切的技術(shù)基礎(chǔ)課程。起著承上啟下、由理到工的橋梁作用。也是化工類專用的“當(dāng)家課程”。針對“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，在課程執(zhí)行工程中，了解當(dāng)前工程實(shí)際對化學(xué)工程師的基本要求，明確化學(xué)工程師所應(yīng)具有的基本素養(yǎng)，通過系統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)掌握化學(xué)工程師所應(yīng)具備的基本專業(yè)知識如化工過程的單元操作的物料衡算和熱量衡算、過程速率、過程極限理解，并掌握單元操作的設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型及操作及工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)等。并有能力綜合運(yùn)用以上基本專業(yè)知識解決工程實(shí)際問題，到達(dá)“具備化學(xué)工程與工藝專業(yè)基礎(chǔ)知識，并能用于解決化學(xué)工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題”卓越化學(xué)工程師應(yīng)具有的基本能力。為了實(shí)現(xiàn)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”在化工原理課程的理論教學(xué)及課程設(shè)計(jì)過程中中進(jìn)行了積極的改革與探索。

1.化工原理課程的理論教學(xué)改革

化工原理課程主要是研究化工過程中各單元操作的基本原理及其各設(shè)備的設(shè)計(jì)、操作與調(diào)節(jié)，是真實(shí)的、復(fù)雜的工程問題提煉，這些問題大多來自于實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，過程計(jì)算繁瑣，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，具有很強(qiáng)的實(shí)踐工程性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中面對大量的知識體系，往往會覺得“無理”。在教學(xué)過程中如何評判課程的教學(xué)效果，不能簡單看學(xué)生考試的分?jǐn)?shù)，更應(yīng)該同通過學(xué)生畢業(yè)以后在實(shí)際工作中解決問題的能力來判別。當(dāng)前化工原理課程理論教學(xué)模式重于理論知識講授，以教師為中心，理論與實(shí)際結(jié)合不緊密，大部分是“滿堂灌”的教學(xué)方式，對于學(xué)生的理論思維能力培養(yǎng)不夠；其次是與工程實(shí)際脫節(jié)，由于化工生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，許多工程實(shí)際問題是無法依照習(xí)題計(jì)算的，是需要進(jìn)行理論思維、分析、判斷。目前學(xué)生都一直在學(xué)校學(xué)習(xí)，對工程問題沒有概念。如何在教學(xué)過程中，使學(xué)生不僅僅解決能夠算得出的問題，也要把工程觀點(diǎn)貫徹始終，構(gòu)建一個較完整的工程理念，培養(yǎng)其在今后的工作中對不能算得出問題的解決的能力是值得我們在卓越班教學(xué)過程中思考探索的。

(1)優(yōu)化教學(xué)方式，培育工程意識

化工原理課程建設(shè)在化工卓越工程技術(shù)人才培養(yǎng)中占有最重要的地位，是學(xué)生對化學(xué)工程知識體系學(xué)習(xí)和應(yīng)用的開始。在每個單元操作中，以基本原理與概念為基石，使學(xué)生掌握單元操作的設(shè)計(jì)型計(jì)算，掌握單元操作的強(qiáng)化方法。以工程案例為依托，使學(xué)生理解如何用單元操作的基本原理來指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。在課程講授過程中，認(rèn)真梳理教學(xué)內(nèi)容，不是簡單的面面具到照本宣科，而是要抓住對理解某一問題的關(guān)鍵內(nèi)容精講，講深講透。對于難于理解的知識點(diǎn)，設(shè)置課前導(dǎo)學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對相應(yīng)知識點(diǎn)做課前討論，課上進(jìn)一步深入理解。在化工原理課程中，引用了較多的經(jīng)驗(yàn)方程式，如果照本宣科，學(xué)生往往難以接受。這時，就要讓學(xué)生認(rèn)識到，面對復(fù)雜的特定實(shí)際問題，他們?nèi)绻麅H僅依靠熟悉的“數(shù)、理”學(xué)科這樣對復(fù)雜問題簡化處理的方法是無法解決千變?nèi)f化的工業(yè)實(shí)際的。在課程內(nèi)容中，著眼于單元操作內(nèi)在規(guī)律的揭示，真正地把“理”說透。對于實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容，如離心泵內(nèi)容的講述，可以依托本校的化工實(shí)訓(xùn)中心，采用課堂教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的方法，實(shí)驗(yàn)室拆裝和運(yùn)行離心泵，介紹泵的結(jié)構(gòu)及其工作原理，形象直觀。依托實(shí)訓(xùn)中心流體輸送裝置，進(jìn)一步理解流體輸送的工業(yè)實(shí)際，認(rèn)識化工生產(chǎn)中不同的輸送方式及流體機(jī)械設(shè)備，認(rèn)識管路系統(tǒng)中各類控制閥門，控制儀表。在傳熱的內(nèi)容部分，以北方室內(nèi)供熱為例，討論為什么室內(nèi)暖氣要設(shè)置在房間的底部，為了保持冬天室內(nèi)溫度可以采用哪些措施。通過課程的討論加強(qiáng)學(xué)生對對流傳熱和導(dǎo)熱的認(rèn)識。在換熱器部分，依托實(shí)訓(xùn)中心，認(rèn)識不同類型換熱器的結(jié)構(gòu)，結(jié)合多媒體資料，理解換熱器內(nèi)部流體的流動及換熱形式。通過實(shí)訓(xùn)中心內(nèi)的精餾塔，讓學(xué)生認(rèn)識精餾塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。播放專題教學(xué)片，使學(xué)生了解板式塔、填料塔的設(shè)計(jì)研究方法，通過工程案例探討設(shè)備結(jié)構(gòu)對單元操作的影響。通過多樣的教學(xué)手段，在教學(xué)中引入學(xué)生可以理解的工程實(shí)踐案例，使學(xué)生對所學(xué)的知識從工程的新角度進(jìn)行思考和重新認(rèn)識，能夠“以小見大，由此及彼”強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。認(rèn)識到知識不僅僅是書本上，而是和生活、生產(chǎn)密切相關(guān)。

(2)理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)工程素養(yǎng)

化工原理課程目標(biāo)不僅要求學(xué)生具有工程定量計(jì)算的能力，并要求具備一定的工程觀點(diǎn)和設(shè)計(jì)能力。有意識地培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，強(qiáng)化工程意識。在整個課程過程中，給學(xué)生灌輸工程觀念的要義，即“可行、安全、經(jīng)濟(jì)”，也就是理論工藝上的可行性、操作上的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。為了實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，在課程教學(xué)中做了以下改革。選擇典型工程案例題目，讓學(xué)生課下分組討論，以主題報告的形式給大家匯報。這給環(huán)節(jié)不僅能夠增進(jìn)學(xué)生間的交流與協(xié)作，而且增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識。

化工原理課程作為化學(xué)工程學(xué)科的主干課程，要面對工程實(shí)際，教師要從生產(chǎn)實(shí)際中抽提出有關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用化工原理的理論進(jìn)行分析闡述。在柏努利方程式應(yīng)用的中，學(xué)生可接觸到高位槽輸送、氣體壓料、機(jī)械輸送等實(shí)際問題，依托學(xué)院的實(shí)訓(xùn)中心裝置，是學(xué)生認(rèn)識流體輸送的不同方式及管路的構(gòu)成。通過課程學(xué)習(xí)使掌握流體流動的基本道理，而且在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際輸送任務(wù)，以天然氣長距離輸送為例，設(shè)置題目，讓學(xué)生查閱資料，確定設(shè)計(jì)路線，選擇輸送設(shè)備，選擇管徑，以總費(fèi)用（設(shè)備費(fèi)+操作費(fèi)）為目標(biāo)函數(shù)，比較不同組別的設(shè)計(jì)結(jié)果。同時讓學(xué)生思考，天然氣是易燃?xì)怏w，在設(shè)備選擇和操作中應(yīng)當(dāng)注意哪些問題。通過問題的討論，使學(xué)生明白和掌握了“流體輸送”的這一工程概念，懂得了設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)的實(shí)際應(yīng)用，和經(jīng)濟(jì)上的合理性及其和其他零部件的配套性等工程觀念。這樣不僅強(qiáng)化了實(shí)際工程應(yīng)用概念，而且也進(jìn)一步提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以旋風(fēng)分離器的應(yīng)用為例，討論在化工生產(chǎn)流程中，旋風(fēng)分離器、換熱器及風(fēng)機(jī)設(shè)置的相對位置對工藝的影響。在傳質(zhì)的單元操作學(xué)習(xí)時，會設(shè)置“塔設(shè)備”工程案例討論課。以板式塔的流體力學(xué)負(fù)荷性能圖為基礎(chǔ)，討論不同類型塔板對精餾塔生產(chǎn)能力及操作彈性的影響。在討論這些工程問題時，把安全、環(huán)保的概念細(xì)潤無聲地傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生認(rèn)識到，對復(fù)雜化工生產(chǎn)問題的分析解決不僅僅是技術(shù)上的可行。

(3)依托“互聯(lián)網(wǎng)+”，拓展教學(xué)空間

為了保證學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果，同時也是為了有效提升《化工原理》這門課程的教學(xué)效果，必須因地制宜地對課堂模式進(jìn)行調(diào)整。仍然保留傳統(tǒng)教學(xué)模式中以教師“教”為主的授課方式，確保將課程的重難點(diǎn)清晰而透徹地講與學(xué)生，使其理解；但與此同時，還要對傳統(tǒng)的教學(xué)模式做出一定改變、提升。

借助互聯(lián)網(wǎng)，建立課程學(xué)習(xí)平臺，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和學(xué)生展開交流。在授課過程中通過網(wǎng)絡(luò)平臺給學(xué)生們發(fā)布學(xué)習(xí)資料，布置思考問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的困難和問題可隨時與老師在課堂上或者線上就重點(diǎn)難點(diǎn)問題進(jìn)行交流討論，拓寬課堂的深度和寬度。另外，教學(xué)平臺上還配有相關(guān)知識點(diǎn)的練習(xí)及試題庫，學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識，并可在線測試，檢驗(yàn)對知識的理解和掌握程度。多樣的教學(xué)平臺發(fā)展也給學(xué)生提供了在課堂之外尋找更多教學(xué)視頻與學(xué)習(xí)資源的機(jī)會。利用自媒體資源，給學(xué)生推送化工原理相關(guān)的文章，使學(xué)生加深對單元操作原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，也可以借助互聯(lián)網(wǎng)，使學(xué)生查找最新的設(shè)備及相關(guān)知識?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式，是互聯(lián)網(wǎng)與教學(xué)的深度融合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源多渠道融合，豐富教學(xué)素材；例如，在講授“過濾”的時候，讓學(xué)生提前通過互聯(lián)網(wǎng)查閱目前市場上的家用凈水器的結(jié)構(gòu)、工作原理，為深入理解“深床過濾”做知識儲備。讓學(xué)生搜索我國市場的工業(yè)用的過濾機(jī)類型，對過濾設(shè)備的認(rèn)知進(jìn)一步深入。依托“互聯(lián)網(wǎng)+”，有效地補(bǔ)充“以教師為中心”的教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，把學(xué)習(xí)的立足點(diǎn)面向“以學(xué)生為中心”“互聯(lián)網(wǎng)+”能讓學(xué)生根據(jù)興趣及需求自主學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)的主動性。

(4)精選教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)過程

目前化工原理課程教學(xué)內(nèi)容主要是圍繞各單元操作展開，每個單元操作包含過程和設(shè)備兩部分。在一個時期，課程教學(xué)存在著重過程輕設(shè)備的問題。各個單元操作都是根據(jù)一定的物理或物理化學(xué)原理實(shí)現(xiàn)某一個特定目的，在卓越班教學(xué)中，要求學(xué)生對單元操作掌握“發(fā)展、選擇、設(shè)計(jì)和操作”四個方面。“發(fā)展”是要求學(xué)生理解一個單元操作是如何發(fā)展成的，溯本求源是培養(yǎng)創(chuàng)新性人次的重要環(huán)節(jié)。例如，在課程中涉及到多個分離的單元操作，物性的差異是分離的依據(jù)。存在差異就有分離的可能性，但不一定能夠達(dá)到高純度的分離。工程工作者的任務(wù)就是要把這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)性，這就是發(fā)展開發(fā)的意義?！斑x擇”是工程技術(shù)人員解決問題的必經(jīng)之路。為了實(shí)現(xiàn)某一工程目的，進(jìn)行過程和設(shè)備的合理選擇和組合。以液-固混合液的分離為例，顆粒尺寸的大小及固含量是選擇分離設(shè)備的主要依據(jù)?！霸O(shè)計(jì)”是針對過程和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，如果在設(shè)計(jì)過程中缺乏一些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，會通過有效的實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)?！安僮鳌睂W(xué)生而言，就是學(xué)會根據(jù)基本原理的知識預(yù)測操作性能，尋找操作過程在可能出現(xiàn)的不正常操作的現(xiàn)象、原因及調(diào)節(jié)方法。

在課程教學(xué)過程中，深入分析教學(xué)內(nèi)容，以“過程分析”→“過程數(shù)學(xué)描述”→“實(shí)例分析”這樣的程序來組織教學(xué)。以單元操作的原理為起點(diǎn)，以工程目的為終點(diǎn)。在分析工程時，運(yùn)用邏輯思維，提出問題、討論問題、解決問題。以蒸餾工程分析為例：首先明確蒸餾操作目的、蒸餾分離的依據(jù)、蒸餾過程的經(jīng)濟(jì)性，最后是蒸餾過程的操作特性和操作參數(shù)對工程的影響。在數(shù)學(xué)描述時，對于傳質(zhì)工程，不外列衡算方程（物料衡算方程、熱量衡算方程），建立過程的特征方程（相平衡方程），之后聯(lián)立求解。在化工原理的單元操作中，采用了各種工程處理的方法，講清楚這些處理方法的實(shí)質(zhì)是課程教學(xué)的關(guān)鍵。例如，在精餾塔板數(shù)的計(jì)算中引入“理論板”和“板效率”的概念，可以加深對精餾過程和精餾設(shè)備的理解。理論板是純過程（精餾）的特征，板效率是設(shè)備（精餾塔）特征。這樣的分解對工程實(shí)際問題的處理帶來很大的方便。在學(xué)生具備化工過程的基礎(chǔ)知識之后，引導(dǎo)學(xué)生以工程案例入手，應(yīng)用化工原理的基本理論和方法對實(shí)際的化工單元操作問題進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實(shí)際問題的能力。在課程教學(xué)中，不僅要使學(xué)生掌握各個單元操作的相關(guān)知識，而且要讓學(xué)生理解各單元操作的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。例如通過傳熱推動力與傳質(zhì)推動力表達(dá)式的比對，雙膜理論中的傳質(zhì)阻力與間壁式換熱器總熱阻的對比理解對流傳熱和對流傳質(zhì)的類比。對吸收、蒸餾、萃取典型傳質(zhì)單元做總結(jié)，分析傳質(zhì)過程的實(shí)質(zhì)。使學(xué)生進(jìn)一步理解“相平衡”是傳質(zhì)過程的極限?！跋嗟牟黄胶狻笔莻髻|(zhì)過程的推動力。這樣學(xué)生在分析操作型問題時就有抓手，可以有的放矢地分析討論強(qiáng)化過程的方法。

2.化工原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革

“化工原理”課程設(shè)計(jì)是對學(xué)生進(jìn)行的第一次綜合性的實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，是學(xué)生第一次從工程視角出發(fā)，以某一單元操作為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行理論計(jì)算，工程計(jì)算，單元操作設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。原來的設(shè)計(jì)題目相對單一，題目與實(shí)際結(jié)合不夠緊密。以板式精餾塔設(shè)計(jì)為例，之前我們的設(shè)計(jì)題目主要是乙醇-水分離精餾塔設(shè)計(jì)，苯-氯苯精餾塔的分離。設(shè)計(jì)題目單一，學(xué)生容易出現(xiàn)雷同現(xiàn)象。在卓越班的課程設(shè)計(jì)中我們做了一些改革嘗試。以生產(chǎn)實(shí)際或近年的化工設(shè)計(jì)大賽題目為背景抽提設(shè)計(jì)題目。題目擴(kuò)展到“丙烯腈－丙烷、丙烷－丙烯、乙酸乙酯－乙醛、正丁醇－異丁醇、乙苯-苯乙烯”分離過程板式精餾塔設(shè)計(jì)。為了加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力與工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，學(xué)生可以自行組隊(duì)但每人一組數(shù)據(jù)，首先引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解體系物資的應(yīng)用背景。通過小組成員間的討論與合作加強(qiáng)學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中對化工過程與工藝了解。完成某學(xué)生為中心的教學(xué)方式一個單元操作的工藝流程設(shè)計(jì)不僅僅是一個主體設(shè)備的設(shè)計(jì)而要有整體的工程觀念。在精餾塔設(shè)計(jì)中，需要把精餾塔及塔頂冷凝器與再沸器綜合考慮操作條件對其設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)的影響。在工藝設(shè)計(jì)中，要關(guān)注能量的合理利用問題，合理設(shè)置流程中多個換熱器之間冷熱介質(zhì)流股配置。工藝確定后，要求學(xué)生采用化工流程模擬軟件Aspen Plus完成單元操作的流程模擬，鼓勵學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)過的基礎(chǔ)知識，并通過查閱工具書、國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料補(bǔ)充相關(guān)知識，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)際問題，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。設(shè)計(jì)過程中從體系的相平衡數(shù)據(jù)到單元操作主體設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)及核算鼓勵學(xué)生充分利用Excel和Aspen Plus等相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算。使用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行流體輸送機(jī)械的選擇，將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到設(shè)計(jì)過程中。在課程設(shè)計(jì)過程中，很好地貫徹了“學(xué)生為中心”的教學(xué)方式，而且進(jìn)一步使學(xué)生樹立“工程經(jīng)濟(jì)”的概念，一個好的工程設(shè)計(jì)不僅技術(shù)上可行，還需要經(jīng)濟(jì)上合理。通過化工原理課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程技能及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為實(shí)現(xiàn)“卓越工程師”計(jì)劃，培養(yǎng)高質(zhì)量的化工工程技術(shù)人才奠定良好基礎(chǔ)。

3.結(jié)論

為提高化工原理原理課程的教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的目標(biāo)，培養(yǎng)具有“大工程觀”，有一定創(chuàng)新實(shí)踐能力的化工優(yōu)秀的應(yīng)用型人才，我們在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法運(yùn)用等方面進(jìn)行積極探索和實(shí)踐，綜合運(yùn)用各種教學(xué)資源與教學(xué)方法，從單純的“以教師為中心”的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。通過幾年的教學(xué)實(shí)踐取得較好的效果。