“三步走”法全面提高化工專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)

曾 嶸，汪 坤，梁嘉琪，劉建文，龍華麗，王 凱

（湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北武漢430062）

傳統(tǒng)的化工類專業(yè)的教學(xué)模式，主要是通過(guò)理論課程、實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)以及實(shí)習(xí)來(lái)培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工科思維、工程意識(shí)及工程素養(yǎng)。對(duì)于化工及相關(guān)專業(yè)，如石油、制藥、輕工、食品以及材料等，“化工原理”既是一門重要的工程學(xué)科，也是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課?！盎ぴ怼本C合運(yùn)用化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識(shí)解決在化學(xué)單元操作以及生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，它是連接學(xué)生純理論知識(shí)和工程實(shí)踐的重要橋梁，為學(xué)生日后的工作實(shí)踐夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)完“化工原理”理論課程后，都會(huì)安排實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力?！盎ぴ怼睂?shí)驗(yàn)是繼“化工原理”理論課后輔助學(xué)生樹立正確的工程意識(shí)的又一門工程學(xué)科，是理論課教學(xué)的補(bǔ)充和深化，也是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生工科思維的重要組成部分?！盎ぴ怼睂?shí)驗(yàn)主要包括一些基礎(chǔ)的化工單元操作實(shí)驗(yàn)，如萃取、精餾、干燥、管道阻力的測(cè)定以及離心泵性能的測(cè)定等。這類操作實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)都較為相似：對(duì)操作的要求嚴(yán)格、步驟繁瑣、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，并且要求學(xué)生的協(xié)調(diào)控制能力強(qiáng)，否則如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中前后環(huán)節(jié)不一致，容易導(dǎo)致操作失誤，損壞設(shè)備，造成人力、物力、時(shí)間的浪費(fèi)。但是，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，化工單元操作的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足社會(huì)綜合型人才的需求，此時(shí)，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)也悄然而生。

仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代化工企業(yè)的基本生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)流程以及操作過(guò)程開發(fā)出來(lái)的一套虛擬仿真系統(tǒng)。最早于1987年由北京化工大學(xué)仿真中心成功開發(fā)出我國(guó)第一套計(jì)算機(jī)化工仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，并隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展及系統(tǒng)的逐漸完善，仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)已在各大高校、化工、煉油等企業(yè)中廣泛應(yīng)用。仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法將理論研究和實(shí)訓(xùn)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，不僅揭示了化工生產(chǎn)過(guò)程中學(xué)生難以了解的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、內(nèi)在聯(lián)系和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，還提高了學(xué)生對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制能力?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)有很多高校都采取了這種訓(xùn)練系統(tǒng)，但是任何事物都具有兩面性，仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)也不例外。因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)操作終究是模擬的操作，離實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程還有一定距離，例如：在控制燃燒爐溫度時(shí)，有的同學(xué)可能利用系統(tǒng)的漏洞，溫度高時(shí)停止燃燒加熱，溫度降下來(lái)后再開始燃燒加熱，這在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中顯然是不允許的。

當(dāng)然，現(xiàn)在也有很多高校采取仿真實(shí)習(xí)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)結(jié)合的方式培養(yǎng)學(xué)生的工程觀，但是由仿真實(shí)習(xí)直接到化工企業(yè)實(shí)習(xí)的跨度太大，學(xué)生不易適應(yīng)，并且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)一直存在如下問(wèn)題：操作過(guò)程危險(xiǎn)，為了保障安全，學(xué)生只能遠(yuǎn)觀，聽講解；加上現(xiàn)場(chǎng)嘈雜，注意力不易集中，聽進(jìn)去的知識(shí)少之又少；大多只知道裝置的外形，而管路的流向、反應(yīng)裝置的相互聯(lián)系一概不知。因此，為了培養(yǎng)滿足社會(huì)需要且基本功扎實(shí)的化工人才，我們?cè)谠械摹盎ぴ怼苯虒W(xué)改革的基礎(chǔ)上，不斷深化改革，在“化工原理”課程教學(xué)過(guò)程中增加了中試裝置實(shí)訓(xùn)這一環(huán)節(jié)，并提出了“理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練、中試裝置實(shí)訓(xùn)”三步走的方法，有效地提升了化工專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)。

1 第一步：“化工原理”理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在教學(xué)過(guò)程中要注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程意識(shí)的熏陶，培養(yǎng)學(xué)生的工科思維，強(qiáng)化工程理念，不斷加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的同時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)靈活應(yīng)用。此外，還要提醒學(xué)生在課外也要養(yǎng)成用工科思維思考問(wèn)題的習(xí)慣，讓學(xué)生形成初步的“工程”概念，逐步鍛煉綜合能力，不僅掌握課本知識(shí)，還要把知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，具備“走出實(shí)驗(yàn)室”的工程實(shí)踐能力。

二十一世紀(jì)是素質(zhì)教育的時(shí)代，“化工原理”理論及實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容也要順應(yīng)時(shí)代的步伐而不斷推陳出新，應(yīng)涵蓋當(dāng)前化工領(lǐng)域的新理論、新技術(shù)和新設(shè)備。二十一世紀(jì)也是大眾教育的時(shí)代，各高校的招生規(guī)模均有所增加，教學(xué)場(chǎng)所擁擠的問(wèn)題隨之而生。在化工領(lǐng)域中，現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施功能越齊全，體積也越龐大，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及裝置設(shè)施明顯不足的問(wèn)題尤為突出，例如：實(shí)驗(yàn)時(shí)多名同學(xué)共用一套裝置合作完成實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致不是每位同學(xué)都能有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。此種情形下，仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練教學(xué)可作為傳統(tǒng)教學(xué)的有效補(bǔ)充，因此我們提出培養(yǎng)化工專業(yè)學(xué)生工程素養(yǎng)“三步法”中的第二步。

2 第二步：仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練教學(xué)

仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代化工企業(yè)的基本生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)流程以及操作過(guò)程開發(fā)出來(lái)的一套虛擬仿真系統(tǒng)，是緊跟現(xiàn)代教育步伐的教學(xué)理念的體現(xiàn)。為了進(jìn)一步培養(yǎng)化工專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)，彌補(bǔ)因?qū)嶒?yàn)平臺(tái)及裝置臺(tái)套數(shù)不足的缺陷，我院于2017年從東方仿真（集團(tuán)）購(gòu)進(jìn)了一套化工仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)軟件，安裝于學(xué)生實(shí)訓(xùn)大樓計(jì)算機(jī)房，確保每位同學(xué)在教學(xué)期間有一臺(tái)計(jì)算機(jī)使用，以便進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)的相關(guān)操作。該系統(tǒng)在內(nèi)容上由淺入深，包括化工單元操作仿真以及合成氨工藝仿真兩個(gè)模塊。

第一模塊為化工單元操作仿真，其內(nèi)容密切貼合“化工原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該模塊包含了吸收-解吸工藝、精餾塔工藝、管式加熱爐工藝、換熱器單元、液位控制系統(tǒng)等“化工原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以及鍋爐單元、間歇反應(yīng)釜工藝、固定床反應(yīng)器工藝、流化床反應(yīng)器等拓展的化工單元操作工藝。學(xué)生僅需在電腦上操作就能將“化工原理”實(shí)驗(yàn)中涉及到的單元操作再熟悉一遍，不但可以彌補(bǔ)在“化工原理”實(shí)驗(yàn)時(shí)，不是每位同學(xué)都能動(dòng)手操作的缺陷，而且還可以鍛煉學(xué)生自主操作化工生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的能力，是充分發(fā)揮個(gè)人能力及展示自己的舞臺(tái)。

在熟練掌握化工單元操作模塊的運(yùn)行后，學(xué)生可進(jìn)行第二模塊合成氨工藝的仿真操作訓(xùn)練。該模塊的訓(xùn)練將分散的化工單元操作轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的合成氨工藝的操作，將單一的簡(jiǎn)單操作升級(jí)為復(fù)雜系統(tǒng)的聯(lián)鎖操作，工藝過(guò)程的復(fù)雜程度高，流程長(zhǎng)，操作的難度隨之提高，能有效地鍛煉學(xué)生對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的協(xié)調(diào)控制能力。

在仿真系統(tǒng)界面中的設(shè)備不僅會(huì)隨著學(xué)生操作的進(jìn)行而發(fā)生與實(shí)際過(guò)程相同的變化，還會(huì)伴隨著出現(xiàn)一些與之相關(guān)的連鎖現(xiàn)象。例如：當(dāng)儲(chǔ)液罐中的液位上升到一定高度后，會(huì)向其他的儲(chǔ)罐輸送液體；換熱器中的物料溫度發(fā)生變化，對(duì)后續(xù)相關(guān)的反應(yīng)設(shè)備也會(huì)帶來(lái)影響等。這些都需要學(xué)生提前預(yù)判，并加以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，能讓學(xué)生深刻體驗(yàn)到自動(dòng)化操作帶來(lái)便捷的同時(shí)，不斷提高他們對(duì)復(fù)雜化工生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的分析和控制能力。

此外，伴隨著學(xué)生操作過(guò)程的進(jìn)行，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行評(píng)分及錯(cuò)誤解析，學(xué)生可以隨時(shí)查看自己的得分情況以及操作失誤的地方，并將操作失誤的步驟進(jìn)行系統(tǒng)存盤和事故重演，以避免類似情況的再次發(fā)生。

仿真實(shí)習(xí)雖然可以保證每個(gè)同學(xué)都能動(dòng)手參與，但同樣也存在不足之處。這主要是因?yàn)榉抡鎸?shí)習(xí)操作終究還是模擬操作，離實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程還有一定距離，且由仿真實(shí)習(xí)直接過(guò)渡到化工企業(yè)實(shí)習(xí)存在著跨度大、學(xué)生不易適應(yīng)等問(wèn)題。因此，為了系統(tǒng)而全面地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，我院購(gòu)置了兩套中試裝置專門用于學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，這也是我們提出的培養(yǎng)化工專業(yè)學(xué)生工程素養(yǎng)的“三步法”中的第三步。

3 第三步：中試裝置實(shí)訓(xùn)教學(xué)

為進(jìn)一步提高我?；I(yè)的本科教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)教學(xué)效果，我院在“化工原理”實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置并安裝了兩套帶有分散式控制系統(tǒng)（DCS）的中試規(guī)模試驗(yàn)裝置：洗衣液和生物柴油生產(chǎn)裝置。主要設(shè)備：釜式攪拌器、酸中和罐、水洗罐、油水分相器、精餾塔、計(jì)量?jī)x表、冷卻系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、原料與成品儲(chǔ)罐以及加料泵等。大量的閥門排列和錯(cuò)綜復(fù)雜的管路安裝，構(gòu)成了這套中試規(guī)模的生物柴油制備裝置。它的運(yùn)行與工業(yè)上放大后的實(shí)際生產(chǎn)裝置十分接近，所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為可靠，對(duì)強(qiáng)化學(xué)生的工程素養(yǎng)以及理解和掌握實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制大有裨益。

因這兩套中試裝置均搭載了（DCS）分散式控制系統(tǒng)，故可利用DCS的組態(tài)能力進(jìn)行多種控制實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生的工藝控制能力得到全面的鍛煉與提升。此外，還可進(jìn)行故障診斷的相關(guān)工程訓(xùn)練。例如：若開啟電源開關(guān)的指示燈不亮，并且沒有交流接觸器的吸合聲時(shí)，可能是保險(xiǎn)壞了或電源線沒有接好；如果開啟儀表的開關(guān)時(shí)指示燈不亮，并且沒有繼電器的吸合聲時(shí)，則可能是保險(xiǎn)壞了，或是存在接線有脫落的地方，均可讓學(xué)生進(jìn)行自行檢查并排除故障。

在中試裝置實(shí)訓(xùn)結(jié)束之后，通過(guò)收集學(xué)生對(duì)教學(xué)情況的反饋，我們了解到學(xué)生經(jīng)過(guò)上述的實(shí)訓(xùn)操作以后，不僅將之前學(xué)習(xí)的“化工原理”理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)得以實(shí)際運(yùn)用，強(qiáng)化了對(duì)于分散式控制系統(tǒng)（DCS）的操作能力；加深了學(xué)生們對(duì)工業(yè)裝置的整體印象，使他們對(duì)各裝置間的相互連接以及內(nèi)在聯(lián)系有了深入的了解，工程素養(yǎng)得到進(jìn)一步提高，這對(duì)他們今后去工廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)將會(huì)有極大的幫助。

4 結(jié)論

二十一世紀(jì)是素質(zhì)教育的時(shí)代，“化工原理”及實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代的步伐而不斷推陳出新。為適應(yīng)當(dāng)今化工行業(yè)日新月異的變化和發(fā)展，需要不斷提升化工專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)，為此，我們提出了“三步走”的改革方法。針對(duì)“化工原理”課程教學(xué)中的不足，本文分別從“化工原理”課程的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)/實(shí)習(xí)訓(xùn)練、中試裝置實(shí)訓(xùn)三個(gè)方面，系統(tǒng)地論述了如何分階段提高化工專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)。通過(guò)學(xué)生反饋的情況來(lái)看，這種教學(xué)模式不僅加深了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，還提高了他們的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。但是，另一方面，由于“化工原理”教學(xué)改革的深入推進(jìn)，以及提高本科生的工程素養(yǎng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而又艱巨的課題，還需要教師們?cè)诮窈蟮慕虒W(xué)實(shí)踐中不斷摸索、學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。