融合化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽內(nèi)容的《化工原理》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

王巍 吳偉 肖林飛

（黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

一、化工原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

近年來，面對(duì)日新月異的科技進(jìn)步以及復(fù)雜多變的國際形勢(shì)，培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的高層次專業(yè)人才，為國家工業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供后備力量成為我國高校工程專業(yè)教育的首要目的?；谶@一目的，在《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》的基礎(chǔ)上，教育部于2010 年制定了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”并于2011 年開始推行“工程教育專業(yè)認(rèn)證”工作，旨在促進(jìn)我國由工程教育大國邁向工程教育強(qiáng)國，鼓勵(lì)各高校對(duì)現(xiàn)有工程教育模式進(jìn)行改革和突破，抓住工程教育的本質(zhì)，創(chuàng)新工程人才的培養(yǎng)模式。

化學(xué)工業(yè)作為技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，一直是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，對(duì)我國發(fā)展科學(xué)技術(shù)和改善人民生活起著重要的推動(dòng)作用。化工原理課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，旨在通過講授動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞理論知識(shí)和經(jīng)典單元操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決化工生產(chǎn)過程的工藝和技術(shù)問題的能力，是理論和實(shí)踐并重的一門核心課程。然而化工原理課程的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容仍以講授基礎(chǔ)理論和公式推導(dǎo)及計(jì)算為主，教學(xué)手段仍以語言文字描述為主，課堂教學(xué)仍表現(xiàn)為老師大量講授而學(xué)生被動(dòng)接受的情況。另一方面，化工原理課程面向大二或大三學(xué)生開設(shè)，這部分學(xué)生雖然已經(jīng)完成了通識(shí)基礎(chǔ)課和化學(xué)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，但缺乏化工生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，過于偏重理論知識(shí)的講解讓學(xué)生缺乏對(duì)化工工藝流程的整體了解，缺乏對(duì)單元操作設(shè)備的直觀感受，缺乏對(duì)生產(chǎn)實(shí)際問題的深刻認(rèn)知，導(dǎo)致學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力不足。同時(shí)，枯燥的教學(xué)過程也降低了學(xué)生對(duì)化工原理課程的重視程度和學(xué)習(xí)興趣，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

基于此，我們以黑龍江大學(xué)化工原理課程為研究對(duì)象，以將學(xué)生培養(yǎng)成既掌握扎實(shí)的理論知識(shí)又具有設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維的復(fù)合型化工專業(yè)人才為目的，將指導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽等專業(yè)實(shí)踐內(nèi)容有機(jī)地融入化工原理課程教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)之中，進(jìn)行化工原理課程教學(xué)改革的嘗試與探索。

二、融合化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽內(nèi)容的《化工原理》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

（一）更新教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容是化工原理課程的核心，是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的和人才培養(yǎng)目標(biāo)的必備條件。雖然化工原理的知識(shí)體系已經(jīng)相對(duì)成熟，但隨著化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)和設(shè)備近年來不斷更新，現(xiàn)有的大部分化工原理教材的知識(shí)內(nèi)容仍相對(duì)滯后，且多偏向于公式應(yīng)用與理論計(jì)算，容易導(dǎo)致理論和實(shí)踐相脫節(jié)，不能滿足化工專業(yè)人才的培養(yǎng)和化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽的要求。因此，在教材經(jīng)典內(nèi)容的基礎(chǔ)上，教師需要采用案例式教學(xué)的模式，將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，并將歷年競(jìng)賽中出現(xiàn)的新技術(shù)或新設(shè)備的設(shè)計(jì)理念和改進(jìn)方案適當(dāng)?shù)娜谌胝n本中，開闊學(xué)生的視野和思路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力。教學(xué)內(nèi)容的更新重點(diǎn)在于將化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)內(nèi)容與化工原理的課程知識(shí)有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)生深入理解所學(xué)內(nèi)容。例如在課堂上講解熱量傳遞及換熱器操作時(shí)，重點(diǎn)在于如何計(jì)算傳熱面積或換熱量，但在化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，不僅需要學(xué)生確定換熱器的選型和換熱介質(zhì)，還需要繪制換熱網(wǎng)絡(luò)圖并進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。因此，在改革實(shí)踐過程中，當(dāng)講解熱量傳遞內(nèi)容時(shí)，不僅要講明教材中的公式推導(dǎo)及應(yīng)用技巧，還要適當(dāng)補(bǔ)充換熱介質(zhì)的選擇、熱量如何回收、換熱網(wǎng)絡(luò)圖如何優(yōu)化等內(nèi)容，讓學(xué)生具備利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，在化工原理教材經(jīng)典單元設(shè)備的基礎(chǔ)上，還將向?qū)W生適當(dāng)介紹化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中出現(xiàn)的新設(shè)備或新技術(shù)，例如新型的分隔壁精餾塔，只在傳統(tǒng)精餾塔中加入一段垂直放置的隔板，既采用與傳統(tǒng)精餾塔完全相同的設(shè)計(jì)公式和計(jì)算過程，又能實(shí)現(xiàn)三組分的精餾分離并節(jié)能降耗。因此，適當(dāng)引入新設(shè)備和新技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用知識(shí)，可以拓寬學(xué)生的視野和思路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。

（二）豐富教學(xué)手段

化工原理課程教學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多媒體輔助教學(xué)，但目前的多媒體電子教案仍主要是大量文字和少量圖片相結(jié)合的傳統(tǒng)模式，學(xué)生們?cè)谡n程中了解的設(shè)備、管道、閥門仍是紙面上獨(dú)立的圖形，缺乏對(duì)化工生產(chǎn)技術(shù)工藝的整體把握和不同設(shè)備在工藝中發(fā)揮作用的具體認(rèn)知。因此，教師應(yīng)該進(jìn)一步有效利用多媒體教學(xué)手段，可以適當(dāng)將工藝設(shè)計(jì)思路、流程模擬動(dòng)畫以及競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)講解等內(nèi)容以視頻等形式展示給學(xué)生，讓學(xué)生直觀的了解化工生產(chǎn)及工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和要求，在豐富教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)重公式應(yīng)用而輕設(shè)備介紹，重文字描述而輕直觀展示的問題，需要在改革實(shí)踐過程中加入更多的動(dòng)畫或影像展示內(nèi)容，讓學(xué)生直觀地了解從廠房、車間到反應(yīng)器、精餾塔以及相應(yīng)的管道配置和閥門控制等諸多實(shí)際情況。例如關(guān)于化工廠的整體布局及設(shè)備分布，學(xué)生以往只能在緒論或每章的引言中通過文字或照片有所了解，但化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求參賽隊(duì)伍必須通過3D Plant 軟件構(gòu)建全廠區(qū)三維模型并進(jìn)行視頻展示。因此，將這些視頻于課堂上播放，學(xué)生可以在短短幾分鐘直觀了解實(shí)際化工廠的布置情況，明確不同單元之間的位置排布，管道輸送及物料運(yùn)輸?shù)纫幌盗信渲貌季值取Ｔ偃缁ぴO(shè)計(jì)競(jìng)賽還要求制作設(shè)備裝配圖并注明控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式。因此，將這部分內(nèi)容通過PPT 動(dòng)畫展示，也可以幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)單元設(shè)備的設(shè)計(jì)原理及操作過程。同時(shí)，在教學(xué)過程中要更多地采用案例式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)，適時(shí)提出一些簡單的設(shè)計(jì)問題，激發(fā)學(xué)生的探索興趣，促進(jìn)學(xué)生的獨(dú)立思考。例如學(xué)習(xí)精餾塔分離原理及設(shè)計(jì)后，可以簡單介紹新型的分隔壁精餾塔的設(shè)備構(gòu)造，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)思考分隔壁精餾塔如何實(shí)現(xiàn)三組分分離，并進(jìn)行幾分鐘的課堂討論，從而加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，活躍課堂教學(xué)氣氛。

（三）拓展課程實(shí)踐

化工原理課程教學(xué)以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，因此教師在講授教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容之外如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自學(xué)，以掌握參加化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽所需要的知識(shí)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的關(guān)鍵。全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽是具有綜合性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性的國家級(jí)大型賽事，涉及所有化工專業(yè)主干課程知識(shí)的應(yīng)用以及Aspen Plus 工藝模擬軟件、Auto CAD 制圖軟件和3D Plant 廠區(qū)設(shè)計(jì)軟件等諸多工具軟件的操作，是對(duì)教師與學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備和綜合素質(zhì)的集中考驗(yàn)。因此，在指導(dǎo)學(xué)生開展課程實(shí)踐的同時(shí)教師也需進(jìn)一步提高理論和實(shí)踐的教學(xué)水平，并提高開展科學(xué)研究的能力，同時(shí)熟練操作各種工具軟件。理論知識(shí)方面要積極參加化工原理實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)工作，全方位了解單元操作設(shè)備的工作原理及整體生產(chǎn)工藝的流程與布局，學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)、化工機(jī)械、化工安全等其他化工專業(yè)課程知識(shí)，建立起滿足指導(dǎo)化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求且全面覆蓋化工專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的理論基礎(chǔ)。科學(xué)研究方面要繼續(xù)加強(qiáng)文獻(xiàn)調(diào)研，實(shí)時(shí)掌握化工領(lǐng)域最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，深化與化工企業(yè)合作，著重研究整體工藝流程創(chuàng)新與單元操作和設(shè)備改進(jìn)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)教師自身知識(shí)系統(tǒng)與時(shí)俱進(jìn)。操作軟件方面，除熟練掌握并且能指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用Aspen Plus、Auto CAD 和3D Plant 等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟件外，還應(yīng)學(xué)習(xí)諸如反應(yīng)器設(shè)計(jì)軟件COMSOL、三維配管軟件CADWorx、換熱器選型軟件換熱器大師等其他軟件的使用技巧，確保可以在實(shí)際操作方面為學(xué)生及時(shí)答疑解惑。

（四）完善考核機(jī)制

化工原理課程目前的考核方式是期末卷面考試結(jié)果占總成績的80%，平時(shí)作業(yè)成績占20%。在改革實(shí)踐過程中，教師可以適當(dāng)提高平時(shí)成績?cè)诳偝煽冎械恼急戎?0%，將學(xué)生的課堂討論和過程表現(xiàn)情況記入平時(shí)成績中。同時(shí)可以適當(dāng)增加課后設(shè)計(jì)或工藝模擬等內(nèi)容，以團(tuán)隊(duì)形式采用軟件或手畫的方式繪制簡單的工藝流程圖或設(shè)備裝配圖，鍛煉學(xué)生的繪圖能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。此外，在期末考試試題中可以適當(dāng)增加開放式題目，例如在確定輸送介質(zhì)和輸送流量的前提下，讓學(xué)生自行選擇兩種適宜管道尺寸及型號(hào)并計(jì)算相應(yīng)的設(shè)備和輸送成本，考查學(xué)生利用相關(guān)動(dòng)量傳遞公式解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)掌握理論知識(shí)且具有設(shè)計(jì)能力的復(fù)合型化工專業(yè)人才的教學(xué)目標(biāo)。

三、結(jié)語

通過此課題的實(shí)施，將全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)內(nèi)容融合于化工原理課程的教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容中，完善現(xiàn)有的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)實(shí)現(xiàn)以學(xué)助賽，提高學(xué)生參加化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽的熱情，為學(xué)生在本科階段開展對(duì)小型化工廠工藝設(shè)計(jì)工作的探索和嘗試提供實(shí)踐的機(jī)會(huì)，為學(xué)生的擇業(yè)及畢業(yè)后在工作崗位運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)際問題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。