新工科背景下的“化工設(shè)計”教學(xué)實踐和探索*

于英民 李 軍 侯影飛

（中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院 山東青島 266580）

2016年6月，我國工程教育專業(yè)認(rèn)證體系實現(xiàn)國際實質(zhì)等效，為深化工程教育改革提供了良好契機。教育部2017年印發(fā)了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，決定從新工科的內(nèi)涵特征、新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑選擇等多方面開展研究與實踐。深化工程教育改革，建設(shè)工程教育強國，主動服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，主動服務(wù)行業(yè)企業(yè)需要，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，有益于促進我國從工程教育大國走向工程教育強國，對服務(wù)和支撐國家經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級意義重大。

作為傳統(tǒng)工科的化學(xué)工程專業(yè)，仍然在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著基礎(chǔ)性的重要作用，但是，必須認(rèn)真思考“傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)方式”應(yīng)該如何滿足國家的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級換代和新支撐產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展的要求，通過不斷探索與實踐，實現(xiàn)教育理念、模式和人才質(zhì)量的提升，培養(yǎng)多元化、復(fù)合型、創(chuàng)新型的工程人才[1]。

一、化工設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀

化工設(shè)計是化學(xué)工程專業(yè)的一門必修課，在整個化工類專業(yè)教學(xué)體系中，具有舉足輕重的作用。該課程以化工生產(chǎn)裝置的工藝設(shè)計為重點，講述化工設(shè)計的基本內(nèi)容、方法和程序。其具體包括：工藝方案確定及工藝流程設(shè)計；物料衡算、能量衡算及設(shè)備工藝設(shè)計；車間及設(shè)備布置設(shè)計；工藝專業(yè)與非工藝專業(yè)的關(guān)系；設(shè)計文件的編制及各類工藝圖的繪制與識讀方法等。該課程對綜合性和實踐性要求較高，需要學(xué)生熟練掌握和靈活運用化工熱力學(xué)、分離工程、化工工藝學(xué)以及系統(tǒng)工程等理論知識，并且具有一定的工程實踐經(jīng)驗，能夠基于大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對實際生產(chǎn)裝置和系統(tǒng)進行設(shè)計和優(yōu)化。此外，化工設(shè)計工作要求學(xué)生在掌握化工專業(yè)基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，進一步地掌握流程模擬計算、化工儀表及自動化、工程制圖、環(huán)保安全以及財務(wù)等理論知識，要求能夠識別和分析復(fù)雜化學(xué)工程問題，針對特定需求的石油化工系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程一責(zé)任關(guān)懷為原則，綜合考慮安全、環(huán)保等因素，提出合理的、具有創(chuàng)新性的解決方案。

該課程主要以理論教學(xué)為主，4-6周的課程設(shè)計為輔。許多高校會在畢業(yè)設(shè)計中開展15-17周的化工設(shè)計相關(guān)課題，以增強學(xué)生的化工設(shè)計實踐能力。隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證的深入，建立以學(xué)生為中心、以能力為導(dǎo)向、持續(xù)改進的教學(xué)體系成為必然選擇。我校對于化工設(shè)計課程的教學(xué)大綱、考核方式、培養(yǎng)模式等多方面進行了不斷改革和探索，并于2008年順利地通過了化學(xué)工程與工藝專業(yè)的認(rèn)證。

當(dāng)前，我國正在針對新能源、5G、芯片、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域進行全力布局。這些新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，將釋放出大量的人才需求，創(chuàng)造出一大批高質(zhì)量就業(yè)崗位。工科高等教育在培養(yǎng)出大量工程技術(shù)人員的同時，也面臨著一個困境：高精尖人才供給不足及供需錯配?；ぜ夹g(shù)人員的綜合分析能力、科技創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力欠缺，無法滿足新時代條件下的社會需求。因此，如何培養(yǎng)工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”化工專業(yè)人才，成為專業(yè)建設(shè)和教學(xué)改革必須思考的問題。

二、傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的普遍性問題

傳統(tǒng)的教學(xué)以理論講授為主，采用從教材到教材、以教師講授為主的模式，無法做到全面透徹地展現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的實際工程問題；此外，學(xué)生只是生硬地掌握教材中的知識點，卻很難理解這些基礎(chǔ)理論的本質(zhì)和內(nèi)涵，更難以具備合理運用各類知識，從而有效地解決復(fù)雜工程問題的能力。即使是在化工設(shè)計的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，也常常由于技術(shù)數(shù)據(jù)保密等原因，難以獲得真實有效的實際生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，那么，在此基礎(chǔ)上，開展的化工設(shè)計也常常是為了設(shè)計而設(shè)計，成為空中樓閣。

鑒于化工設(shè)計的教學(xué)特點和實際情況，許多高等院校開展了多種形式的教學(xué)改革與實踐，在取得較好教學(xué)效果的同時，仍然存在以下主要問題。

（1）對基礎(chǔ)理論的理解和運用能力較弱。作為化工專業(yè)本科教育階段最具復(fù)雜性的化工設(shè)計工作，涉及化工原理、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、化工儀表與自動化、系統(tǒng)工程、能量利用原理等本專業(yè)知識，以及安全、機械，甚至財務(wù)等跨專業(yè)知識，學(xué)生雖然已經(jīng)完成了這些基礎(chǔ)理論課的學(xué)習(xí)，但是大多局限于了解和應(yīng)試解題，還不能真正地理解和掌握理論的本質(zhì)，在面對實際生產(chǎn)問題時，無法進行有效分析和靈活運用。在設(shè)計過程中，常常會出現(xiàn)面對復(fù)雜工程問題時理不清頭緒，陷入無從入手的困境。

（2）知識碎片化，整合度不夠。化工工藝設(shè)計是一個高度綜合性的實踐過程，需要設(shè)計人員時刻考慮多種技術(shù)及非技術(shù)因素的影響，根據(jù)特定的化工生產(chǎn)任務(wù)，在多重約束條件下，綜合地運用多學(xué)科知識來評判裝置規(guī)模、生產(chǎn)工藝與設(shè)備、物耗能耗、產(chǎn)品規(guī)格、經(jīng)濟成本、三廢處理等多方面指標(biāo)，從而提供最佳的合理解決方案。然而，在實際進行化工全流程設(shè)計過程中卻很容易出現(xiàn)只顧一點，不顧全局，導(dǎo)致整個設(shè)計雖然在工藝上可行，但是卻并不合理也不優(yōu)化的問題。

（3）工程實踐經(jīng)驗匱乏。由于高校教學(xué)的特點，學(xué)生普遍缺乏參與化工生產(chǎn)進行鍛煉和學(xué)習(xí)的機會，導(dǎo)致在面對復(fù)雜的化學(xué)工程問題時，無法做出正確分析和判斷。比如，學(xué)生能夠準(zhǔn)確計算機泵、換熱器等設(shè)備的工藝參數(shù)，卻在特定條件下不能正確地選擇設(shè)備選型；能夠計算基礎(chǔ)物能數(shù)據(jù)和設(shè)備工藝參數(shù)，卻仍然無法設(shè)計出合理的化工設(shè)備型式的情況。

（4）輔助性知識和技能儲備不足。在化工設(shè)計過程中，需要用到大量的輔助性工具（化工過程模擬軟件、設(shè)備設(shè)計軟件以及制圖軟件等）來提高工作效率[2]，此外，還要求具備一定的安全、法律法規(guī)、財務(wù)等方面的知識。這些都需要學(xué)生在課余時間進行自學(xué)，對于學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性要求較高。從教學(xué)效果和多年化工競賽的作品來看，學(xué)生對此類非專業(yè)必修內(nèi)容的重視程度不夠，主動學(xué)習(xí)掌握的意愿不強，多數(shù)只能做到簡單運用或者照貓畫虎模仿，無法很好地提升工作能力。

（5）設(shè)計實踐時間短，鍛煉機會少?；ぴO(shè)計需要在完成多門基礎(chǔ)理論課程的基礎(chǔ)上才能開展，主要設(shè)在大三下學(xué)期或者大四上學(xué)期，設(shè)計時間較短，多數(shù)高校也沒有或者少有外出企業(yè)進行學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)機會。此時，學(xué)生普遍面臨著擇業(yè)和考研，也常常無心鉆研和打磨設(shè)計作品，更浪費了難得的實踐機會。

三、化工設(shè)計教學(xué)改革實踐

針對上述化工設(shè)計教學(xué)實踐中的問題，國內(nèi)多所高校開展了多種針對化工設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計的教學(xué)研究：華東理工大學(xué)提出“工程教育理念引領(lǐng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式”，采取舉辦教師工程設(shè)計能力培訓(xùn)班、教師走進企業(yè)傳授畢業(yè)設(shè)計技巧等方法；遼寧石油化工大學(xué)開展了“TERM Project”的新型教學(xué)模式，通過“講-論-轉(zhuǎn)-練”的形式，提高學(xué)生工程實踐能力；武漢大學(xué)提出“以團隊為中心的項目學(xué)習(xí)型畢業(yè)設(shè)計教學(xué)方案”，實現(xiàn)對學(xué)生的一體化通識教育與分層次差異化培養(yǎng)。

作者所在的中國石油大學(xué)（華東）也在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進行了多種實踐和研究。

1.走出去，引進來，提高指導(dǎo)教師專業(yè)技能

鑒于化工設(shè)計實踐性強的特點，需要具有理論知識扎實和豐富工程實踐能力的指導(dǎo)教師團隊。我校多年來堅持選派年輕教師前往設(shè)計院和生產(chǎn)企業(yè)進行長期學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，鼓勵教師從事化工技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用轉(zhuǎn)化的科研項目，積累經(jīng)驗，增強教師的工程實踐能力；同時，積極與中石油設(shè)計院合作，邀請常年從事項目管理、工藝設(shè)計、配管及安全等方面的專業(yè)人員來校為本科生授課，交流經(jīng)驗。在化工設(shè)計選題時，強化設(shè)計內(nèi)容與實際生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)，力爭做到來源于實際，服務(wù)于生產(chǎn)，為學(xué)生配備學(xué)校和企業(yè)雙導(dǎo)師，讓企業(yè)導(dǎo)師參與到化工設(shè)計的指導(dǎo)和培養(yǎng)過程中。

2.充分利用典型案例，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力

在教學(xué)方法上，我校充分利用典型的化工設(shè)計案例進行剖析和研究，引導(dǎo)學(xué)生體驗完整的生產(chǎn)裝置設(shè)計過程，讓學(xué)生進行分組討論，分工協(xié)作，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，充分表達各自的設(shè)計思路和觀點，在不斷地提出問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中，提高學(xué)習(xí)興趣，豐富設(shè)計經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上，開展翻轉(zhuǎn)課堂，以學(xué)生為中心，改變填鴨式教學(xué)的弊端，將學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃忧笾?，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性，鍛煉其自主學(xué)習(xí)能力和獨立思考的能力。通過經(jīng)典案例，學(xué)生能夠理解化工設(shè)計內(nèi)涵，欣賞工藝設(shè)計的魅力，進而跳出專業(yè)的局限，以更積極主動的態(tài)度去學(xué)習(xí)和掌握多學(xué)科知識和技能，擴展視野，充實信息量，成為高素質(zhì)、多元化、復(fù)合型工程人才[3]。

3.以化工設(shè)計比賽為契機，以賽代練，豐富學(xué)生綜合知識

利用各類化工設(shè)計比賽為契機，開拓視野，增加實踐和鍛煉機會[4]。通過設(shè)計比賽，學(xué)生可以深入?yún)⑴c一個化工項目的全流程設(shè)計工作當(dāng)中，全面考慮原料、主/副產(chǎn)品、能耗、物耗、投資、污染、安全等諸多實際因素，既是一次挑戰(zhàn)和鍛煉的機會，也是對課堂教學(xué)非常有益的補充。鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生積極地參加化工安全設(shè)計大賽、全國化工設(shè)計大賽等活動，以賽代練，在競爭更加激烈和應(yīng)用性更強的比賽中，交流學(xué)習(xí)，提升技能，體驗到團隊合作和學(xué)以致用的樂趣[5]。

4.理論知識與生產(chǎn)實習(xí)相結(jié)合，體驗工程設(shè)計的魅力

在教學(xué)體系規(guī)劃方面，不斷地促進化工設(shè)計課程與實習(xí)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的融合[6]。在大二學(xué)年的認(rèn)識實習(xí)和大三學(xué)年的生產(chǎn)實習(xí)中，由經(jīng)驗豐富的老師將課本知識與現(xiàn)場所見的生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程、安全設(shè)施等結(jié)合起來，實現(xiàn)學(xué)生在現(xiàn)場實習(xí)中邊看邊學(xué)，對實際生產(chǎn)裝置從感性認(rèn)識過渡到理性認(rèn)知。這些經(jīng)歷讓學(xué)生更切實地感受到專業(yè)知識與企業(yè)生產(chǎn)的緊密聯(lián)系，對今后的化工設(shè)計更是彌足珍貴。[7]

5.從生產(chǎn)實踐中來，到生產(chǎn)實踐中去，理解化工設(shè)計的本質(zhì)

化工設(shè)計的最終目標(biāo)是面向生產(chǎn)應(yīng)用和企業(yè)需求的，從生產(chǎn)實踐中來，到生產(chǎn)實踐中去，才能真正地理解和掌握化工設(shè)計的內(nèi)涵和本質(zhì)[8]。借助我校與京博控股集團、煙臺萬華化學(xué)集團等企業(yè)合作的教學(xué)實訓(xùn)和科研轉(zhuǎn)化基地，依托企業(yè)資源，以解決實際生產(chǎn)中的技術(shù)難題為目標(biāo)，進行化工畢業(yè)設(shè)計的選題。學(xué)生通過在化工生產(chǎn)車間現(xiàn)場工作和學(xué)習(xí)，運用所學(xué)知識與企業(yè)技術(shù)人員分析和探討技術(shù)問題，尋找合理的解決方案，最終完成整個畢業(yè)設(shè)計過程。設(shè)計作品評判和答辯也在企業(yè)現(xiàn)場進行，由指導(dǎo)教師和技術(shù)人員共同審閱和點評。在更靠近生產(chǎn)，更貼近實戰(zhàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，能夠把化工設(shè)計的知識學(xué)懂會用，進而對化工專業(yè)有更深刻理解。

結(jié)語

化工設(shè)計是學(xué)生實現(xiàn)理論聯(lián)系實際的重要通路，是幫助學(xué)生從課堂走向?qū)嶋H生產(chǎn)實習(xí)，從學(xué)生蛻變成工程師的重要橋梁。在國家持續(xù)推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，推動實施“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求。這就要求打破原有的“課堂、教材、教師為主”的傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，以學(xué)生為中心，以社會需求為導(dǎo)向，多方面地培養(yǎng)學(xué)生的工程技能和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，增強工程設(shè)計與實踐能力，積極地探索適應(yīng)新時期化工專業(yè)人才需求的教學(xué)方式，更新教育理念，更好地為培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才服務(wù)。