化工原理課程設計教學方法改進*

袁曉玲，蘇 清，張玉敏，孟繁雨

(吉林大學化學學院，吉林 長春 130012)

化工原理課程設計是化學工程與工藝等專業(yè)大學三年級學生修完高等數(shù)學、物理化學、化工原理、化工原理實驗和化工設備機械基礎等一系列理論和專業(yè)基礎課后，學生進入的綜合性實踐課程。在課程設計和培育目標中，需要學生在實踐環(huán)節(jié)中具備扎實的理論和專業(yè)基礎知識，能夠分析和解決化工過程中各種單元操作的相關問題，并在限定的時間內獨立完成給定的設計任務，實現(xiàn)對化工原理相關基礎知識的實踐理解和在工業(yè)中應用的初步體驗。

化工原理課程設計雖然只是對學生設計能力進行初步的培養(yǎng)，但對于學生的創(chuàng)新思維和工程能力建立具有重要意義。經過多年的努力，吉林大學目前化工原理課程設計的教學內容相對完善，在實踐能力的訓練方面已經達到預期目標。當前課程改革目標是以學生為主導、要求學生獨立完成整個設計過程的教學模式。由于本課程實踐性強、涉及化學化工的全面基礎知識掌握和應用能力培養(yǎng)，學生又是首次面對工程實際的復雜性。對于長期以教師講授為主的被動式學習模式來說，學生面對這種實踐性學習內容，容易出現(xiàn)迷茫無措狀況，也對如何進行設計操作出現(xiàn)畏難情緒。部分學生學習主動性差、過程創(chuàng)新性不足，不能達到實踐式課程教學的效果。對于這些教學中出現(xiàn)的問題，我們要引導學生完成一定的角色轉換[1]。讓學生意識到自己是學習的主體，有意識激活之前所學的理論知識和工程操作原理，完成從資料查找、方案設計、工藝流程計算、設計結果校核及設計說明書的編制任務。通過這樣一系列設計過程，使化工相關專業(yè)學生明確化工設計的基本內容、深入理解化工設計的程序和方法，幫助學生形成初步的工程意識和工程素質，在模擬的工程實踐中塑造工程思維需要的獨立思考、實事求是的工作作風和認真負責的工作態(tài)度。為今后從事化工專業(yè)技術及相關科學研究工作打下基礎。

1 化工原理課程設計當前的教學問題

化工原理課程設計教學是以典型化工單元操作為主要對象，完成一套化工生產裝置設計的模擬實踐訓練。課程需要在兼顧技術合理、經濟可行、環(huán)境安全的前提下，綜合運用先修課程的基礎知識完成主體設備的工藝設計、附屬設備的選型、特定組件和總體結構圖的繪制。從學習主體——學生的角度來看，是在知識整合的基礎上，形成一定的工程實際綜合運用能力。當前教學過程中，出現(xiàn)了亟待解決的兩個問題：

1.1 課程學時少，內容多、難度大

我?，F(xiàn)行教學計劃中，化工原理課程設計課程要求學生在16學時內獨立完成一套給定設計任務的所有相關內容。對于大三學生來說，整個設計過程不但內容多、過程復雜且環(huán)環(huán)相扣，這讓長期主要進行思維和知識訓練的本科生真正解決工藝和設備問題存在著巨大的陌生感。尤其在設計過程中，一些參數(shù)需要學生自己根據工藝合理選用，如果選擇不當就會為后續(xù)設計帶來麻煩，甚至導致設計結果不合理。重新進行參數(shù)調整又會面臨之前設計內容的大幅修改或調整，直接打擊到學生實踐設計熱情，影響設計進度。而實際的設計過程中每一個參數(shù)的選定往往需要多次嘗試方能達到滿意結果。這對于習慣于理科學習只要原理掌握，計算方法正確就可獲得可控結果的學生來說，就容易產生難以把控的疲勞感和舉步維艱的畏難情緒[2]。對于在紙面進行設計的方式，要想在給定課時內高質量地完成設計任務，需要學生具有出色的化學工業(yè)預判能力和對工業(yè)設計的熟練掌握。而對首次進行課程設計的學生來說，要做到出色的完成設計任務，不可避免地要利用大量的課余時間[3]。

常規(guī)化工原理課程設計過程往往是在紙上完成的，設計計算、作圖需進行多次修改，耗時多。一些學習動力不足的學生容易產生自我否定的消極情緒，選擇中途放棄或僅為學分而按照相似案例機械性套用流程應付了事，缺少專業(yè)性思考和過程訓練，喪失了設計課程應有的鞏固基本理論和強化知識理解等融會貫通于實際應用的目標。

1.2 缺乏感性認識、難以建立實際工程應用意識

化工原理課程設計的教學過程是對學生進行實際工程應用能力的培養(yǎng)。通過設計過程，不但要加深學生對化工原理、物理化學、化工制圖等先修課程基本理論知識的理解，而且要有意識培養(yǎng)學生運用所學基礎知識進行實際應用。課程的進程中讓學生有機會學會發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際問題，為真正進入相應工作崗位后能夠快速適應打下良好基礎。然而以往教學模式更多注重的是對基本原理、基本方法和基本程序的訓練，相對忽視了設計內容與實際工程應用的具體聯(lián)系，對于學生工程思維和工藝流程的培養(yǎng)往往是有意無意淡化了。雖然學生們已經進行了化工原理實驗和生產參觀實習，但仍然存在缺乏崗位實踐訓練和對生產過程的認知。這就往往出現(xiàn)對一個完整的操作體系的內部結構和運行狀態(tài)、或者操作條件的變化所引起相應異常問題都不夠了解，容易出現(xiàn)學生對課程設計的不可控。在設計過程中，對相應單元操作缺少感性認知，就難以做到激發(fā)思維創(chuàng)新。部分學生僅把化工設計任務作為一次高難度的作業(yè)去完成，缺少深入的思考和探究，對未來面對復雜的實際工程應用設計問題的指導意義不大。

針對上述問題，要做到讓學生在有限的學時內充分地體驗設計過程，又要深入思考、高質量地完成設計任務，我們就有必要對目前的教學方式和方法進行相應的改進。

2 化工原理課程設計教學改進

2.1 紙面設計與計算機相結合

現(xiàn)代計算機技術的快速發(fā)展，計算機和相關應用軟件已經成為學生常規(guī)學習工具，設計過程中計算機及軟件的使用是當前教學的必然趨勢。其合理使用必將推動課程建設和發(fā)展，在化工原理課程設計中大大縮減設計學習所用的時間。但是我們也知道，各類應用軟件只是既定程序，進行規(guī)范的數(shù)字輸入即可得到相應結果。學生在設計過程中，涉及先修基本知識的應用沒有得到有效的訓練，更難有創(chuàng)新性結果。

所以，要達到課程教學設計的學習效果，就要減少設計過程中的重復性計算和繪圖的時間，鼓勵和引導學生適度利用計算機及相關應用軟件。比如在分離苯和甲苯二元精餾塔設計中的理論板計算，是交替使用操作線方程和平衡線方程反復計算的過程，可以推薦學生使用常規(guī)Excel、Origin軟件編制一個小程序，進行指令性計算，既提高了計算的速度又增強了準確度。大學生都熟悉使用平板電腦和觸屏筆，這些信息設備使用往往比紙面設計過程修改方便，學生哪里有問題修改哪里。另外，當前可用于化工設計和制圖的相關軟件很多，其中 Aspen Plus 就是一款生產裝置設計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的化工流程模擬軟件，其優(yōu)點是模擬簡單、計算精度高、應用范圍廣[4-5]。還以精餾塔設計為例，設計過程中的重復性計算和參數(shù)及所涉及到的進料位置、進料熱狀況、回流比、降液管的尺寸等的優(yōu)化，使用Aspen Plus 軟件，只需將相關參數(shù)和條件輸入都可以高效快速的得到相應結果。設計過程中想進行深入探究的學生，還可以根據自己的設計任務及設計思想多角度、多方面進行相關參數(shù)的調變比較，以促進學生的思考、產生創(chuàng)新思想。整個設計流程的關鍵性影響因素都合理后，再將設計過程落實到紙面上。這樣一來，學生可以把更多的精力用于對過程的思考和問題的發(fā)現(xiàn)及解決中。

在參數(shù)的調變和優(yōu)化中，學生也可以體會到設計過程不是一蹴而就的事情，總是需要多次嘗試和不斷完善。整個設計過程也是一個整體，各個環(huán)節(jié)相互制約，只有協(xié)調一致才能夠達到合理設計。教師鼓勵學生根據自己的能力及習慣去選擇軟件用于設計過程，大大滿足了學生個性化需求和想象空間，有效提高設計進程、降低設計難度。在設計過程中，教師要嚴加規(guī)范和督導，讓計算機技術不僅是避免簡單重復性工作的手段，更是促進學生通過軟件應用將所學基本理論貫穿設計過程的始終。

2.2 增強感性認識、建立工程應用意識

加強對設計相關單元操作進行感性認識，幫助學生建立完整的知識體系，有助于課程設計的順利進行。在化工原理課程教學過程中，我們更多關注的是理論學習。在化工原理實驗課上學生對一些單元操作進行實踐，但這些實驗設備更多的是以整體設備出現(xiàn)，對設備內部結構的認識相對較少。即使學生按照規(guī)定進行生產實習，也多為參觀性質的學習，雖然對于工廠實物及工作環(huán)境有所認知，但在化工原理課程中所涉及單元設備的結構和構造及內部運行狀態(tài)，不合理操作所引起可能出現(xiàn)的問題，以及相關單元操作的新科技、新進展還是缺少認知。這在課程設計過程中，理想的創(chuàng)新就難以實現(xiàn)。然而，借助計算機多媒體和模擬技術的快速發(fā)展，依靠網絡支持，可以組織學生進行相關圖片、動畫、視頻等的查找，擇優(yōu)進行集中展示。多媒體技術可以全方位動態(tài)展示設備的內外部結構、工作原理、設備內部正常和非正常操作呈現(xiàn)的狀態(tài)及設備拆裝體驗?，F(xiàn)代虛擬仿真技術高度發(fā)展，可以讓學生進一步對單元操作實際場景模擬、故障設定、隱患排查等具體操作進行演練，由于仿真與實際現(xiàn)場工藝基本相似，拉近了學生對實際工藝生產設備及運行過程的認識，滿足學生對大規(guī)?；a實踐和對實際崗位的具體操作情景進行模擬的體驗[6]。從而加強學生對要設計的實物建立感性認知，再進一步引導學生將感性認知與實際工程過程相聯(lián)系，建立情景操作與實際設備流程相對應，有助于提升學生對實際生產中出現(xiàn)問題的洞察及解決能力，實現(xiàn)真正意義上的理論聯(lián)系實踐。例如在乙醇精餾提純虛擬仿真實驗中，學生可以通過調變回流比、進料熱狀況等操作條件，引起的理論板層數(shù)、產品組成、產品量、塔頂和塔底溫度、不同塔板、塔板開孔數(shù)量等變化，導致最終分離效果、負荷性能圖等的差異，給予學生直觀的感受，構建出所設計單元操作的立體化空間結構，開拓學生的思考維度。避免學生因頭腦中缺乏適當場景的構筑影響對實物及實際運行狀態(tài)的認知，在設計過程出現(xiàn)照貓畫虎沒有創(chuàng)新或憑空捏造、空中造樓閣等與實際相脫節(jié)的設計結果。

3 加強與學生的互動交流

建立課程學習通和QQ群，鼓勵學生將查閱的重要資料發(fā)送到QQ群文件夾中，便于學生設計時作為參考。督促學生及時完成每次課的設計任務，如果學生課堂上沒有完成相應的設計任務，督促其在課后完成后，將完成的設計任務內容拍照發(fā)給教師檢查，教師將問題進行標注，提出修改意見，再發(fā)給學生修改。教師要及時將學生在設計中存在的普遍性問題進行總結，在下次課上重點強調，或者錄制成短課供學生在學習通上學習。經過師生間密切地互動交流，在設計結束后，學生的設計能力、分析問題和解決問題的能力、論文撰寫能力會明顯得到提升。

4 結 語

化工原理課程設計是化工原理課程體系中的重要組成部分，是培養(yǎng)學生運用理論知識去解決實際工程問題的重要環(huán)節(jié)。為適應高等學?；ゎ悓I(yè)的新工科建設的要求，并結合我校的實際教學情況，將計算機應用與虛擬仿真等現(xiàn)代信息技術引入化工原理課程設計中，同時通過學習通和QQ群等學習、溝通和考察方式加強了教學改革的效果。在保留傳統(tǒng)化工原理課程設計的教學目標的同時，極大地提高了學生的設計效率、激發(fā)了學生的學習熱情和創(chuàng)新意識。