新工科建設(shè)背景下大學(xué)生工程計算能力培養(yǎng)實踐探索
——以化工原理課程教學(xué)為例

成 忠

（浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

進(jìn)入新時代，新工科建設(shè)是我國高等工程教育領(lǐng)域主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動。新工科建設(shè)即“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，除了對新興產(chǎn)業(yè)所涉及的大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能制造、云計算等專業(yè)的創(chuàng)建，還包括對化學(xué)工程與工藝等傳統(tǒng)工科專業(yè)的改造升級，它們的共同目標(biāo)都是培養(yǎng)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)合型新工科人才。

“未來已來”，新工科人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。根據(jù)產(chǎn)業(yè)改造升級以及大工程觀的要求，工程計算能力正成為當(dāng)代工程師的核心競爭力。隨著在線傳感器等現(xiàn)代檢測技術(shù)獲取海量實驗數(shù)據(jù)成為常態(tài)，化工學(xué)科的研究方法除第一范式的實驗歸納、第二范式的模型推演、第三范式的仿真模擬外，正在向以大數(shù)據(jù)為中心的第四范式迭代升級。作為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，第四范式運用跨學(xué)科或多學(xué)科的方式，通過分析、建模、可視化等手段對工程裝置或生產(chǎn)過程的源發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以揭示各因素變量間的相關(guān)關(guān)系或關(guān)聯(lián)變化規(guī)律，提升其對運行狀態(tài)的質(zhì)量控制或預(yù)測維護(hù)水平。如果說第三范式是“人腦+電腦”，人腦是主角，那么第四范式則是“電腦+人腦”，電腦是主角。第四范式在應(yīng)用上更加高效，在人力物力上更加經(jīng)濟(jì)。因此，為主動應(yīng)對新科技革命與化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，將行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程，在大學(xué)生中開展工程計算能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練，增強大學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)生動力，既是時代的需要，也是提升大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的重要手段。

課程作為人才培養(yǎng)體系中的最基本單元，是高校立德樹人的重要載體，是新工科建設(shè)的核心要素。本文以化工原理課程為示范，立足于對大學(xué)生的工程計算能力培養(yǎng)，探索傳統(tǒng)工科專業(yè)課程改造升級和質(zhì)量內(nèi)涵發(fā)展的新路徑。

一、面向新工科建設(shè)的大學(xué)生工程計算能力培養(yǎng)的要求及內(nèi)涵

（一）工程計算能力培養(yǎng)的時代要求

高等工程教育的使命，就是讓大學(xué)生接受系統(tǒng)的理工科理論知識和基本技能的學(xué)習(xí)以及相關(guān)實踐訓(xùn)練，能夠滿足成長為一名工程師的基本能力和要求。各個高校的專業(yè)培養(yǎng)方案通常都融合了工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、新工科專業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)建設(shè)國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對人才培養(yǎng)的規(guī)格與要求。

2016 年6 月，我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，工程教育專業(yè)認(rèn)證成為高等教育質(zhì)量保障體系的重要組成部分。2017 年11 月版的普通高等學(xué)校本科工程教育認(rèn)證的通用標(biāo)準(zhǔn)中有12 條畢業(yè)要求，直接與工程計算能力相關(guān)的有4 條，如表1 所示。這4 條畢業(yè)要求，立足于復(fù)雜工程問題求解的內(nèi)在邏輯，從知識儲備、問題分析、知識發(fā)現(xiàn)、工具應(yīng)用等層面培養(yǎng)大學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。另外，化工與制藥類專業(yè)補充標(biāo)準(zhǔn)（2020 年修訂版）共2條，其中第1條“課程體系設(shè)置應(yīng)確保學(xué)生在畢業(yè)時能夠運用數(shù)學(xué)、信息工程等，表達(dá)、分析、模擬和設(shè)計化學(xué)、物理和生物過程中的復(fù)雜工程問題，具有系統(tǒng)優(yōu)化的知識和能力”和第2 條“從事專業(yè)教學(xué)工作的80%以上的教師應(yīng)有至少6 個月以上的企業(yè)工程實踐經(jīng)歷”都與工程計算能力培養(yǎng)相關(guān)，立足于專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用引領(lǐng)和師資業(yè)務(wù)能力支撐。

表1 工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中與工程計算能力直接相關(guān)的畢業(yè)要求

借鑒“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育認(rèn)證理念，以工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中的畢業(yè)要求為底線，以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”中工程人才培養(yǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合新工業(yè)革命對人才培養(yǎng)的新要求，國家制定了包含9 方面共16 條的新工科人才培養(yǎng)通用標(biāo)準(zhǔn)，其中，與工程計算能力直接相關(guān)的有3 方面計5條，如表2所示。

表2 新工科人才培養(yǎng)通用標(biāo)準(zhǔn)中與工程計算能力直接相關(guān)的業(yè)務(wù)知識和能力要求

表2的第1條“基礎(chǔ)知識”和第2條“專業(yè)知識”，與工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求“3.1 工程知識”基本一致，都是從應(yīng)具備和掌握的學(xué)科專業(yè)知識上提出的要求，且都與工程計算相關(guān)。第3 條“工具使用”，與工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求“3.5 使用現(xiàn)代工具”基本一致，都是凸顯工程計算手段在求解復(fù)雜工程問題上的重要性。第5 條“復(fù)雜工程問題分析”，與工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求“3.2 問題分析”基本一致，都是從復(fù)雜工程問題解決方案的探索上嵌入工程計算的思維和步驟。第6 條“復(fù)雜工程問題研究”，與工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求“3.4 研究”基本一致，都是從復(fù)雜工程問題的獨立研究上提出包括試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、規(guī)律挖掘等在內(nèi)的與工程計算相關(guān)的要求。

2018 年1 月，我國發(fā)布了第一個高等教育教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)。其中，《化工與制藥類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》對化工與制藥類專業(yè)人才應(yīng)掌握的業(yè)務(wù)知識與能力提出了9 條要求，表3 列出的是與工程計算能力直接相關(guān)的前5 條，涉及知識學(xué)習(xí)、問題應(yīng)用、方法掌握、創(chuàng)新實踐、工具使用等方面。

表3 《化工與制藥類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》中與工程計算能力直接相關(guān)的業(yè)務(wù)知識和能力要求

再從行業(yè)規(guī)范和產(chǎn)業(yè)人才需求來看，化工生產(chǎn)技術(shù)多樣，工藝加工過程復(fù)雜，生產(chǎn)過程的比例性和聯(lián)系性要求嚴(yán)格，安全平穩(wěn)運行意義重大，所需的人才要具有大工程觀。2001 年，美國工程與技術(shù)鑒定委員會（ABET）從雇主角度全面推進(jìn)注冊工程師鑒定準(zhǔn)則即《工程準(zhǔn)則2000》。該準(zhǔn)則提出注冊工程師應(yīng)具備11個方面的基本能力與要求，其中至少4 個方面涉及工程計算能力，包括掌握數(shù)學(xué)和工程科學(xué)知識的應(yīng)用能力，設(shè)計實驗以及分析和解釋數(shù)據(jù)的能力，對工程問題進(jìn)行系統(tǒng)表達(dá)、建構(gòu)方程、尋求解決方案及論證的能力，在工程實踐中使用現(xiàn)代化工具、技術(shù)的能力。在我國，執(zhí)業(yè)化學(xué)工程師，除要求具備本專業(yè)基本理論知識、工程基礎(chǔ)知識和學(xué)科基礎(chǔ)知識，還要求掌握單元設(shè)備和化工過程的設(shè)計、模擬及優(yōu)化等與工程計算密切相關(guān)的基本方法。綜上，隨著信息技術(shù)推動化工企業(yè)的數(shù)字化改造升級，化工產(chǎn)品制造裝備或生產(chǎn)過程越來越顯現(xiàn)出互聯(lián)特征和計算化特征，工程計算能力則成為評判一個工程人才是否合格的必要條件。

（二）工程計算能力的內(nèi)涵及其構(gòu)成要素

分析與綜合上述工科類專業(yè)人才培養(yǎng)或評估的畢業(yè)要求、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)知識與能力等與工程計算能力密切相關(guān)的要求后，現(xiàn)將工程計算能力的內(nèi)涵概括為具有科技或工程相關(guān)背景知識的個人或團(tuán)隊，利用現(xiàn)代工具（包括硬件和軟件）求解復(fù)雜工程問題的計算能力，其構(gòu)成要素及其內(nèi)在邏輯如圖1 所示，包括工程問題數(shù)學(xué)描述、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、計算方法選擇、高效算法編程計算、結(jié)果解釋與可視化等五個方面，它們既序貫實施、遞進(jìn)演繹，又循環(huán)關(guān)聯(lián)、反饋優(yōu)化。

圖1 工程計算能力的構(gòu)成要素

二、工程計算能力培養(yǎng)在化工原理課程教學(xué)中的實施探索

（一）基于工程計算能力培養(yǎng)的化工原理課程教學(xué)改革要求

化學(xué)工程與工藝屬傳統(tǒng)工科專業(yè)，化工原理是該專業(yè)的核心課程，其教學(xué)內(nèi)容包括流體輸送、過濾、傳熱、精餾、吸收、干燥等單元操作，它們往往直接對應(yīng)工廠生產(chǎn)線上的任務(wù)生產(chǎn)車間或單元裝備。因此，化工原理課程的教學(xué)改革，必須面向產(chǎn)業(yè)界，融合新技術(shù)，順應(yīng)化工產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的時代要求，革新教學(xué)方法，助力化工專業(yè)新工科建設(shè)。

一是堅持產(chǎn)出導(dǎo)向。根據(jù)化工“產(chǎn)業(yè)新需求”和“技術(shù)新發(fā)展”，迭代更新化工原理課程教學(xué)內(nèi)容，改變由學(xué)科割裂所造成的學(xué)生實踐創(chuàng)新能力和跨界整合能力缺乏的現(xiàn)狀，打通高校人才培養(yǎng)與化工產(chǎn)業(yè)人才需求間的“最后一公里”。

二是確立培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。以工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求、新工科專業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)建設(shè)國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等為抓手，圍繞工程計算能力培養(yǎng)的5個核心要素，完善課程培養(yǎng)目標(biāo)，優(yōu)化課程教學(xué)過程及評價方式，提高化工原理課程學(xué)習(xí)成果的達(dá)成度。

三是變革教學(xué)手段。工程計算的核心是以現(xiàn)代工具為手段，以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真研究。因此，教育借助Excel、Matlab、Aspen Plus 等與工程計算相關(guān)的平臺，實現(xiàn)化工原理課程理論教學(xué)與實踐應(yīng)用的同頻共振。

（二）工程計算能力培養(yǎng)在化工原理課程教學(xué)改革的示范

化工原理課程是以化學(xué)工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)中物質(zhì)的物理變化為研究對象，以單元操作模塊為章序，講授包括物料衡算、能量衡算、平衡和速率的計算及它們關(guān)系處理的工程化方法，解析有關(guān)工程因素對過程效能和裝置能力的影響關(guān)系等。工程性是該課程的一個顯著性特征，數(shù)學(xué)模型方法則是聯(lián)系各單元操作的一條主線。因此，選擇以問題求解或項目操作為導(dǎo)程，開展工程計算能力培養(yǎng)的教學(xué)實踐活動，可提高教學(xué)內(nèi)容的共同原型和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。下面以流體輸送為例，示范工程計算能力培養(yǎng)的教學(xué)演繹過程。

1.工程問題原型。如圖2所示，現(xiàn)需將密度950kg·m、黏度1.24mPa·s 的原料液從高位槽送入塔內(nèi)。高位槽內(nèi)的液面維持恒定，且高于塔的入口處4.5m，塔內(nèi)表壓強為3.5×10Pa。輸送原料液的管道直徑是45×2.5mm，長度是35m（包括管件及閥門的當(dāng)量長度，但不包括進(jìn)口、出口損失），管壁絕對粗糙度是0.2mm，問輸送液量能達(dá)多少？

圖2 原料液流自高位槽經(jīng)管線輸送至塔

2.問題分析與識別。此問題屬于簡單管路的操作型問題計算，該類問題常見有3 種情形：（1）已知流量和管件尺寸，計算管路的阻力損失、不同容器或設(shè)備間的相對位置、輸送設(shè)備的功率、管路中流體的壓力等。（2）給定流量、管長、管件和允許壓降，計算管道直徑。（3）已知管道尺寸、管件和允許壓降，計算流體速度或流量。其中第（2）種管徑未知、第（3）種流速未知，均會導(dǎo)致表征流體形態(tài)的準(zhǔn)數(shù)無法求取，因而摩擦因數(shù)λ也就無從確定。因此，需要采用迭代法完成這2 種情形的工程問題計算，具體到本問題則屬于第（3）種情形。

3.問題抽象與表達(dá)。流體輸送問題實際上就是動量傳遞原理的應(yīng)用。為求解計算，需要將上述流體輸送問題采用物理量等工程學(xué)科語言進(jìn)行抽象、轉(zhuǎn)譯和表達(dá)，以便建立各有關(guān)物理量之間的關(guān)系或定量模型。該問題中各個物理量識別表達(dá)如下：高位槽液面標(biāo)記為上游截面1-1′，輸送管道出口內(nèi)側(cè)標(biāo)記為下游截面2-2′，并選截面2-2′的中心線為基準(zhǔn)水平面，則-=Δ=4.5m，ρ=950kg·m，=1.24mPa·s，=0（表壓），=3.5×10Pa（表壓），≈0，=，-2=45-2×2.5=40mm，=35m，ε=0.2mm。

圖3 摩擦系數(shù)λ求解的迭代算法流程圖

表4 摩擦系數(shù)λ的迭代計算結(jié)果

三、結(jié)語

信息化和數(shù)字化是現(xiàn)代科技和工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。通過建立數(shù)學(xué)模型來理解、分析與求解復(fù)雜工程問題，有助于更加深刻地理解工程問題的本質(zhì)，也是開展科學(xué)研究和創(chuàng)新實踐的不竭動力。本文立足于新時代下高等教育的“工程范式”，梳理了新工科建設(shè)對工程計算能力培養(yǎng)的時代要求，歸納出工程計算能力的構(gòu)成要素，并以化工原理課程中流體輸送問題為例，完整地示范了問題分析與識別、問題抽象與表達(dá)、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、工程計算方法選擇、算法設(shè)計并實現(xiàn)、結(jié)果與討論等工程計算能力培養(yǎng)的教學(xué)演繹過程，以期為學(xué)生將來應(yīng)用工程計算從事科學(xué)研究、解決復(fù)雜工程問題奠定堅實的方法論基礎(chǔ)，也為工科專業(yè)的課程教學(xué)改革和質(zhì)量內(nèi)涵發(fā)展提供借鑒與啟迪。