工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的“化工設(shè)計”課程教改探索*

孫映暉，解瑞俊，劉俞辰，米亞策，陳天嘉，李 艷，李 媖

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展以及化工行業(yè)對化工設(shè)計、施工和化工產(chǎn)品生產(chǎn)要求的提高，相關(guān)行業(yè)對工程技術(shù)類人才的要求也在進(jìn)一步提高。對于化工專業(yè)的本科生而言，想要做好設(shè)計方面的工作，在校期間需要培養(yǎng)正確的設(shè)計理念和相應(yīng)的化工技術(shù)與綜合運用所學(xué)知識解決實際工程問題的能力，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，讓其從大學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)橐幻麅?yōu)秀的工程師?；ぴO(shè)計作為化工專業(yè)的必修課，是對化工原理、分離工程、化工熱力學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)工程等專業(yè)核心課程的綜合應(yīng)用?；ぴO(shè)計課程對于化工、制藥等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)后從事化工廠的設(shè)計、建設(shè)、設(shè)備的正確選型、工藝路線的改進(jìn)以及在設(shè)計和生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)并解決遇到的問題至關(guān)重要。同時，化工設(shè)計課程也是一門將技術(shù)和經(jīng)濟(jì)緊密結(jié)合的科學(xué)，它將從我國建設(shè)的根本利益出發(fā)，從符合我國技術(shù)政策和經(jīng)濟(jì)政策出發(fā)，能夠最合理、最有效地將資源綜合利用，盡可能吸取最新的科研成果，達(dá)到經(jīng)濟(jì)上的最大效益[1-2]。新工科背景下以及最新工程教育認(rèn)證都強調(diào)化工專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生要掌握最基本的設(shè)計原理和相關(guān)設(shè)計技能，能夠在畢業(yè)的時候?qū)?fù)雜工程問題的解決提出基本的方案，同時對系統(tǒng)的工程也要有初步的設(shè)計能力。因此，為了推動高等教育事業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新。在化工設(shè)計課程教學(xué)中不僅要讓學(xué)生掌握基本的專業(yè)知識，同時也要不斷培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計以及實踐創(chuàng)新能力。

化工設(shè)計課程具有較強的綜合性和系統(tǒng)性，要求學(xué)生對前序課程要有較好的掌握程度。課程所包含的專業(yè)內(nèi)容比較全面，學(xué)生在該課程中需要掌握的內(nèi)容包括生產(chǎn)工藝流程的選擇、物料衡算、能量衡算、工藝流程圖繪制、設(shè)備布置圖繪制、設(shè)備選型以及安全環(huán)保和經(jīng)濟(jì)分析等等。其次，該課程與工程實際結(jié)合的較為緊密，注重實際操作訓(xùn)練，在授課過程中注重以項目為導(dǎo)向的教學(xué)模式和行動學(xué)習(xí)式的教學(xué)模式相結(jié)合[3]?；ぴO(shè)計課程較為系統(tǒng)地講授了化工過程設(shè)計的基本內(nèi)容、基本原理、設(shè)計規(guī)范和方法，比較系統(tǒng)地介紹我國現(xiàn)行化工行業(yè)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定?；ぴO(shè)計課程講授的目標(biāo)旨在培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力和綜合工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建綠色、安全、節(jié)能、環(huán)保的設(shè)計思想和設(shè)計理念，培養(yǎng)學(xué)生的工程責(zé)任和工程理論[4]。本課程最終的學(xué)習(xí)目標(biāo)是讓學(xué)生能夠完成完整工藝流程的可行性分析，確定生產(chǎn)工藝路線，并對生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行設(shè)計。尤其是能夠在設(shè)計數(shù)據(jù)不完整或最初設(shè)計定義不明確的情況下能夠?qū)φ麄€工藝過程給出預(yù)期的判斷，應(yīng)用專業(yè)所學(xué)知識和技能解決設(shè)計過程中遇到的困難。同時，要求學(xué)生要有團(tuán)隊合作意識，能有效地利用團(tuán)隊中的每位成員，充分發(fā)揮團(tuán)隊成員的優(yōu)勢，通過團(tuán)隊內(nèi)每位成員的協(xié)同合作完成整個工藝生產(chǎn)流程的設(shè)計。

1 化工設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前傳統(tǒng)的化工設(shè)計教學(xué)由于學(xué)時較短，無法詳細(xì)講解化工行業(yè)涉及的所有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，課堂上單純地講解設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下，學(xué)習(xí)效率較低。雖然前期課程中學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了許多專業(yè)基礎(chǔ)知識，但是學(xué)生對工程問題的直觀認(rèn)識和深刻體會還存在一定的欠缺，尤其是對完整工藝流程的設(shè)計、車間與車間之間的銜接，安全環(huán)保問題的深刻分析還存在很大的不足。并且大部分學(xué)生還缺少在化工生產(chǎn)企業(yè)的實習(xí)經(jīng)歷，因此對課堂上所講解的有關(guān)車間和設(shè)備布置的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范理解比較困難。此外，由于目前學(xué)院只開設(shè)了制圖軟件和工藝流程計算相關(guān)的兩門軟件應(yīng)用課程，學(xué)生對化工計算軟件的使用能力也比較薄弱，對設(shè)備選型和計算也存在一定的不足。最后，現(xiàn)有課程的考核方式也不能夠全面反映學(xué)生對化工設(shè)計課程內(nèi)容的掌握情況，期末考試考察的內(nèi)容更多的是一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的考核，而對于工藝流程的設(shè)計和工藝流程計算方面的考察相對較少[5]。基于上述問題的存在，考慮對化工設(shè)計教學(xué)提出以下幾個方面的改革措施。

2 化工設(shè)計課程教改方案

2.1 改進(jìn)教學(xué)方法

目前化工設(shè)計的授課方法主要是以老師和學(xué)生之間進(jìn)行面對面的交流互動為主，沒有給學(xué)生留下足夠的時間讓學(xué)生無論是以小組還是個人的形式進(jìn)行自我學(xué)習(xí)。針對目前的這種授課形式以及難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性等問題。首先要創(chuàng)新授課方法，優(yōu)化化工設(shè)計課程的講解方式。在課程的講授過程中要以學(xué)生為主體，以解決實際問題為導(dǎo)向，以提高學(xué)生的能力為核心，通過在課堂教學(xué)中引入實際案例來提高學(xué)生對工程實際問題的重視程度，增加對實際工程問題的認(rèn)識能力[6]。課堂上通過布置經(jīng)典的化工設(shè)計案例，分組教學(xué)，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)的理論知識進(jìn)行討論與交流。老師應(yīng)當(dāng)將更多的設(shè)計項目以小組的形式下發(fā)到學(xué)生手中，讓學(xué)生通過查閱資料，相互討論的形式完成一個完整的設(shè)計任務(wù)。例如進(jìn)行反應(yīng)器的選型計算，生產(chǎn)車間的布置等，這些均可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，課后多與學(xué)生交流探討，進(jìn)一步強化和鞏固學(xué)生對理論知識的掌握程度[7]。在學(xué)生設(shè)計過程中教師應(yīng)及時對遇到的問題進(jìn)行答疑，一方面能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)生哪方面的知識比較薄弱，其次也能夠真正掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)。分組教學(xué)過程中團(tuán)隊成員間分工要明確，團(tuán)隊間協(xié)作共同完成一個作品。

課程考核方式也是教學(xué)改革的重要組成部分，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)過程的主動性，擴(kuò)大平時成績占比。學(xué)生的考核評分需包括教師評分和團(tuán)隊評分兩部分，這樣既可以保證團(tuán)隊內(nèi)不同成員依據(jù)自己在團(tuán)隊內(nèi)貢獻(xiàn)程度的不同獲得不同的分?jǐn)?shù)，同時也可以為后期學(xué)生參加化工設(shè)計大賽奠定一定的基礎(chǔ)[8]。授課初期將學(xué)期內(nèi)確定的設(shè)計任務(wù)以團(tuán)隊的形式分配下去，小組內(nèi)成員共同完成項目的可行性分析以及工藝流程設(shè)計環(huán)節(jié)中的所有任務(wù)。最后所有同學(xué)均需完成設(shè)計報告的撰寫，具體任務(wù)和參與形式見圖1所示。這一過程不僅能夠提高學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用在項目的設(shè)計過程中，同時每位同學(xué)就團(tuán)隊的總體目標(biāo)達(dá)成一致，能夠充分發(fā)揮每位學(xué)生在團(tuán)隊中的作用。學(xué)生必須說明各自將如何支持團(tuán)隊的工作，并就在項目設(shè)計過程對自己所承擔(dān)的任務(wù)、扮演的角色和完成的成果作出詳細(xì)說明，以便后期給每位學(xué)生合理的過程評價。

圖1 化工設(shè)計項目任務(wù)分配以及內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

2.2 強化實踐能力培養(yǎng)

針對本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)提交的工藝流程圖(PFD)、管道儀表流程圖(PID)以及設(shè)備布置圖存在規(guī)范化程度相對較差等問題，在化工設(shè)計這門課程講授過程要不斷強化學(xué)生對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的掌握以及圖紙規(guī)范化能力的訓(xùn)練。一方面是授課過程中結(jié)合設(shè)計圖紙樣本和具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范強調(diào)學(xué)生容易出錯的地方。歷屆化工設(shè)計大賽的參賽作品就行很好的案例，在課堂中穿插一些獲獎作品案例和圖紙作品可進(jìn)一步提高學(xué)對課程內(nèi)容的掌握情況。其次是加強學(xué)生圖紙繪制方面的訓(xùn)練，在課程結(jié)束階段對學(xué)生參與的設(shè)計項目所提交圖紙進(jìn)行綜合評價。老師對學(xué)生提交的圖紙進(jìn)行注釋，以幫助學(xué)生在容易出錯的地方進(jìn)行糾正[9]。

積極鼓勵并倡導(dǎo)學(xué)生參加相關(guān)的設(shè)計大賽。通過鼓勵學(xué)生參加化工設(shè)計大賽不僅可以檢驗?zāi)壳暗慕虒W(xué)效果，為課程的設(shè)計和調(diào)整提供有效的指導(dǎo)。此外，通過參加比賽也可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神。在日常的授課中借助學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺，讓學(xué)生了解歷屆化工設(shè)計大賽的參賽情況，通過比賽讓學(xué)生認(rèn)識并了解如何將學(xué)到的專業(yè)知識運用到現(xiàn)代化工工程的設(shè)計當(dāng)中[10]。也可以借助學(xué)院的校企合作平臺，讓企業(yè)的工程師通過線上教學(xué)的形式介紹現(xiàn)代化工廠的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)代化工設(shè)計所需要考慮到安全與環(huán)保的相關(guān)問題。在競賽過程中，企業(yè)也可以提供相關(guān)方面的技術(shù)人員作為參賽學(xué)生的指導(dǎo)老師。一方面，競賽可以作為為企業(yè)輸送和培養(yǎng)人才的很好機會，同時企業(yè)也可以通過競賽充分了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；另一方面，企業(yè)指導(dǎo)老師也可以在競賽過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對專業(yè)知識的掌握情況以及對專業(yè)知識的靈活運用能力等問題，最后針對大部分學(xué)生存在的問題對現(xiàn)有的培養(yǎng)方案作出適當(dāng)調(diào)整。在后期的畢業(yè)設(shè)計中，我們也可以通過學(xué)校導(dǎo)師與企業(yè)工程師合作的形式共同參與指導(dǎo)學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計。

2.3 加強設(shè)計軟件的應(yīng)用

目前化工設(shè)計課程要求教師以及學(xué)生對各種軟件的掌握情況提出了更高的要求。學(xué)生需要熟練掌握各種制圖和計算軟件以便為工程設(shè)計提供更多的便利[11]。例如，在對工藝流程進(jìn)行設(shè)計時學(xué)生需要經(jīng)常用到的流程模擬軟件有ProⅡ、Aspen Plus和Aspen HYSYS等；進(jìn)行物料和熱量衡算時用到的軟件有Aspen Plus、Matlab和Visual Basic等；繪制圖表常用的軟件有Auto CAD、Smart Plant 3D和3D Max等。對于大部分學(xué)生而言，只有完成一個完整工藝項目的設(shè)計后才能對這些軟件有熟練的應(yīng)用。在現(xiàn)代化工設(shè)計中不論是工藝流程設(shè)計、化工計算、車間設(shè)備及管道布置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析還是環(huán)境分析與安全評估都會用到一些計算機輔助軟件。除了專業(yè)設(shè)置的Auto CAD和Aspen Plus必須課以外，其它有關(guān)設(shè)計軟件應(yīng)用的課程基本都沒有開設(shè)。所以學(xué)生很難從我院目前開設(shè)的Auto CAD和Aspen Plus兩門課程上系統(tǒng)掌握化工設(shè)計軟件的具體操作與應(yīng)用技巧。尤其是在工程教育認(rèn)證背景下，要求學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計工具的掌握與應(yīng)用提出了更高的要求。為了適應(yīng)化工設(shè)計中對大量現(xiàn)代設(shè)計方法以及設(shè)計工具的應(yīng)用，在化工設(shè)計課程授課的過程中要不斷穿插一些相關(guān)設(shè)計軟件的應(yīng)用，調(diào)整出幾個學(xué)時來介紹部分軟件的應(yīng)用，在課后要適當(dāng)加大學(xué)生對各種軟件的使用力度。

由于化工設(shè)計涉及的專業(yè)知識比較全面，可以適當(dāng)增加課時量，在課堂上直接對學(xué)生進(jìn)行設(shè)計的規(guī)范化訓(xùn)練，并對大家容易出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行探討和分析，提高學(xué)生探索、分析和解決問題的能力；最后借助學(xué)院為年輕教師提供的校企合作平臺，年輕教師通過在化工設(shè)計院半年時間的實習(xí)培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，從而增加新教師的生產(chǎn)經(jīng)驗，提升自己的工程設(shè)計能力，把工廠設(shè)計的基本要求以及設(shè)計的步驟、內(nèi)容融入到課堂教學(xué)中，同時要把企業(yè)內(nèi)團(tuán)隊的合作精神和工程意識要在化工設(shè)計教學(xué)中體現(xiàn)出來[12]。此外，還可以讓企業(yè)的專家到學(xué)校進(jìn)行講座，講解一些常見的化工設(shè)計和模擬計算軟件在實際設(shè)計過程中的應(yīng)用，讓更多的學(xué)生不出校門就可以了解到化工設(shè)計在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

3 結(jié) 語

面向新工科背景下提高工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求，本文圍繞提高化工專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量這一核心，對化工設(shè)計這樣實踐性較強的專業(yè)課程改革進(jìn)行構(gòu)思，從引進(jìn)化工設(shè)計實例，豐富課堂教學(xué)方法，強化設(shè)計軟件學(xué)習(xí)，從重視講授課程知識的內(nèi)容和模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)與工程實踐能力上進(jìn)行改革，以培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)能力，提高學(xué)生的團(tuán)隊合作意識和實踐動手能力為出發(fā)點，著重培養(yǎng)新時代工科背景下的卓越工程師。