基于創(chuàng)新理論的化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革初探*

徐環(huán)斐，高 揚(yáng)，卜秋祥

(1 青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042；2 山東三維石化工程股份有限公司青島分公司，山東 青島 266071；3 青島科技大學(xué)教務(wù)處課程中心，山東 青島 266061)

習(xí)近平總書(shū)記在2021年5月28日出席中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院院士大會(huì)上指出：“高水平研究型大學(xué)要把發(fā)展科技第一生產(chǎn)力、培養(yǎng)人才第一資源、增強(qiáng)創(chuàng)新第一動(dòng)力更好結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮基礎(chǔ)研究深厚、學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢(shì)，成為基礎(chǔ)研究的主力軍和重大科技突破的生力軍?！币虼?，高等學(xué)校應(yīng)當(dāng)勇于擔(dān)當(dāng)此重大使命，從最基礎(chǔ)的教學(xué)為落腳點(diǎn)之一，發(fā)揮創(chuàng)新理念指導(dǎo)高等學(xué)校教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)高質(zhì)量本科生教育和高水平科技創(chuàng)新聯(lián)動(dòng)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)打好核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)以解決“卡脖子”科技難題夯實(shí)高等教育對(duì)人才培養(yǎng)過(guò)程中教學(xué)環(huán)節(jié)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 化工與化工設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

化工行業(yè)是涉及到國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展和人民日常生活的重要行業(yè)[1]?；ぎa(chǎn)品從各領(lǐng)域?yàn)閲?guó)民經(jīng)濟(jì)提供了重要支持?；ぎa(chǎn)品的生產(chǎn)具有一定的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，因?yàn)樯婕暗教囟ǖ姆磻?yīng)條件和特定的試劑助劑催化劑等，因此對(duì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)的場(chǎng)所的設(shè)計(jì)優(yōu)化也就是化工廠設(shè)計(jì)優(yōu)化在推動(dòng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展的進(jìn)程中起到至關(guān)重要的作用?；ぴO(shè)計(jì)按照不同的角度可以劃分為不同的類(lèi)別；在化工設(shè)計(jì)這門(mén)課程中，重點(diǎn)講授如何進(jìn)行新建工廠的設(shè)計(jì)。從撰寫(xiě)各類(lèi)設(shè)計(jì)文案如項(xiàng)目建議書(shū)、可行性研究報(bào)告等學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)的基本流程；從廠址選擇開(kāi)始到投產(chǎn)試運(yùn)行到技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)；具體包括了生產(chǎn)方法的選擇、生產(chǎn)工藝流程、化工計(jì)算、設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)、車(chē)間布置設(shè)計(jì)、管道布置設(shè)計(jì)、非工藝專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等內(nèi)容。

化工設(shè)計(jì)這門(mén)專(zhuān)業(yè)課的名字是有兩部分組成的，其中一部分是化工，一部分是設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)二字帶有創(chuàng)作的含義；在學(xué)術(shù)界，“設(shè)計(jì)”的概念多被概括為對(duì)某一事物的構(gòu)想和規(guī)劃，并將腦海中的構(gòu)思輸出變成現(xiàn)實(shí)。設(shè)計(jì)本身是具有創(chuàng)造性的活動(dòng)，是需要?jiǎng)?chuàng)新思維的。而化工二字將設(shè)計(jì)進(jìn)行了限定，表示此設(shè)計(jì)內(nèi)容必須要符合化工行業(yè)的規(guī)范，化工領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何在化工行業(yè)基本要求下，進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，以提供優(yōu)質(zhì)的化工廠設(shè)計(jì)方案是本門(mén)課程的教學(xué)難點(diǎn)和痛點(diǎn)?；趧?chuàng)新理論的化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革將嘗試解決這一難題。

2 基于傳統(tǒng)創(chuàng)新方法的化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革

創(chuàng)新作為一種理論[2-3]，可追溯到著名的哈佛大學(xué)教授熊彼特在《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》中提出的一句話，“創(chuàng)新是指把一種新的生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件的‘新結(jié)合’引入生產(chǎn)體系”。創(chuàng)新理論逐步發(fā)展壯大，形成不同的創(chuàng)新方法[4-5]。在本章節(jié)以傳統(tǒng)創(chuàng)新方法中的和田十二法、奧斯本檢驗(yàn)法、5W1H法等與化工設(shè)計(jì)課程相結(jié)合，進(jìn)行教學(xué)改革探索。

2.1 基于和田十二法的教學(xué)改革

和田十二法，又叫“和田創(chuàng)新法則”或者“和田創(chuàng)新十二法”；是我國(guó)學(xué)者許立言、張?？趭W斯本檢驗(yàn)法問(wèn)題表基礎(chǔ)上，借用其基本原理，加以創(chuàng)造而提出的一種創(chuàng)新思維方法。由于其首先在和田路小學(xué)進(jìn)行了實(shí)踐運(yùn)用，因此成為和田十二法。其具體內(nèi)容是“加一加、減一減、擴(kuò)一擴(kuò)、縮一縮、變一變、改一改、聯(lián)一聯(lián)、學(xué)一學(xué)、搬一搬、反一反、定一定”。

以化工設(shè)計(jì)中的管道布置為例進(jìn)行此方法與教學(xué)的結(jié)合?；S中的管道布置具有重要意義，化工廠的管道就如同人身體的血管，人體的血管聯(lián)通各個(gè)器官，化工管道聯(lián)通化工廠的各個(gè)設(shè)備，是重要的物料輸送能量輸送方式。學(xué)生可通過(guò)和田十二法進(jìn)行定向深入分析：比如某車(chē)間某工段工序的管道能否加一加，即是否需要加高、加厚、增加性能模塊，如防腐蝕、隔熱層等?；す艿滥芊駵p一減，即能否縮減此處管道的總長(zhǎng)度、能否縮減管道上的閥門(mén)數(shù)量、能否縮減管道上的某些自動(dòng)化調(diào)控?cái)?shù)量等。管道的布置涉及到物料的具體特性，易燃易爆的管道能否縮一縮，能否壓縮數(shù)量體積或者微型化處理。管道的安全閥門(mén)、防爆膜、阻火器、水封等能否變一變?，F(xiàn)有管道是否存在不足，能否改一改更加合理和高效。通過(guò)聯(lián)一聯(lián)思路，管道和設(shè)備之間的聯(lián)系，以及管道和管道之間的聯(lián)系能否產(chǎn)生創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。通過(guò)模仿別的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行學(xué)一學(xué)的管道結(jié)構(gòu)和功能創(chuàng)新。管道容易出現(xiàn)氣袋、口袋和盲腸等問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)初期能否根據(jù)反一反的思路進(jìn)行逆向思維，從另外一個(gè)角度去思考管道設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。采用代一代的指導(dǎo)思想，引導(dǎo)學(xué)生思考某部分管道能否采用別的設(shè)備的一部分進(jìn)行替代、某幾個(gè)管道能否用別的管道進(jìn)行替代保證原有功能。采用搬一搬思路引導(dǎo)學(xué)生考慮目前管道能否移作他用，能否產(chǎn)生新的效應(yīng)和技術(shù)。管道設(shè)計(jì)有行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，比如化工裝置管道布置設(shè)計(jì)規(guī)定，在案例分析過(guò)程中，采用定一定的思路，引導(dǎo)學(xué)生思考為什么需要遵循管道設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)定，如果不遵循某條行業(yè)規(guī)定，可能會(huì)出現(xiàn)什么樣的后果。

2.2 基于奧斯本檢驗(yàn)法的教學(xué)改革

上述和田十二法是根據(jù)奧斯本檢驗(yàn)法延伸形成的。奧斯本檢驗(yàn)法或者稱(chēng)為奧斯本檢驗(yàn)表法是以該方法的發(fā)明者奧斯本的名字命名的。該方法在創(chuàng)新領(lǐng)域非常受歡迎，被稱(chēng)為創(chuàng)新方法之母。它強(qiáng)制人去思考，有利于突破一些人不愿提問(wèn)題或不善于提問(wèn)題的心理障礙。提問(wèn)，尤其是提出有創(chuàng)見(jiàn)的新問(wèn)題本身就是一種創(chuàng)新。具體包括以下九部分內(nèi)容：能否改變、能否借用、能否他用、能否擴(kuò)大、能否縮小、能否替代、能否調(diào)整、能否顛倒、能否組合。

以化工設(shè)計(jì)中的發(fā)展用地為例進(jìn)行此方法與教學(xué)的結(jié)合。發(fā)展用地可以簡(jiǎn)單的理解為在化工廠的總圖設(shè)計(jì)中，平面區(qū)域并不完全被占滿(mǎn)，預(yù)留出一片空地，此空地用于未來(lái)化工廠的發(fā)展，因此叫做發(fā)展用地。在發(fā)展用地設(shè)計(jì)的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生采用此方法思考發(fā)展用地能否進(jìn)行以下九部分內(nèi)容的調(diào)整。發(fā)展用地能否改變，更詳細(xì)一些，發(fā)展用地能否改變功能，能否改變形狀，能否改變具體位置等。發(fā)展用地能否借用，更具體一些，發(fā)展用地能否被用作暫時(shí)儲(chǔ)存空間，能否被工藝管道借用通過(guò)其上方空間或者地下空間，能否被公用工程管道借用穿過(guò)其區(qū)域。發(fā)展用地能否擴(kuò)大，更深入一些，發(fā)展用地的面積能否擴(kuò)大或者縮小，擴(kuò)大或者縮小后整個(gè)廠區(qū)的總圖布置發(fā)生了怎么樣的改變，對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響是什么，如果面積能擴(kuò)大或者縮小，具體采用哪種長(zhǎng)寬比的擴(kuò)大方式，和周?chē)?chē)間和管道的位置關(guān)系有無(wú)需要調(diào)整的地方。發(fā)展用地能否替代，換個(gè)角度說(shuō)，能否在化工廠里面沒(méi)有發(fā)展用地，或者別的車(chē)間替代其功能。發(fā)展用地能否調(diào)整和顛倒，發(fā)展用地能否調(diào)整比例，能否顛倒位置、顛倒作用等。發(fā)展用地能否組合，是設(shè)計(jì)一個(gè)位置的發(fā)展用地還是設(shè)計(jì)多個(gè)位置的發(fā)展用地，這些不同的發(fā)展用地能否集中成一個(gè)，或者一個(gè)位置的能否分散成多個(gè)發(fā)展用地，他們之間的相互關(guān)系如何確立等。在學(xué)生利用此方法回答以上問(wèn)題的過(guò)程中，督促了學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考，有助于學(xué)生探究發(fā)展用地的設(shè)計(jì)初衷，并強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)發(fā)展用地知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解。

2.3 基于5W1H法的教學(xué)改革

5W1H法又稱(chēng)為六個(gè)為什么方法，或者六何方法。是一種深度剖析問(wèn)題的創(chuàng)新方法。其中5W1H分別是why、what、where、when、who和how的首字母。這個(gè)方法可以用一句話來(lái)總結(jié)，即是對(duì)選定的項(xiàng)目、工序或操作，都要從原因、對(duì)象、地點(diǎn)、時(shí)間、人員、方法等六個(gè)方面提出問(wèn)題進(jìn)行思考。

以化工設(shè)計(jì)中的事故水池為例進(jìn)行此方法與教學(xué)的結(jié)合。事故水池又稱(chēng)為事故應(yīng)急水池，是化工企業(yè)在發(fā)生事故、檢修等特殊情況下，暫時(shí)貯存排除廢液的水池。是化工廠設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的具有消防、防腐、防洪功能的應(yīng)急區(qū)域。按照5W1H創(chuàng)新方法，引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行創(chuàng)新性思考，解決六個(gè)為何問(wèn)題。(1)解決這個(gè)事故水池的what問(wèn)題，即這個(gè)水池是處理具體什么事情的，事故發(fā)生之后化工廠會(huì)有什么情況，化工廠存在事故水池和沒(méi)有事故水池有什么區(qū)別或者后果，并讓同學(xué)們舉例進(jìn)行說(shuō)明。(2)解決這個(gè)事故水池的where問(wèn)題，即這個(gè)事故水池需要放置在化工廠的具體什么位置，需要靠近什么車(chē)間，具體需要靠近的車(chē)間有什么特點(diǎn)；化工廠的區(qū)域分為平面和立面，平面這個(gè)水池需要占地多少面積，立面這個(gè)水池需不需要進(jìn)行溢流堰的設(shè)置，如果需要，溢流堰需要設(shè)置多高。(3)解決這個(gè)事故水池的when問(wèn)題，即這個(gè)水池在什么時(shí)候起到作用，既然稱(chēng)為事故應(yīng)急水池，起作用的時(shí)候和不起作用的時(shí)間占比大約是多少，在沒(méi)有發(fā)生事故的時(shí)候，這個(gè)水池有沒(méi)有其他的作用，這個(gè)作用是否影響其位置的確定。(4)解決這個(gè)事故水池的who問(wèn)題，即這個(gè)水池是為誰(shuí)服務(wù)的，是為緊急事故廢水服務(wù)的，服務(wù)的這個(gè)廢水特點(diǎn)是什么，可能具有什么物化性質(zhì)，可能具有怎樣的流量速度和總量，這些是否和廢水來(lái)源的設(shè)備或者管道有關(guān)系。(5)解決這個(gè)事故水池的why問(wèn)題，即這個(gè)水池為什么需要這個(gè)技術(shù)參數(shù)，為什么非要這樣設(shè)計(jì)，換個(gè)別的設(shè)計(jì)形式行不行。(6)解決這個(gè)事故水池的how問(wèn)題，即這個(gè)水池怎么設(shè)計(jì)，怎么設(shè)計(jì)效果更好，怎么設(shè)計(jì)效率最高，怎么設(shè)計(jì)最省人力物力財(cái)力，怎么設(shè)計(jì)最有利于這個(gè)化工廠的總的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，怎么設(shè)計(jì)能避免失敗，怎么設(shè)計(jì)能最大限度的發(fā)揮價(jià)值。

2.4 基于信息交合法的教學(xué)改革

信息交合法，又可以稱(chēng)為“要素標(biāo)的發(fā)明法”，或稱(chēng)為“信息反應(yīng)場(chǎng)法”。信息交合法是一種在信息交合中進(jìn)行創(chuàng)新的思維技巧，即把物體的總體信息分解成若干個(gè)要素，讓這些要素進(jìn)行兩兩相交使得不同的信息進(jìn)行聯(lián)系，將孤立的零散的信息形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以發(fā)散思維，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

在化工設(shè)計(jì)課程內(nèi)容中，設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，特別是針對(duì)具體的反應(yīng)條件、反應(yīng)熱效應(yīng)、反應(yīng)物產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)，核心反應(yīng)設(shè)備有時(shí)不能通過(guò)選型完成而是需要自行設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)信息交合法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)。比如將分散的設(shè)備需求點(diǎn)進(jìn)行交合，整合成為具有多種功能的集成設(shè)備；設(shè)備需要比表面積大、換熱好、混合均勻、分離效果好等需求點(diǎn)，在此方法的指導(dǎo)下，學(xué)生將有目的地去思考能否采用換熱器、混合器、反應(yīng)器、控制器等集成在一起的微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)？具體怎么操作，是選擇錯(cuò)流還是逆流；怎么實(shí)現(xiàn)單位體積的高通量操作；如何通過(guò)調(diào)整形狀實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部比表面積的增加；如何實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)器內(nèi)的裝置的聯(lián)通等，在此方法引導(dǎo)下，學(xué)生選擇重要的要素進(jìn)行兩兩相交獲得不同的信息關(guān)聯(lián)，最終為化工廠的特定反應(yīng)設(shè)計(jì)具有集成功能的微反應(yīng)器。

3 結(jié) 語(yǔ)

創(chuàng)新是發(fā)展的靈魂所在，在高等學(xué)校專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有重要的意義?；W(xué)科專(zhuān)業(yè)課化工設(shè)計(jì)是一門(mén)基于專(zhuān)業(yè)背景的設(shè)計(jì)課程，培養(yǎng)學(xué)生在化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范下進(jìn)行具有創(chuàng)新性思維的創(chuàng)造有助于提高學(xué)生的化工工程師素養(yǎng)。將創(chuàng)新理論和化工設(shè)計(jì)課程有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行基于創(chuàng)新理論的化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革初探能夠提高教學(xué)水平，更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。