課時縮減情況下“化工工藝設計”課程的教學內容及教學方法改革探索與實踐

劉垚，韓志慧，楊蘭

（1.蘇州科技大學天平學院環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學化學與生命科學學院，江蘇 蘇州 215009）

“化工工藝設計”課程是化學工程與工藝以及其他化工類專業(yè)的基礎課之一。在化工生產中，為了從特定的原料中得到所需產品，化工設計采用相關的單元過程及單元操作設計出優(yōu)化的工藝流程，并根據工藝條件選擇合適的設備，設計合理的化工廠布局以滿足生產要求，同時進行有關非工藝類和工程經濟的設計事項[1]。由于各化工類專業(yè)設置不同，“化工工藝設計”課程的課時有所不同，一般為48學時，但也有設置為32學時。為了得到較好的教學效果，提高學生的專業(yè)技術能力和工程實踐能力，需要從教學內容和教學方法上進行改進，以適應現代教學要求。我們經過長期的教學改革探索和實踐，總結出以下幾點切實可行的教學經驗。

1 合理分配課時

“化工工藝設計”課程的內容主要包括以下幾個部分：工藝路線的確定、物料衡算和能量衡算、工藝流程設計、化工設備的選型和設計計算、化工廠布置、化工管路以及非工藝專業(yè)設計和工程經濟等[1-3]，教學內容較多。若將“化工工藝設計”課程縮減為32 個課時，欲使學生能夠很好地掌握化工設計的方法并能夠獨立完成化工產品的工藝流程設計是比較困難的。

課時減少，為達到較好的教學效果，更應分清主次，將大部分課時集中在重點內容。以本校為例，“化工工藝設計”課程選用的教材是華東理工大學出版社出版的《化工設計》[1]，原課程設置為48 課時，但由于專業(yè)設置的需要，現將此課程縮減至32課時，因此，我們將“化工工藝設計”的課時分配做了調整，如表1所示，我們縮減了物料衡算與能量衡算、化工設備設計、非工藝專業(yè)設計以及設計中注意的問題等章節(jié)的課時，將教學重點集中在其他化工專業(yè)課未涉及的3個方面：①工藝路線的選擇和工藝流程的設計；②化工設備的選擇及工藝流程圖的繪制；③化工管路設計及化工廠布置。這三方面的內容也是“化工工藝設計”課程的核心，占到了總課時的四分之三。我們在實踐中發(fā)現，此種課時分配更能夠使學生較好地掌握化工流程的設計及化工廠的布置方法，能夠獨立繪制各種工藝流程圖和布置圖，教學效果較好。

表1 我?！盎すに囋O計”課程課時分配對比表

2 加強化工課程間的相互配合

從表1的課時分配可以看出，除了上述提及的三方面重點外，物料衡算、熱量衡算、化工設備設計等內容分配的課時較少，這些內容在化工工藝設計課程中不能系統(tǒng)地介紹，但是這些內容在“物理化學”“化工熱力學”“化工原理”“化學反應工程”“化工機械設備基礎”等課程中均有涉及，只是側重點不同。因此，為了得到較好的教學效果，應該加強各化工專業(yè)課間的相互配合，在其他化工類專業(yè)課上可以對涉及化工工藝設計的內容進行有目的的、有針對性的介紹，例如：在“物理化學”和“化工熱力學”中介紹一些關于化工流程的熱量衡算問題；在“化工原理”和“化工機械設備基礎”里側重介紹一些化工單元設備的設計計算方法；在“化學反應工程”里側重介紹反應熱的計算和反應設備的設計方法等。在“化工工藝設計”課程中，再用有限的課時將這幾門課中涉及的內容做一些強調、回顧和串聯，既完成了化工設計的內容介紹，又將各科知識融會貫通，使學生能夠更好地運用各門知識來解決實際問題，增強工程實踐能力。

3 采用計算機模擬軟件輔助設計

目前，國際上進行化工設計多采用化工流程模擬設計軟件，各國開發(fā)及使用的軟件種類很多，例如PROII、Aspen Plus、Hysy、ChemCAD、Design II 等軟件都得到了廣泛應用。在我國，從事化工設計的單位主要有天津天辰工程公司、太原華泰工程公司、合肥東華工程公司、武漢五環(huán)工程公司等，其大多也采用化工流程模擬軟件進行信息化輔助設計，如PROII 和Aspen Plus 軟件等。因此，為了培養(yǎng)能與社會應用接軌的化工設計人才，可將Aspen Plus等軟件引入化工工藝設計的教學中。

Aspen Plus 軟件的功能很多，其部分常用功能如表2 所示，若將此進行全面介紹則會大幅增加課時量，這在縮減課時的情況下是無法達到的。因此，我們選取了Aspen Plus 軟件中社會應用最為廣泛、學生能夠理解的功能作為主要介紹內容，并且為了節(jié)省課時，我們將其穿插于“化工工藝設計”課程中的物料衡算和能量衡算、化工設備的設計計算等教學內容之中，例如：在進行物料衡算和能量衡算教學時，介紹利用Aspen Plus 軟件物性數據庫進行化工生產流程的物料衡算和熱量衡算；在進行化工設備設計教學時，介紹利用Aspen Plus 軟件進行泵、精餾塔、換熱器等設備的模擬設計方法等。

表2 Aspen Plus 軟件的部分主要功能表

Aspen Plus 軟件的引入，既向學生介紹了大型流程模擬軟件的使用方法，又可通過計算機軟件進行設備的設計計算，減輕了手工計算的工作量，大大縮短了設計時間，并且，還可利用軟件自帶的物性數據庫，解決設計中物性數據難以查找的問題，既培養(yǎng)了學生的專業(yè)技術能力，又提高了設計效率，并調動了學生的學習積極性，起到了一舉多得的作用。

4 翻轉課堂與案例式、研討式等教學方法聯合使用

在化工設計中需要很多的設計知識和大量的設計經驗，設計規(guī)范和要求細致而繁瑣，僅依靠空洞的介紹不能達到理想的教學效果，因此，案例式教學是化工工藝設計非常有效的一種教學方法。相對于教條的知識，學生對生動有趣的案例更感興趣。在案例中學生可以更加明確化工設計的方法和原則，再輔以研討式和探究式的教學方法，能夠活躍課堂氣氛，調動學生的學習積極性。

但若在教學過程中一味采用“教”的方式，即使是案例式、研討式等教學方法聯合使用，也很難達到良好的教學效果，所以應該著重突出學生的主體地位，并且，課時減少，更要珍惜課堂時間，因此我們采用了翻轉課堂的方法。

以生產路線的選擇和工藝流程設計的教學為例，其教學過程如圖1所示，首先針對教學案例先給學生布置課后任務：以小組為單位查找收集某產品的所有生產方法和條件，課上讓學生自己進行生產方法的講解，并且?guī)熒黄疬M行討論，分析各生產路線的優(yōu)缺點，確定工藝路線；隨后確定工藝流程，先將案例中工藝流程所涉及的知識點以“學案導學”的方式作為課下自學的內容布置給學生，例如：化工單元操作的方法、每種化工單元操作使用的設備、反應器的類型和選擇方法等，這些知識都在以往的課程中學過，學生可以通過課下學習對以往知識點進行回顧，降低陌生感，并在收集資料的過程中溫故而知新，提高學生的自主學習意識。在課上以案例的形式與學生共同探討合成工藝流程，案例最好選擇學生曾經做過的化學實驗，這樣可以減少學生的陌生感，再讓其將化學實驗的工藝和儀器換成工業(yè)生產的操作和設備，這樣既讓學生了解了化工流程的設計方法，又理論聯系了實際。

圖1 翻轉課堂與案例式、研討式教學相結合的教學流程示意圖

我們發(fā)現，這一教學流程進行下來，既充分調動了學生的學習興趣，發(fā)揮了學生的主觀能動性，又節(jié)省了課時，并在案例的研討過程中，學生對設計的原則和方法有了更深刻的認識，更好地掌握了設計中的注意事項，提高了教學效果。

5 教學由簡到繁并配以多種輔助教學手段

化工設計涉及的知識面廣，設計條件千差萬別，工藝流程復雜繁瑣，這增加了學生學習的難度，因此教學過程更應注意要從簡到繁，一點一滴逐漸增加難度，以減少學生的畏難情緒，并采用多種教學手段以及教學活動輔助教學。

例如，在化工流程圖繪制的教學中，應先繪制工藝流程簡圖，讓學生掌握流程圖中圖例的繪制方法，熟悉設備位號及名稱的標注方法等，之后再加上物料組成表等元素，繪制物料流程圖。帶控制點的工藝流程圖對學生來說難度較大，因此將此圖放在最后進行介紹。繪制之前應先介紹各種設備的溫度、壓力、流量、液位以及控制方法、控制儀表和閥門等，再將其加在工藝流程簡圖上。帶控制點的工藝流程圖上的控制儀表和閥門通常是學生難以掌握的知識點，這就需要多種教學手段聯合使用。例如，可采用2D 或者3D 的虛擬仿真軟件，讓學生了解真實的化工流程，或者帶領學生進入工廠實習參觀，在現場介紹各種控制方法和設備，如果工廠實地參觀不方便，也可以采用模擬工廠的模型等。這些教學手段配合使用，可使學生有更直接的感觀，學習效果較好。

此外，若條件許可還可以帶領學生親手制作化工廠的工藝流程模型，在制作過程中加深學生對化工工藝設計的認識，培養(yǎng)直觀工程觀念，也可將具有實際化工設計經驗的工程師請進學校，以講座的形式與學生互動交流，極大地調動學生的積極性，并從中獲得書本以外的知識，了解實際應用，提高學生實際設計能力。

6 結論

“化工工藝設計”課程由于內容較多，設計過程復雜，與以往的專業(yè)課交集多，從而增加了學生學習的難度。因此在教學過程中不能默守陳規(guī)，應不斷摸索教學方法，不斷更新教學理念和教學內容，隨時發(fā)現教學中存在的問題，廣開思路，多種教學方法和教學手段配合使用，進行切實可行的改革，提升教學質量和效果，培養(yǎng)學生樹立正確的化工設計思想，掌握化工設計過程的基本技能，使學生具有創(chuàng)新能力和解決工程問題的能力，拓寬就業(yè)面，為工科大學生通向工程師鋪平道路，也為學生們今后從事技術工作打下堅實的基礎。