專業(yè)認(rèn)證背景下的“化工過程分析與合成”課程教學(xué)

王艷麗 孫倩 陳博 陳叢瑾

摘?要：“化工過程分析與合成”課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)核心課程，然而目前存在“化工過程分析與合成”課程教學(xué)內(nèi)容與化工人才培養(yǎng)目標(biāo)脫節(jié)的問題，為此，本文提出將案例式教學(xué)融入化工過程分析與合成的教學(xué)內(nèi)容中，通過對(duì)實(shí)際工程案例的提出、濃縮，并融合進(jìn)入課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新，提升教學(xué)的深度和廣度，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：化工過程分析與合成；案例式教學(xué)；工程問題

中圖分類號(hào)：G64??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Analysis?and?Synthesis?of?Chemical?Process?is?a?core?course?for?students?majoring?in?chemical?engineering?and?technology.However，there?is?a?problem?that?the?teaching?content?of?Chemical?Process?Analysis?and?Synthesis?is?out?of?line?with?the?training?objectives?of?chemical?talents.Therefore，this?paper?proposes?to?integrate?case?teaching?into?the?teaching?content?of?chemical?process?analysis?and?synthesis.By?proposing?and?concentrating?practical?engineering?cases?and?integrating?them?into?classroom?teaching，the?innovation?of?teaching?mode?can?be?realized，the?depth?and?breadth?of?teaching?can?be?improved，and?the?ability?of?students?to?solve?complex?engineering?problems?can?be?cultivated.

Keywords：Chemical?process?analysis?and?synthesis；Case?teaching；Engineering?problem

1?課程背景

自我國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》以來，提高工程教育質(zhì)量，助力我國(guó)成為工程教育強(qiáng)國(guó)成為高校教育的戰(zhàn)略任務(wù)［12］。在工程教育認(rèn)證理念的引領(lǐng)下，廣西大學(xué)積極踐行“以學(xué)生為中心”“成果導(dǎo)向”“持續(xù)改進(jìn)”的人才培養(yǎng)理念［34］。我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)也在積極籌備?2023年化學(xué)工程與工藝專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證。學(xué)院通過仔細(xì)研讀工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合化工專業(yè)特點(diǎn)，制定了12條畢業(yè)要求，其中，“化工過程分析與合成”課程的教學(xué)目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求1（工程知識(shí)：要求掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，能夠運(yùn)用其原理和方法解決化工及相關(guān)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題）、畢業(yè)要求3［設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案：要求能夠設(shè)計(jì)針對(duì)化工及相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素］和畢業(yè)要求11（項(xiàng)目管理：理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟(jì)決策方法，并能在多學(xué)科環(huán)境中應(yīng)用）的支撐力度巨大。因而，通過“化工過程分析與合成”課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是實(shí)現(xiàn)化工人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵［56］。

因此，通過對(duì)本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的梳理和基于產(chǎn)出導(dǎo)向（OBE）的工程能力畢業(yè)要求［7］，本課程的教學(xué)目標(biāo)為：課程目標(biāo)1：掌握化工過程分析和合成的基本概念和基本內(nèi)容，基本了解化工過程系統(tǒng)模擬與分析的基本原理和方法；課程目標(biāo)2：能運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理對(duì)給定的化工過程系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)3：能夠在化工系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，綜合考慮投資和收益之間的權(quán)衡，設(shè)計(jì)具有全局最優(yōu)的流程方案。培養(yǎng)學(xué)生作為化工人的責(zé)任與使命，將工程師價(jià)值觀寓于實(shí)踐之中。上述目標(biāo)分別對(duì)應(yīng)了畢業(yè)能力要求中工程知識(shí)、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案和項(xiàng)目管理能力。“化工過程分析與合成”課程通過利用系統(tǒng)工程的知識(shí)，首先對(duì)化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上再對(duì)大化工系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析，并利用工程優(yōu)化的知識(shí)，對(duì)化工大系統(tǒng)進(jìn)行全局的調(diào)優(yōu)和評(píng)價(jià)。本課程通過對(duì)化工過程系統(tǒng)中換熱網(wǎng)絡(luò)的合成及分離塔序列綜合分析，使學(xué)生掌握過程系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體細(xì)節(jié)［8］，最終培養(yǎng)學(xué)生從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面研究化工過程系統(tǒng)模擬、分析、優(yōu)化和合成的基本能力［911］。

2?常規(guī)教學(xué)方法

2.1?課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排

“化工過程分析與合成”課程于2020年首次在廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)開設(shè)，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)核心課程。目前階段，本課程主要是以課堂講授（含講課、習(xí)題課）為主，課程主要參考張衛(wèi)東等編著的教材［12］。結(jié)合教材，本課程講授的內(nèi)容主要涵蓋化工過程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬、化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化（主要包含化工過程系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化）、換熱網(wǎng)絡(luò)合成及分離塔序列綜合（屬于化工過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化），具體學(xué)時(shí)安排如下：

2.2?常規(guī)教學(xué)方法及其問題

該課程目前的教學(xué)中基本遵循著傳統(tǒng)的教學(xué)模式，上課基本上都是教師基于選用的教材，并以教授知識(shí)為主。這種教學(xué)模式雖然條理性強(qiáng)，卻不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。通過近幾年的課程教學(xué)，發(fā)現(xiàn)了目前所用教學(xué)方法的諸多問題，課堂教學(xué)全程由教師講述會(huì)使學(xué)生失去主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，尤其是針對(duì)化工過程系統(tǒng)優(yōu)化章節(jié)，單純地講解線性規(guī)劃問題求解和非線性規(guī)劃問題求解會(huì)使課堂教學(xué)非?？菰铮n程若完全以課本為主，會(huì)使學(xué)生喪失課外探索的激情。此外，教師上課所講的內(nèi)容基本上全部是教材上的內(nèi)容，而且所有知識(shí)通過課堂傳授為主，沒有引導(dǎo)學(xué)生利用本課程所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一些復(fù)雜工程問題的分析研究，導(dǎo)致學(xué)生在踏入實(shí)際工作崗位時(shí)，不知道如何利用課本上所學(xué)的知識(shí)，即很難學(xué)以致用［1315］。此外，課本上有些內(nèi)容也是需要與時(shí)俱進(jìn)進(jìn)行更新，如不通過實(shí)際案例講解清楚，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生困惑。例如，采用分離度系數(shù)有序探試法進(jìn)行分離序列綜合的過程中，關(guān)于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的使用就需要很多的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，單純地按照課本上的內(nèi)容講是很難讓學(xué)生體會(huì)到經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的靈活應(yīng)用，尤其是針對(duì)“經(jīng)驗(yàn)規(guī)則M1優(yōu)先采用使用能量分離劑的方法”，在使用這個(gè)規(guī)則時(shí)需要提醒學(xué)生，這個(gè)規(guī)則是20世紀(jì)七八十年代制定的，當(dāng)時(shí)面臨著能源危機(jī)，但當(dāng)時(shí)能源的價(jià)格還是相對(duì)便宜的。在此后的幾十年中，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及我們面臨著苛刻的環(huán)境和能源的壓力造成能源價(jià)格急劇上漲，所以這種過程中是否仍然要選用優(yōu)先選用能量分離劑的方法這一規(guī)則，還需要學(xué)生進(jìn)行思考分析，并在實(shí)際工作中根據(jù)實(shí)際需要選擇。畢竟關(guān)于分離方法近年來也發(fā)生了翻天覆地的變化。近二三十年來出現(xiàn)了很多新技術(shù)，比如膜分離技術(shù)的廣泛應(yīng)用，很多高效的、低能耗的新技術(shù)在很多領(lǐng)域展現(xiàn)了新的生命力，取代了常規(guī)精餾。

隨著學(xué)院工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的進(jìn)行，常規(guī)的教學(xué)模式已不適應(yīng)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，嚴(yán)重阻礙了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際解決復(fù)雜工程問題的能力。因此，“化工過程分析與合成”課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行［1618］。

3?新模式教學(xué)方法探索

基于本課程對(duì)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求，為了縮短課堂教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)之間的差距，我們通過引入工程案例［19］，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。在介紹過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的序貫?zāi)K法和面向方程法時(shí)，我們通過進(jìn)入發(fā)酵液分離案例，從單個(gè)蒸發(fā)單元操作到多級(jí)閃蒸過程，再到過程單元的設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題，逐步深入。首先對(duì)單個(gè)的蒸發(fā)單元操作進(jìn)行分析，建立MESH模型方程，使學(xué)生明白面向方程法就是通過對(duì)過程系統(tǒng)分析建立模型方程，而序貫?zāi)K法是針對(duì)過程單元建立帶有算法的小程序，使學(xué)生對(duì)兩種方法產(chǎn)生一個(gè)感性的認(rèn)知，再通過多級(jí)閃蒸過程和設(shè)計(jì)優(yōu)化問題分析，使學(xué)生直觀地感受到序貫?zāi)K法和面向方程法的區(qū)別，隨后引導(dǎo)學(xué)生自己分析序貫?zāi)K法和面向方程法的基本原理和特點(diǎn)，并讓學(xué)生從例子中自己總結(jié)兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在換熱網(wǎng)絡(luò)合成的教學(xué)中，我們從老廠改造的實(shí)際工程案例出發(fā)，首先講解如何從實(shí)際案例中提取數(shù)據(jù)和物流信息，再利用夾點(diǎn)法設(shè)計(jì)能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)，隨后利用勾銷推斷法確定夾點(diǎn)熱負(fù)荷，結(jié)合能量松弛法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再到技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，讓學(xué)生從實(shí)際工程案例中學(xué)習(xí)問題表法、夾點(diǎn)法及換熱網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)等基礎(chǔ)知識(shí)，這樣可以理解得更加深刻。

此外，我們還通過時(shí)刻關(guān)注行業(yè)動(dòng)態(tài)，并將科技前沿成果引入課堂，提升同學(xué)們的學(xué)習(xí)激情。在講完序貫?zāi)K法的基本原理和特點(diǎn)之后，又以克拉美麗氣田天然氣乙烷回收工藝為例［20］，講解了基于序貫?zāi)K法建立的天然氣乙烷回收系統(tǒng)模型及其求解，讓學(xué)生了解所學(xué)的穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。課本上關(guān)于夾點(diǎn)溫度的高低對(duì)換熱系統(tǒng)的影響沒有做過多的介紹，只是簡(jiǎn)單介紹了夾點(diǎn)的能量特性、位置特性和傳熱特性，我們進(jìn)一步通過實(shí)際工程案例中量化的參數(shù)值讓學(xué)生看到夾點(diǎn)溫度的高低對(duì)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的影響：換熱器夾點(diǎn)溫度是影響液化天然氣冷能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率和投資的重要參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的最新科研成果顯示［21］，針對(duì)大連（平均海水溫度13℃）、上海（平均海水溫度17℃）、溫州（平均海水溫度20℃）和三亞（平均海水溫度27℃）四種工況下，冷凝器和蒸發(fā)器的夾點(diǎn)溫度選擇，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫度降低1℃可以使系統(tǒng)凈發(fā)電功率增加736～86.6kW（1.6%～2.5%），由此讓同學(xué)們深入理解夾點(diǎn)溫度對(duì)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的作用，進(jìn)而明白在實(shí)際的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該利用充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來確定夾點(diǎn)的溫度。

由于化工技術(shù)的進(jìn)步［22］，課本有些知識(shí)點(diǎn)需要更新，因此我們?cè)谥v授課本知識(shí)的同時(shí)，也會(huì)根據(jù)行業(yè)動(dòng)態(tài)豐富課堂內(nèi)容。例如，在分離序列綜合章節(jié)，我們會(huì)首先按照課本內(nèi)容講解根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則如何選擇分離方法，但同時(shí)也會(huì)拓展講解近幾十年來新型的分離技術(shù)，指出這些高效的低能耗的新技術(shù)在實(shí)際工作中也可以根據(jù)工作需要進(jìn)行選擇。在進(jìn)行化工過程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)，通過煤開采過程中甲烷的回收新技術(shù)來進(jìn)行講解，學(xué)生都對(duì)煤礦爆炸有所耳聞，這主要是由于煤開采的過程有大量的煤成氣（甲烷），甲烷的濃度稍微高一點(diǎn)就會(huì)爆炸。在傳統(tǒng)的開采煤過程中都是通過清潔的空氣鼓進(jìn)去，然后把甲烷氣帶出來，及時(shí)降低濃度，從而保證采煤過程的安全。但是這種做法一方面會(huì)造成溫室效應(yīng)，另一方面也帶來了資源的浪費(fèi)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們可以利用人為非定常態(tài)操作對(duì)低濃度甲烷進(jìn)行充分回收利用，通過過程的具體講解使學(xué)生對(duì)人為非定常態(tài)操作有更深的認(rèn)識(shí)。

4?結(jié)論與展望

課程本著“以學(xué)生為中心”的思想，通過案例式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生與教師共同從研究工程實(shí)際問題的角度進(jìn)行探討、互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法研究化工過程系統(tǒng)模擬、分析、優(yōu)化和合成的基本能力，進(jìn)而達(dá)到本課程的教學(xué)目的。

然而教學(xué)改革不是一朝一夕就能完成的事情，隨著化工過程分析與合成理論與應(yīng)用研究也在一直進(jìn)步，需要持續(xù)不斷地對(duì)教學(xué)內(nèi)容和工程案例進(jìn)行更新，與時(shí)俱進(jìn)。

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資助項(xiàng)目：廣西大學(xué)2023年優(yōu)質(zhì)課程倍增計(jì)劃項(xiàng)目；2024年廣西大學(xué)校級(jí)本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目；廣西大學(xué)2023年優(yōu)質(zhì)課程倍增計(jì)劃項(xiàng)目的資助（YZKC2023047）

作者簡(jiǎn)介：王艷麗（1989—?），女，山東聊城人，廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，從事化工過程的分析與合成的教學(xué)工作。