小設計在化工設計理論課中應用的教學改革探索

代偉

[摘 要]本文將小設計教學訓練環節引入化工設計理論課教學中，“點”與“面”優化組合，豐富了化工設計理論課的教學內容和形式，從“紙上談兵”到“實戰訓練”，多層次加強學生對理論課知識點的掌握，提升了教學質量。

[關鍵詞]小設計；化工設計；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）03-0043-03

“化”是化學反應或化工單元操作，“工”是工藝或工程，“設計”是優化組合，“化工設計”就是如何將一個化學反應或化工單元操作與工藝或工程優化組合。由于化工設計是一門理論性、綜合性、工程性相當專業的核心課[1]，因此它不僅要求學習者具備無機、分析、有機和物化等“四大化學”基礎知識，還需要掌握化工原理、反應工程、化工制圖和化工儀表等化工專業知識。“講述”+“聽課”是傳統的化工設計課堂教學模式，工藝流程設計、設備選型、車間布置、物料衡算、能量衡算和經濟分析等相對枯燥和抽象的內容很容易導致學生厭學、難學、不學。另外，現代化工程設計軟件的崛起也促進了化工設計課程教學改革進程，以往需要幾個月才能完成的工藝流程繪制和物料衡算內容，現在借助ASPEN和ChemCAD等專用軟件很快就能搞清楚。基于上述問題，若要真正地掌握化工生產工藝及設備的設計，使學生具備化工工程師的基本素養，學生需要自主參與化工生產裝置的設計工作，親歷設計過程，為此我們將原有48個學時的課程進行拆分，28個學時用于講授，其余20個學時用于小設計環節，針對精餾、吸收、萃取、干燥和化學反應等三傳一反單元過程，優選典型真實化工企業的生產工藝小設計為題目，同時增加相應的計算機仿真工具軟件的內容，讓學生解決化工過程設計和操作過程的模擬分析及優化等問題，進而真正實現從“紙上談兵”到“實戰訓練”。

一、小設計引入的必要性

化工設計這門課涉及的單元反應操作較多、內容繁雜、反應原理較難、公式多、計算煩瑣，學生學習起來相對比較枯燥、抽象、吃力，較容易導致學生產生厭學的情緒，單方面的理論講解難以使學生產生全面且深刻的理解，必須借助于實踐才能激發學生的學習興趣并真正掌握相關理論知識。比如對于比較繁雜的工藝和設備設計，在課堂教學過程中將傳統的平鋪直敘的講解改為從實驗工藝流程中改錯。例如我們小設計環節的一個“反應精餾提純”的題目，板式塔裝置中特別預置多處違反規定的設計，如進料塔板流量控制、加熱蒸汽含量自動控制、關鍵溫度和壓力控制點、循環冷卻水的流向、殘液排放等多處設計違規處，并將此流程展示討論，引導學生指出且改正錯誤，以培養學生解決實際工程問題的能力。小設計環節有助于培養學生發揮自我創新及思考能力，培養和訓練學生良好的設計思路。在糾正設計的訓練中，提升學生優秀的化工設計規范，運用提出問題、分析問題、討論問題的“教—學”模式，既可使設計教學變得生動有趣，又可以提高學生分析、解決實際工程問題的能力。高素養的化學化工專業高級人才必須具備和重視化工設計的課程學習和知識儲備，因此具體教學過程必須包括理論和實踐教學兩個核心模塊。例如我們將丙烯酸半實物虛擬仿真工廠設計引入小設計環節，結合生產實踐和軟件仿真模擬進行優化設計，這種運用啟發式教學模式和學生自主探究式的“教—學”模式，有助于增強學生開展自主學習和解決實際工程技術難題的目的。這是培養學生創新實踐能力、競爭能力和提高學生綜合素質的有效途徑。

目前，常規的化工設計課程的主要教學難題是教師傳統授課，機械單一化地逐一講解化工設計的理論和內容，鑒于學生缺乏相應的企業生產實踐經驗，不能對所學的理論知識有一個比較全面的理解與認知。化工工程設計的理性知識體系受到影響，缺乏系統積累。被動學習和負荷加重導致學生在學習過程中既痛苦又缺乏創新能力。大多數高校相關專業均采取下企業見習與實習的方式來解決上述系列的問題。通過工廠見習和實習，學生可以初步認知各種化工單元設備的結構組成、工藝流程、自動控制體系、閥門及管道的類型、大小和功能等。通過實習建立對工藝和設備的感性認知，可使學生有一個完整的、真實的化工工程設計的概念。但僅僅依靠下企業實習的教學實踐存在嚴重的問題：一是在化工廠，學生的實習教學只許看不許動，因此達不到實踐工程教學訓練的效果；二是工廠設備大型化、系統化、工程化、自動化水平較高，學生只能觀察裝置外貌，不可能徹底理解設備運行原理。對于如何確定原料路線、設備選型、工藝論證等設計內容，不僅需要學生有扎實的工程實踐基礎，而且還需要在長期工作中積累豐富的化工生產和設計經驗。單單教科書式培養的大學生，不僅無法成為高級應用技能型人才，而且也無法達到“到崗即用”企業要求。據統計，我國每年有超過3萬多項科技成果，但是真正產業化并取得一定經濟效益的只有不到5 %[2][3]。因此我們需要對化工設計課程進行教學改革，加快提升學生綜合實踐設計能力，與時俱進的適應企業需求，提升社會服務的能力 [4][5]。

二、小設計改革探索

筆者從事化工設計授課10年來，所教應用化學專業學生多次在浙江省和全國大學生化工設計競賽中獲獎。例如在題目為“針對某一含硫工業廢氣源設計一套深度脫硫并予以資源化利用的裝置”的2017年第十一屆全國大學生化工設計競賽全國總決賽中，我們的學生運用“虛-實”組合技術的作品“年產3500t牛磺酸項目”獲得了全國賽一等獎的好成績。我們的經驗就是與時俱進修訂教學大綱和教學計劃，優化教學環節，探索小設計實踐環節的全新教學模式，引導學生積極主動地參與課程學習和樹立創新意識，進而提升教學質量。具體措施包括：

（一）理論設計知識蓄積

化工設計教學大綱規定講授的主要內容有工藝論證設計、物料和能量衡算、設備選型設計、車間布置設計、經濟分析等部分。每一個部分所涵蓋的知識點繁多，需要凝練核心問題，強化設計理念才能達到提高學生認知體系的目的。例如我們在乙酸乙酯工廠小設計環節，首先給出多個反應方程式，提出如何將化學反應方程變成工藝流程的問題，讓學生查閱資料，自行進行工藝選擇論證，并繪制工藝流程方框流程圖，然后進行物料衡算和能量衡算，根據計算結果進行設備選型，避免出現“小馬拉大車”和“大馬拉小車”的問題。我們將可行性研究報告簡化成市場、技術、經濟三方面內容，這使學生容易掌握可行性報告寫作的要求和任務。

（二）實踐知識蓄積

以認知實習和生產實踐來實現實踐知識蓄積。企業生產車間教學目的是使基礎理論形象化、可視化、具體化，提高學生的感性認識。面對真實的生產工藝，學生在教師指導下可直觀、有針對性地掌握工藝特點、設備功能、車間設計原則等實際內容，更深刻掌握單元設備的特點、幾何方位、工藝對接、自動控制等。采用現場答疑方式立刻解決學生的疑惑，真實的實踐知識積累使學生建立起一個完整的、詳細、可靠、真實的工程設計知識體系。由于化工廠對安全及技術秘密的慎重考慮，不允許學生上生產線操作，因此，“只看不動”的實習模式也很難完成對化工設計知識點的全面掌握[6]。與此同時，各院校對于不斷增長的實習費用也難以承受，企業實習時間一再壓縮。可見，單一的企業實習實踐模式教學還不能滿足化工設計理論課的傳授。

（三）軟件知識蓄積

現代設計手段主要依賴軟件仿真。仿真技術（數字仿真和物理仿真）是一門現在和未來必備的應用技術，它以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，利用系統模型對實際的或設想的系統進行動態試驗。數字仿真能夠數值化地描述真實物體或體系規律的相似性。仿真教學依托計算機、網絡和多媒體，人為打造了虛擬環境，運用數學模型實時運行軟硬件，通過數字仿真的動態特性模型實驗為真實體系分析和設計提供有效且經濟的展示技術，具體到化工設計過程仿真，其實就是利用仿真機構建一個與真實體系相似的化工廠，模擬生產裝置及生產操作，展示生產過程實時動態，使學生處在一個非常逼真的體驗環境中，最終取得較好的教學效果。資料表明，仿真培訓尤其是半實物虛擬仿真培訓可以使初學者在數周之內取得現場2～5年的實踐經驗[4]。根據國家對虛擬仿真實驗室建設的進一步加強，仿真技術在化工設計教學方面將被廣泛應用。因此，軟件化工設計知識積累會使學生對化工生產的不同生產單元有一個更加全面、具體的認識，從而達到具有針對性和側重性地組織實習教學的效果。

（四）更新傳統教學

加強傳統與現代教學改革的優化組合，運用“啟發性小設計”和“探究小設計”教學方法，收集、分析企業實習的工程問題，經過不斷地分析與討論，使學生在理性方面加以認識。在教師的指導下，學生必須要能熟悉查閱文獻資料、國家最新工程技術標準，會正確選用經驗公式及處理數據，自行命題“工藝小設計”問題，分組討論及答辯，展示自己創新和演講能力。傳統授課與“小設計”教學的差異見表1。

學生獨立或者組成團隊完成工藝的設計，在很大程度上可以培養學生的合作和個人“實戰”能力。“小設計”課題的選定由教師和企業技術人員擬定，結合生產實際和化工設計教學大綱要求，主要來源有以下三方面：（1）來源于企業現有生產裝置技術難題；（2）來源于校企合作科研項目；（3）來源于小設計訓練題庫。完成小設計后，由教師和企業技術人員組成小設計匯報評審答辯小組進行設計成果的審定工作，給出設計成績，指出錯誤，督促作品整改。

三、推進創新教學模式

經過一段時間的“小設計”實踐教學改革嘗試，全新的小設計教學創新模式教學效果主要表現在以下幾方面：（1）學生學習的積極主動性大幅度提升，開闊了學生的視野，激發了學生學習熱情；（2）提升了大學生應用技能實用性，就業率和就業質量逐年改善；（3）促進了教師與工程師角色互換，促進了 “雙師型”教師隊伍建設；（4）建立了支撐課程的“產-學-研”實習實踐基地，提升了高校教師的教學和科研能力，同時使學生完成了從“學生”到“工程師”的轉變過渡，使學生鞏固了基礎理論知識、基本操作技能和知識，更加系統化、綜合化。因而，這樣能真正使化工設計理論課教學深入融合于學生的素質教育和職業教育中。

四、結論

運用化工設計的課堂教學與小設計實踐訓練優化組合，不僅能提高學生綜合運用所學的理論基礎知識來解決實際工程問題的能力，而且又能通過小設計真正領會和掌握設計工作的要求和方法。小設計的引入提高了學生學習枯燥理論課的興致，反過來又提高了教學效率和質量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張浩勤，章亞東，陳衛航.化工過程開發與設計[M].北京：化學工業出版社，2002：7.

[2] 吳重光.化工仿真實習指南[M].北京：化學工業出版社，1999：5.

[3] 趙剛.化工仿真實訓指導[M].北京：化學工業出版社，1999：7.

[4] 方利國.化工系統工程教學改革及探索[J].化工高等教育，1995（2）：56-58.

[5] 孫小琴.基于理論與實踐一體化導向的化工教學設計探析[J].化學教育，2015（10）：61-64.

[6] 李寧.石油化工設計課程的教學改革實踐與探索[J].高師理科學刊，2010（6）：106-107.

[責任編輯：鐘 嵐]