基于工程教育認(rèn)證的"化工過(guò)程分析與合成"教學(xué)探討

晉 梅,安 良,吳宇瓊,鄒琳玲

(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

為了適應(yīng)新世紀(jì)化工類專業(yè)人才培養(yǎng)的需求， “化工過(guò)程分析與合成”列入化學(xué)工程與工藝專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心課程之一，同時(shí)也列入我國(guó)《工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中的必修課程[1]。“化工過(guò)程分析與合成”是將系統(tǒng)工程的思想、方法和策略用于解決化工過(guò)程系統(tǒng)中復(fù)雜的化學(xué)工程問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，能運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法對(duì)化工過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析、過(guò)程系統(tǒng)模擬與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程系統(tǒng)在開發(fā)、設(shè)計(jì)、操作以及管理等各個(gè)層面達(dá)到單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)化[2]。

結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證，在教學(xué)過(guò)程中，引入“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”的OBE教學(xué)理念，對(duì)課程目標(biāo)、課程考核方式和評(píng)價(jià)體系進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容；引入思維導(dǎo)圖，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；采用研討式、啟發(fā)式和問(wèn)題導(dǎo)向的復(fù)合式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題能力；應(yīng)用Aspen Plus流程模擬軟件進(jìn)行課程實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和工程實(shí)踐能力。

1 OBE教學(xué)理念貫穿課程教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過(guò)程

表1 基于OBE理念的“化工過(guò)程分析與合成”課程內(nèi)容和要求

Spady等人在1981年提出成果導(dǎo)向教育，簡(jiǎn)稱OBE，已成為美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家教育改革的主流理念，被工程教育專業(yè)認(rèn)證采納。OBE教學(xué)理念是將傳統(tǒng)的“以教師為中心”、“以課本為中心”的教學(xué)理念轉(zhuǎn)變成四個(gè)較為具體的問(wèn)題：“我們想讓學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？”“為什么要讓學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)取得這樣的學(xué)習(xí)成果？”“如何有效的通過(guò)課程學(xué)習(xí)取得這些學(xué)習(xí)成果？”“如何知道學(xué)生在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后已經(jīng)取得了這些學(xué)習(xí)成果？”[3]。為了更好的貫徹OBE教學(xué)理念，將上述四個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為課程教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)后所能達(dá)到的畢業(yè)要求、學(xué)生的能力培養(yǎng)要求和課程的考核方式等具體的課程目標(biāo)，如表1所示。

通過(guò)“化工過(guò)程分析與合成”教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，學(xué)生可獲得三個(gè)課程目標(biāo)的學(xué)習(xí)成果，以滿足學(xué)生能達(dá)到的畢業(yè)要求，三個(gè)課程目標(biāo)分別與學(xué)生畢業(yè)后“問(wèn)題研究能力、設(shè)計(jì)/開發(fā)方案能力以及使用現(xiàn)代工具的能力”相關(guān)，另外，通過(guò)平時(shí)作業(yè)、結(jié)課考試、上機(jī)實(shí)踐以及提交課程報(bào)告等考核學(xué)生是否滿足課程的教學(xué)目標(biāo)，最后通過(guò)計(jì)算課程目標(biāo)達(dá)成度，對(duì)學(xué)生達(dá)成情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為持續(xù)改進(jìn)提供思路。

2 思維導(dǎo)圖的應(yīng)用培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和問(wèn)題分析的能力

思維導(dǎo)圖是英國(guó)托尼巴贊在1970年提出的一種發(fā)散性思考可視化工具，模擬人腦的工作方式，充分運(yùn)用左右腦的技能，讓左半腦和右半腦在思維過(guò)程中協(xié)同運(yùn)作，以樹形分支延伸出去，形成一種樹狀思維。

在教學(xué)過(guò)程中，為了強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和教會(huì)學(xué)生“如何學(xué)習(xí)”，在章節(jié)或知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)結(jié)束后，引入思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生系統(tǒng)性的掌握知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和形成自己的學(xué)習(xí)方法。如，在過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬方法講解完之后，引入如圖1所示的思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生將所學(xué)的內(nèi)容按照邏輯關(guān)系梳理所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)以及梳理各知識(shí)點(diǎn)之間存在的關(guān)聯(lián)。通過(guò)思維導(dǎo)圖，一方面，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的分析、總結(jié)能力，另一方面，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

圖1 過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬方法的思維導(dǎo)圖

3 復(fù)合式教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案的能力

在教學(xué)中，采用問(wèn)題導(dǎo)向、啟發(fā)式、研討式和案例式的復(fù)合式教學(xué)模式[4]，既把學(xué)生當(dāng)做教學(xué)的客體，又把學(xué)生當(dāng)成學(xué)習(xí)的主體，讓學(xué)生更主動(dòng)的獲取知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極思維的能力。

在“圖解法確定夾點(diǎn)”教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同ΔTmin下溫-焓圖中所得到的不同過(guò)程系統(tǒng)最大熱回收、最小公用工程加熱和最小公用工程冷卻量進(jìn)行討論，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生提出確定合理ΔTmin的思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，并幫助學(xué)生建立設(shè)計(jì)/開發(fā)方案的概念。

在換熱網(wǎng)絡(luò)綜合教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合前期所學(xué)的傳熱學(xué)和熱力學(xué)的理論知識(shí)，討論換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的優(yōu)化目標(biāo)，并對(duì)不同理論所得到的初步換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行討論。在夾點(diǎn)法換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)案例教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生將夾點(diǎn)處物流匹配的可行性原則和經(jīng)驗(yàn)性規(guī)則的理論知識(shí)用于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合過(guò)程，尤其在如何拆分流股滿足夾點(diǎn)處物流匹配的可行性原則上，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力以及設(shè)計(jì)/開發(fā)方案的能力。在分離序列綜合教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生將分離序列綜合的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，并采用案例教學(xué)方法，讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用有序直觀推斷法提出初步分離序列設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)/開發(fā)方案的能力。

4 Aspen Plus流程模擬軟件培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力

Aspen Plus軟件是美國(guó)麻省理工學(xué)院在20世紀(jì)70年代開發(fā)的化工模擬軟件，可用于單元過(guò)程和完整工藝流程模擬，是應(yīng)用最為廣泛的大型通用穩(wěn)態(tài)模擬軟件和功能最全面的過(guò)程工程軟件，在化工設(shè)計(jì)院、研究院、企業(yè)和高校教學(xué)中具有普遍應(yīng)用。

為了加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在課程實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中引入Aspen Plus軟件進(jìn)行某體系精餾塔的模擬與優(yōu)化、某產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程模擬與優(yōu)化、并將Aspen Plus和Aspen Energy Analyzer關(guān)聯(lián)使用[5-6]，在流程模擬的基礎(chǔ)上對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

將Aspen Plus流程模擬軟件應(yīng)用于化工過(guò)程分析與合成的教學(xué)中，不但培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，也讓學(xué)生了解了實(shí)際工程案例在軟件中模擬和優(yōu)化中的應(yīng)用，使課程緊密聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。另外，通過(guò)化工過(guò)程的模擬，也讓學(xué)生了解軟件在實(shí)際工程問(wèn)題中的使用局限性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)分析模擬軟件計(jì)算結(jié)果的可靠性和正確性。

5 小結(jié)

在中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證體系下，建立“以學(xué)生為中心”、“以成果為導(dǎo)向”的OBE教學(xué)理念，同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中引入思維導(dǎo)圖，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性和學(xué)會(huì)"如何學(xué)習(xí)"；采用復(fù)合式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生自主分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)/開發(fā)方案的能力；基于Aspen Plus流程模擬軟件進(jìn)行工程實(shí)踐問(wèn)題的模擬與優(yōu)化，將工程實(shí)踐和理論相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生合理選擇模擬軟件并能認(rèn)識(shí)到軟件在使用過(guò)程中局限性，提高學(xué)生的綜合專業(yè)素質(zhì)。