《化工系統(tǒng)工程》課程教學(xué)改革探索與實踐

鄧 春，王彧斐

(中國石油大學(xué) 化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249)

化工系統(tǒng)工程是將系統(tǒng)工程的理論和方法應(yīng)用于化工過程領(lǐng)域的一門新興的交叉學(xué)科，是化學(xué)工程的一個分支[1]。郭慕孫教授指出化學(xué)工程目前覆蓋了所有物質(zhì)的物理和化學(xué)加工工藝，可稱為過程工程[2]。因此，化工系統(tǒng)工程也稱為過程系統(tǒng)工程或化工過程系統(tǒng)工程。成思危教授和楊友麒教授給出如下定義，過程系統(tǒng)工程是一門綜合性的交叉學(xué)科(如圖1所示)，它以處理物料流-能量流-信息流的過程系統(tǒng)為研究對象(如圖2所示)，其核心功能是過程系統(tǒng)的組織、計劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計、控制和管理，其目的是達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，并符合安全環(huán)保等可持續(xù)發(fā)展的要求[3]。目前，過程系統(tǒng)工程的理論和技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工，冶金，制藥、食品、造紙等過程工業(yè)中，例如，流程模擬，換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計/改造，煉油生產(chǎn)計劃與調(diào)度優(yōu)化，過程控制和參數(shù)優(yōu)化等，對于提高資源和能源的利用效率方面起到積極有效的作用。

圖1 化工系統(tǒng)工程與其他學(xué)科的關(guān)系示意圖

圖2 化工系統(tǒng)工程的研究對象

《化工系統(tǒng)工程》是化工類及相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]。我校針對化工類的本科生開設(shè)《化工系統(tǒng)工程》課程，屬于專業(yè)選修課程，學(xué)時為48學(xué)時(2017年秋調(diào)整為40學(xué)時)，安排在本科學(xué)年第四學(xué)年的第一學(xué)期(大四上學(xué)期)，大四的學(xué)生已經(jīng)完成高等數(shù)學(xué)，線性代數(shù)，化工原理，化工熱力學(xué)，化學(xué)反應(yīng)工程，化工應(yīng)用軟件，化工設(shè)計概論、石油加工工藝、有機(jī)化工工藝等課程的學(xué)習(xí)，為化工系統(tǒng)工程的學(xué)習(xí)儲備了一定的基礎(chǔ)知識。《化工系統(tǒng)工程》是從事化工過程設(shè)計、改造和優(yōu)化工作必不可少的基礎(chǔ)課程之一?？偰繕?biāo)是采用新的知識結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行理論授課和實訓(xùn)教學(xué)，使學(xué)生能夠綜合運用化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工原理或化工單元操作、系統(tǒng)工程、最優(yōu)化方法、工程數(shù)學(xué)和計算機(jī)編程等方面的知識，進(jìn)行主要化工過程單元和系統(tǒng)的模擬與分析、化工過程系統(tǒng)的綜合與集成、化工過程操作參數(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以實現(xiàn)化工過程技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，并達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的要求，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，達(dá)到學(xué)以致用的目的。該課程的主要任務(wù)是使化工類的本科生學(xué)會利用化工系統(tǒng)工程的思想和方法來解決本專業(yè)中碰到的單純用化工專業(yè)知識難以解決的問題[4]。筆者借鑒其他教師的教學(xué)經(jīng)驗和自身的教學(xué)工作經(jīng)驗，從教學(xué)內(nèi)容、方法和考核方式等方面逐步探索和實施改革，取得了較為明顯的效果。

1 化工系統(tǒng)工程課程教學(xué)改革探索與實踐

針對以往教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合專業(yè)和學(xué)生的具體培養(yǎng)目標(biāo)，深入剖析以往教學(xué)過程中學(xué)生的反饋意見，筆者采取了如下改革措施，并在實踐中不斷完善和改進(jìn)。

1.1 精選核心教學(xué)內(nèi)容

化工系統(tǒng)工程的內(nèi)容相當(dāng)寬泛，涉及單元過程建模和模擬，系統(tǒng)分解，過程系統(tǒng)的建模與模擬，最優(yōu)化理論，過程系統(tǒng)綜合與集成等內(nèi)容。化工單元過程涉及大量數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)以及計算機(jī)程序框圖，化工過程優(yōu)化理論包含數(shù)學(xué)優(yōu)化，求解算法等基本理論，這些內(nèi)容對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識和計算機(jī)編程能力要求較高，容易讓學(xué)生望而生畏，缺乏學(xué)習(xí)的積極性，從而導(dǎo)致課堂教學(xué)氣氛沉悶，教學(xué)效果欠佳。借鑒其他高校教師的教學(xué)經(jīng)驗，筆者認(rèn)真梳理了教學(xué)內(nèi)容，分為三大部分，如表1所示，包括過程系統(tǒng)模擬部分(單元過程和系統(tǒng)的建模與模擬)，過程系統(tǒng)綜合與集成部分(換熱網(wǎng)絡(luò)綜合，能量集成等)和過程系統(tǒng)優(yōu)化部分(線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃，整數(shù)規(guī)劃等理論和經(jīng)典算法)。

表1 化工系統(tǒng)工程課程主要教學(xué)內(nèi)容

筆者在單元過程和系統(tǒng)建模與模擬的教學(xué)過程中，主要借助于過程模擬軟件Aspen Plus進(jìn)行教學(xué)演示，同時要求學(xué)生親自上機(jī)演示，并學(xué)會使用幫助文件，理解各模塊的結(jié)構(gòu)，原理，以及適用范圍等。國內(nèi)的教材中有關(guān)過程模擬的內(nèi)容，以大量篇幅介紹過程單元/系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)分解的理論，卻鮮有介紹與常用的過程模擬軟件(例如Aspen Plus，Hysys)之間的聯(lián)系。這兩部分的教學(xué)內(nèi)容具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，過程模擬軟件的開發(fā)正是基于過程單元/系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以及系統(tǒng)分解的理論。如果不注重兩者之間的聯(lián)系，又因為過程單元/系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)分解的理論枯燥，學(xué)生容易忽略其重要性，無法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我們選擇典型的過程單元/系統(tǒng)(例如混合過程)，分別建立數(shù)學(xué)模型和Aspen模擬模型，注重數(shù)學(xué)模型和Aspen Plus模擬模型之間的關(guān)聯(lián)性。我們講解最基礎(chǔ)的系統(tǒng)分解的理論(例如：單元串搜索法和回路矩陣法)，并針對典型的過程系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)一步結(jié)合Aspen Plus模擬軟件進(jìn)行教學(xué)演示(例如共沸精餾分離乙醇和水，苯乙烯合成工藝流程)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)分解的理論的重要性。筆者還安排8個學(xué)時的上機(jī)時間，讓學(xué)生利用Aspen完成安排的任務(wù)，主要包括：基于實驗數(shù)據(jù)，需用熱力學(xué)模型，回歸熱力學(xué)參數(shù)，泡露點計算，甲烷水蒸汽重整制氫，變壓精餾等案例。

過程系統(tǒng)優(yōu)化是最優(yōu)化方法和理論在化工過程系統(tǒng)中的應(yīng)用。最優(yōu)化方法和理論相關(guān)的知識非常豐富，大部分學(xué)生都未選修最優(yōu)化方面的課程，難以接受最優(yōu)化算法理論方面的知識。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筆者盡量減少最優(yōu)化算法方面知識的介紹，重點講解線性規(guī)劃以及圖解法，重點簡介了煉油廠生產(chǎn)計劃優(yōu)化的案例。筆者學(xué)習(xí)和借鑒了國內(nèi)外過程系統(tǒng)工程研究領(lǐng)域著名學(xué)者的課件，重新整理和過程系統(tǒng)優(yōu)化的課件，主要分成4個部分：基本概念，線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃，并簡要介紹了GAMS優(yōu)化建模軟件的使用方法，推薦了典型規(guī)劃問題的求解算法和求解器。筆者還安排2個學(xué)時的上機(jī)時間，讓學(xué)生用GAMS編制簡單的線性規(guī)劃模型，例如運輸模型等。

過程系統(tǒng)綜合與集成涉及的內(nèi)容非常廣泛。在教學(xué)改革之前，筆者重點講解了換熱網(wǎng)絡(luò)綜合，分離序列綜合，過程系統(tǒng)能量集成和質(zhì)量集成，講解了部分公用工程系統(tǒng)綜合方面的內(nèi)容。然而，這些內(nèi)容的知識點過于松散，學(xué)生可能只能理解部分內(nèi)容，缺乏對這些內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性的理解和思考。筆者與國內(nèi)系統(tǒng)工程領(lǐng)域?qū)＜荫T霄教授交流，重新優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，主要包括換熱網(wǎng)絡(luò)綜合、蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化綜合、分離系統(tǒng)優(yōu)化綜合。優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化了知識點之間的聯(lián)系，有助于學(xué)生對知識的理解和掌握。筆者還安排2個學(xué)時的上機(jī)時間，讓學(xué)生學(xué)會利用Aspen Energy Analyzer進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)分析與設(shè)計，包括流股數(shù)據(jù)輸入，繪制冷熱復(fù)合曲線和總復(fù)合曲線，進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，涉及流股分支和消除熱負(fù)荷回路等等。

1.2 采用理論教學(xué)與案例分析相結(jié)合的教學(xué)方法

筆者常采用理論教學(xué)與案例分析相結(jié)合的教學(xué)方法。例如，整數(shù)規(guī)劃部分內(nèi)容的講解，傳統(tǒng)的教學(xué)模式在于先講解整數(shù)規(guī)劃模型的特點，然后再講解求解的算法(如分支定界法等)。筆者首先給出一個簡單的煉油生產(chǎn)計劃問題，讓大家假想作為管理者，如何確定最優(yōu)的生產(chǎn)計劃方案。然后逐步引導(dǎo)大家建立數(shù)學(xué)模型，并與書本上整數(shù)規(guī)劃的規(guī)范形式進(jìn)行對比。先不急于講解求解整數(shù)規(guī)劃模型的求解方法，而是將這個簡單的模型寫入LINGO優(yōu)化軟件中，直接調(diào)用LINGO軟件內(nèi)置的分支定界算法進(jìn)行求解，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)分支定界算法求解整數(shù)規(guī)劃問題。筆者通過簡化的工業(yè)生產(chǎn)實際問題給學(xué)生講授優(yōu)化的思想，抽象的數(shù)學(xué)算法也不再深奧和神秘，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和動力，取得了很好的教學(xué)效果。

1.3 采用分組學(xué)習(xí)和研討的教學(xué)模式

充分利用小班教學(xué)的優(yōu)勢，筆者將全班學(xué)生分成小組，平均每組5～6人，同時兼顧保研和考研的學(xué)生比例。每組需要完成兩份過程系統(tǒng)模擬，兩份過程系統(tǒng)綜合與集成，一份過程系統(tǒng)優(yōu)化大作業(yè)。其中，過程系統(tǒng)模擬的內(nèi)容要求學(xué)生在講臺或者機(jī)房現(xiàn)場講解流程和模擬要點，其他小組的學(xué)生和筆者負(fù)責(zé)提問。值得一提的是，筆者還將這部分的課堂內(nèi)容進(jìn)行視頻錄像，作為后續(xù)觀摩和改進(jìn)的影像資料備份留存。另外，筆者還專門邀請本課題組在讀的碩士研究生，曾經(jīng)全國化工設(shè)計大賽一等獎獲得者，結(jié)合自己所做的課題，講解如何使用Aspen Energy Analyzer進(jìn)行苯乙烯裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造。此外，本課題組邀請過程系統(tǒng)工程研究領(lǐng)域的國際專家Jiri Klemes教授，陳誠亮教授，尤峰崎教授，SantanuBandyopadhyay教授，Denny Kok Sum Ng教授，Dominic Chwan Yee Foo教授, José María Ponce-Ortega教授，張楠博士，李瑞元博士等來我校交流并做講座。筆者也邀請本科生聆聽講座，部分學(xué)生也能夠積極參與，學(xué)生表示這些講座開闊了他們的視野，同時也進(jìn)一步激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。

1.4 改革傳統(tǒng)的考核方式

傳統(tǒng)的考核方式往往通過期末試卷考試來評定學(xué)生對課程掌握情況。然而，《化工系統(tǒng)工程》是一門實踐性較強(qiáng)的課程，難以通過試卷對學(xué)生進(jìn)行充分的考量。筆者把學(xué)生的試卷

分?jǐn)?shù)在總評成績中的比例降至60%～70%，另外30%～40%的成績由大作業(yè)、課堂討論來組成。在分組學(xué)習(xí)和討論的基礎(chǔ)上，筆者為了鍛煉學(xué)生撰寫科技論文的能力，要求每人完成1篇小論文，參考《化工學(xué)報》《石油學(xué)報(石油加工)》等代表性中文期刊論文進(jìn)行寫作，包括中英文摘要，關(guān)鍵詞，正文和參考文獻(xiàn)。筆者還針對不同類別的論文擬定了建議的論文撰寫框架和評分標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生補(bǔ)交要提交小論文的文檔，還要求提交源文件(例如Aspen模擬文件，GAMS或者M(jìn)atlab源程序和Aspen Energy Analyzer模擬文件等)。近3年的教學(xué)實踐結(jié)果顯示，約20%的學(xué)生完成質(zhì)量很高，其中1名學(xué)生的小論文已發(fā)表在中文核心期刊上；約70%的學(xué)生能夠按照要求完成任務(wù)，但是問題分析不夠透徹；約10%的學(xué)生完成質(zhì)量較差，論文撰寫能力欠缺，甚至部分學(xué)生抄襲論文，筆者記為零分。

2 結(jié)論和展望

筆者從四大方面對《化工系統(tǒng)工程》課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革探索和實踐，包括精選核心教學(xué)內(nèi)容，采用理論教學(xué)與案例分析相結(jié)合的教學(xué)方法，采用分組學(xué)習(xí)和研討的教學(xué)模式，改革傳統(tǒng)的考核方式等。學(xué)生評教和同行教學(xué)專家聽課評議結(jié)果較好，表明筆者的改革和實踐起到了較好的改革效果，提升了該課程的教學(xué)質(zhì)量。