化工過程模擬與優(yōu)化在線教學(xué)的探討

武寶萍，許前會，朱 婧，安 紅

(江蘇海洋大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

《化工過程模擬與優(yōu)化》是以化工工藝過程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，通過進(jìn)行化工過程或單元設(shè)備的物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型和能量分析，對工藝流程進(jìn)行方案的選擇和優(yōu)化，使工藝流程過程的投資和費(fèi)用最低，為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益作分析指導(dǎo)。化工過程模擬與優(yōu)化需要物理化學(xué)、化工原理、反應(yīng)工程、分離工程、化工熱力學(xué)、計(jì)算在化工中的應(yīng)用等多門課程內(nèi)容，而且通過它把各門課程之間有機(jī)地聯(lián)系一起，突出理論和實(shí)踐相結(jié)合。目前應(yīng)用最為廣泛的化工流程模擬軟件有Aspen Plus,Aspen Hysys,Pro/II,ChemCAD等。

2019年《化工過程模擬與優(yōu)化》被建設(shè)成校級在線課程，通過2019學(xué)年在線課程建設(shè)以及針對2016級化工專業(yè)學(xué)生實(shí)施線上和線下混合式教學(xué)，取得一定的教學(xué)效果。2020年1月份新冠疫情爆發(fā)，疫情導(dǎo)致不能正常開學(xué)，為了應(yīng)對特殊情況我們采取線上教學(xué)模式，通過完全的線上教學(xué)，我們?nèi)〉靡欢ń虒W(xué)經(jīng)驗(yàn)，同時教學(xué)過程中也存在一些問題。下面我們從化工過程模擬與優(yōu)化教學(xué)面臨問題、教學(xué)改革措施、改革成果等方面進(jìn)行了分析探討。

1 化工模擬與優(yōu)化面臨的問題

1.1 專業(yè)性太強(qiáng)，難度大

學(xué)生在學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、化工原理、反應(yīng)工程、分離工程、化工熱力學(xué)等多門課程以后，基本學(xué)會了化學(xué)反應(yīng)過程、化工過程以及系統(tǒng)工程的方法論來處理化工過程模擬與優(yōu)化問題。化工過程模擬與優(yōu)化主要培養(yǎng)化工專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決復(fù)雜工程問題的能力。化工過程模擬與優(yōu)化主要內(nèi)容是采用三種方法解決三大類問題。那么化工過程模擬與優(yōu)化的三種基本方法是：序貫?zāi)K法、面向方程法、聯(lián)立模塊法。三大類問題是：過程系統(tǒng)的模擬分析、過程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[1]。本門課程專業(yè)性很強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程枯燥無味，如何提高學(xué)生對本課程的興趣是我們教學(xué)改革的難題。

1.2 課程學(xué)時較少

學(xué)校每四年制定一次培養(yǎng)方案，總學(xué)分逐漸減少，基礎(chǔ)課學(xué)分不變，只能減少專業(yè)課學(xué)分。化工模擬與優(yōu)化總課時48學(xué)時，包括24學(xué)時理論教學(xué)，24學(xué)時實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每周3學(xué)時。根據(jù)培養(yǎng)計(jì)劃教師要想詳細(xì)的講授完化工過程模擬與優(yōu)化課程內(nèi)容是有難度的。除了理論課學(xué)習(xí)外，我們還要學(xué)習(xí)實(shí)踐課內(nèi)容，實(shí)踐課內(nèi)容主要是采用Aspen plus軟件進(jìn)行理論知識的驗(yàn)證，主要包括物性分析、單元模塊模擬、工程模擬工具、工藝流程模擬等。動態(tài)模擬和熱量分析，安全分析只能自學(xué)。

2 化工模擬與優(yōu)化教學(xué)改革措施

2.1 建立超星平臺在線開放課程

通過和課題組老師研討，構(gòu)建化工過程模擬與優(yōu)化超星平臺在線開放課程。對化工模擬與優(yōu)化知識點(diǎn)進(jìn)行了精選，選出45個知識點(diǎn)，制作成超星在線課程，課程視頻總時長約360 min，每個知識點(diǎn)5～15 min，已經(jīng)在超星平臺上線運(yùn)行。根據(jù)課程教學(xué)大綱要求把相應(yīng)的授課內(nèi)容和相關(guān)的教學(xué)資料都發(fā)布到超星網(wǎng)站上，學(xué)生根據(jù)教師的安排學(xué)習(xí)或者自主學(xué)習(xí)，最后可以通過線下和線上作業(yè)或者測驗(yàn)等了解學(xué)生對知識的掌握程度。采用線下課堂教學(xué)和線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中引入在線教學(xué)解決授課形式單一、課時數(shù)少和教學(xué)互動少的問題。可以引導(dǎo)學(xué)生主動接受學(xué)習(xí)、提高自主學(xué)習(xí)的能力，使學(xué)習(xí)的知識得到鞏固和提高，從而提高學(xué)習(xí)效果。

2.2 理論和實(shí)踐相結(jié)合教學(xué)模式

在講授理論知識的同時和上機(jī)實(shí)踐相結(jié)合。例如講到精餾塔參數(shù)優(yōu)化和塔底再沸器時，讓學(xué)生們打開Aspen plus塔模塊(如圖1)和塔底再沸器類型(圖2)[2]，認(rèn)識塔模塊以及怎么設(shè)定參數(shù)和優(yōu)化工藝參數(shù)。讓學(xué)生感覺到把學(xué)到的理論知識立馬能實(shí)踐了，把抽象的知識實(shí)踐化了，讓學(xué)生真正體會到應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)和生活的不同方面，提高學(xué)習(xí)的興趣和主動性。使學(xué)生有主動學(xué)習(xí)的沖動，起到了將理論到實(shí)際應(yīng)用的引導(dǎo)作用。

圖1 塔設(shè)備單元模塊

圖2 塔底再沸器類型

2.3 實(shí)踐教學(xué)，分組討論

實(shí)踐教學(xué)24學(xué)時，分12學(xué)時課內(nèi)實(shí)踐，12課時課外實(shí)踐。課外實(shí)踐教學(xué)時，5個學(xué)生為一組，每組學(xué)生設(shè)計(jì)某化工產(chǎn)品的工藝流程過程，包括產(chǎn)品工藝流程方案的確定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型、經(jīng)濟(jì)核算等，完成形式是撰寫一份設(shè)計(jì)說明書。五人相互討論、分工協(xié)作，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與感，營造了良好的學(xué)習(xí)氛圍。通過分組設(shè)計(jì)鍛煉，為以后學(xué)生參加設(shè)計(jì)大賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

3 化工過程模擬與優(yōu)化在線課程教學(xué)改革的成果

化工過程模擬與優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)是是線上線下混合式教學(xué)，通過線上課程運(yùn)行，學(xué)生可以做到課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)，不懂地方可以觀看在線課程視頻、在線資料。通過觀看視頻資料、課堂上老師的講解、隨堂測驗(yàn)的練習(xí)、課堂上及討論區(qū)老師、同學(xué)的答疑、單元測驗(yàn)、課后作業(yè)、期末考試等環(huán)節(jié)對學(xué)生學(xué)習(xí)有較大的督促和幫助，使學(xué)習(xí)、互動更靈活、便捷，幫助學(xué)生一步一步加深知識的理解，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教育模式下很難達(dá)到的教學(xué)效果；有力推進(jìn)了化工過程模擬與優(yōu)化教學(xué)從“灌輸式”向“自學(xué)式”的變革，從而構(gòu)建起以學(xué)生為中心的教學(xué)體系[3]。

考試成績分為線上成績?yōu)?0%和線下成績?yōu)?0%。線上成績(如圖3)分為課程視頻占15%、章節(jié)檢測占20%、討論占10%、課堂互動占10%、作業(yè)占15%、考試占30%。線下成績?yōu)槠綍r表現(xiàn)30%、提交設(shè)計(jì)作業(yè)70%。考試成績的細(xì)化，督促學(xué)生從各個方面入手學(xué)習(xí)，養(yǎng)成良好的自學(xué)習(xí)慣，有利培養(yǎng)自學(xué)能力，為以后工作打下良好的基礎(chǔ)。

圖3 線上成績管理