專業認證背景下《化工過程模擬實踐》課程改革探討

潘高峰，付 強，王 犇，劉艷杰，魏奇業

(吉林化工學院 石油化工學院,吉林 吉林 132022)

國家推動專業認證目的是使中國高等工程教育快速與國際接軌，實現超越發展，從而全面提升工程教育質量，為實現中國工程教育強國夢夯實基礎。專業認證基于《華盛頓協議》框架，以成果導向教育為理念引領，遵循國際實質等效原則，覆蓋專業人才培養全過程[1-3]。我校化學工程與工藝專業自2009年以來連續兩次通過教育部認證協會組織的工程教育專業認證，并且始終關注認證動態和發展變化，在專業建設中一直在不斷地進行改革和嘗試，持續完善專業人才培養體系和培養模式等。課程建設與改革一直是認證過程中的聚焦點，也是專業進行持續改進的重點和著眼點。《化工過程模擬實踐》是化學工程與工藝專業的一門重要實踐類課程，主要支撐培養學生在解決專業復雜工程問題中學會運用先進技術工具，適應專業發展，提高工作效率的專業畢業要求，在課程教學設計中以Aspen Plus化工過程模擬軟件為現代典型工具，針對具體化工過程工藝(設計)要求，運用化工單元操作的基本理論知識，選擇單元設備進行工藝組合，建立工藝流程并實施運行模擬，獲得可行的工藝方案和設計過程數據。Aspen Plus軟件是一種集成多學科知識的一種過程模擬工具，軟件不僅內嵌化工“三傳一反”和過程系統工程專業基本知識架構，還賦予了智能引導調配模塊，利用功能豐富、操作便利的工作界面為用戶提供全新的學習和應用模式，賦予了本課程的廣泛的專業知識內容和解決工程問題的實踐功能[4-5]。

課程是畢業要求和培養目標實現的基礎，如何發揮課程在專業人才培養過程中的作用，課程教學改革是最直接的手段[6-7]。因此，對課程進行全面分析，發現課程建設中存在的問題，以先進教育理念為引領，在教學中不斷探索、嘗試和總結，推動課程改革，促進課程建設持續改進非常必要。

一、課程現狀及存在問題

《化工過程模擬實訓》是一門必修實踐課程，在第四學期后半學期開設，目前該課程按照教學大綱要求在兩個教學周內完成，主要包括四項實踐內容，即簡單物理單元過程模擬、反應過程模擬、精餾分離單元模擬和工藝流程模擬與優化。由于課程課時有限，注重知識體系學習時間占比較大，有針對性的能力訓練占用的時間不充分，真正解決實際問題能力訓練略顯不足[8-9]，隨著高等教育改革的推進，課程在專業課程體系中的支撐作用沒有有效體現出來，比如在后續的化學反應器設計、化工生產實習、畢業設計等實踐環節實施過程中，過程模擬的思維和處理問題的能力滯后，不足之處可以總結出以下幾個方面。

(一) 課程內容設計方面

按照教學大綱的要求，課程注重對模擬軟件(Aspen Plus為例)的認知引導、軟件操作方法的學習，側重基本單元練習，通過混合、流體輸送、換熱、精餾幾個基本單元的模擬訓練，實現以點帶面，達到對模擬軟件的內涵理解的強化和針對具體問題進行由已知到未知的模擬計算與優化，提升利用現代先進工具解決專業問題的能力。課程實施過程中，教學和實踐內容過多強調知識的記憶和理解，訓練和練習內容多采用指導書中的例題和案例，多集中于操作順序內容；系列化的模擬實踐訓練，輸入條件和未知求解缺少變化，面對工況改變對應的工藝條件變化有限；注重單元過程模擬的系列化，忽視了單元和系統模擬的密切聯系，尤其是針對各種工況的改變的適應性關聯，種種原因，使課程在內容安排上弱化了能力的培養。問題的直接體現就是在后續理論和實踐環節中，學生很難將模擬軟件應用于具體的實踐中，比如在生產實習中，針對工廠生產裝置實際進行模擬驗證，在畢業設計環節的實踐中，針對具體設計要求，在規定的時間內正確完成對工藝過程的設計和模擬內容；在參加全國大學生化工設計競賽中，針對具體的工程設計要求，還必須花大量時間重新進行強化學習，才能應對工程設計任務等。

(二) 教學方式方法方面

鑒于該課程屬于實踐課程，目前采用的教學方法是老師集中講授與指導示范，然后學生針對老師提前布置的實踐任務，按照參考書中模擬案例自己進行模擬操作練習，過程中教師隨機指導，完成自己的實踐任務。從整個教學環節來看，運用的教學方法相對單一，尤其面對兩個班級近80人的學習環境，隨機指導的教學指導方法略顯不足，無法在規定時間內顧及全體學生，尤其是對個體學生的學習狀態和學習效果的不足無法及時發現，個別學生提出問題和質疑的機會有限，相應的學習主動性在一定程度上被逐漸弱化，引導學生正確和快速思維的教學目的打了折扣，導致學生學習效果不能有效地體現出來，學生的積極主動性也不能有效發揮出來。

(三) 課程考核評價方面

按照現教學大綱的要求，該課程的成績評定采用教師直接評分方式，評價內容包括三個部分：平時成績，具體考核內容為遵守課堂紀律和課堂學習態度，占比20%；實訓報告，主要考核學生完成實訓報告的質量，占比60%；最后答辯，考查學生對課程的深入理解和表述能力，占比20%。從考核內容上看，似乎評價覆蓋了教學全過程，但課程教師實施過程中，過于側重模擬實踐報告，平時考核也過于范范，和答辯一樣都缺少得力的抓手。在學生提交的實踐作品中反映出了許多問題，諸如作品的雷同率高，過多的模擬內容截圖粘貼，缺少對模擬過程的深入理解和解釋等等；平時的考核只考查了學習的現象，代替了考查學生真正的學習態度和對應的學習效果；另外答辯環節更多表現出對模擬過程的敘述，對軟件的深刻認知和理解相對不足。

二、課程要求及目標

為了實現“面向生產、管理一線現代工程師”的專業培養目標，專業確定了具體的畢業要求，其中“使用現代工具”的要求規定學生畢業時能夠針對化工相關領域復雜工程問題開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對化工復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。結合課程對“能使用合適的現代工程工具對化工領域相關復雜工程問題解決方案進行檢驗、預測和模擬，并理解其局限性”畢業要求觀察點的支撐要求，專業提出采用Aspen Plus過程模擬軟件完成基本化工過程的模擬和設計任務，引導學生將專業系統知識與先進專業工具的運用聯系起來，解決復雜化工過程開發過程中涉及的各種問題，并為學生樹立正確的大化工專業安全觀，履行化工專業責任和使命擔當奠定基礎，最后整合成該課程，并通過了專業教學指導委員會的論證和認可。

根據課程的能力、素質要求，課程組通過研討最終確定該課程目標，即通過本課程學習，使學生具備如下的能力及素質：能樹立化工專業觀；能認知理解Aspen Plus過程模擬軟件，包括軟件內嵌工程知識架構、軟件功能與局限和操作方法等；能運用Aspen Plus軟件對主要化工單元及簡單工藝過程進行模擬與目標優化。任課教師將其作為課程內容組織安排和教學實施的成果達成目標。

三、課程教學改革方向

課程組一方面以立德樹人為根本遵循，將思政理念融入課程，同思政課程協同作用，為學生的知識和技能的作用發揮起到引領作用；另一方面以OBE理念為指導，結合工程教育專業認證要求，以課程目標達成為目的，從課程內容結構優化出發，改革教學方式方法，加強教學過程考核與管理，使學生的學習成果對畢業要求和培養目標起到支撐作用，具體從以下幾個方面進行了改革嘗試。

(一) 完善課程內容

課程內容構建以立德樹人為根本原則，注重知識、能力和素質的統一，以實現課程目標為導向，采用反向設計方法，完善課程內容，即從簡單到復雜，從單元到系統逐漸深入，引導學生了解過程模擬軟件(Aspen Plus為例)的基本使用方法，然后從簡單的單元過程模擬入手，理解軟件內的化工相關基本原理的關聯、待解決問題和條件輸入的相互關系，進而掌握單元過程(物理過程和化學反應)的模擬基本方法，重點以精餾過程為對象，系統地完成流程模擬實踐，包括模型的選擇、流程的建立、過程定量化計算，工藝過程的優化，內容自成體系，支撐課程目標的實現。

1.引入大化工專業觀

化工專業以服務于化學工業為主，拓展到化工相關過程工業，為其培養德智體美勞全面發展的合格專業人才，因此在人才培養過程中，必須重塑熱愛化工、學習化工和奉獻化工的專業精神，從而建立起吉林化工學院化學工程與工藝專業的專業大局觀、安全觀、責任觀。專業大局觀要求將化工行業發展和國家發展結合起來，建立正確的大局意識；專業安全觀要求將化工行業中危險的特殊性和安全預防規范關聯起來，建立正確的安全意識；專業責任觀要求將職業規劃和工程師職業道德聯系起來，建立為化工奉獻的使命意識。在課程內容調整上，將大化工專業觀與課程教學內容結合起來，從專業層面逐漸細化為課程層面，在模擬概述中結合模擬軟件內部知識功能架構、單元模塊計算、系統過程模擬與優化等內容提出設計過程對工藝實施的重要性，各設計參數的協調作用，以及學生作為設計者必須具有正確的工作態度；完成模擬設計任務后，內容中要求學生針對自我的實踐過程，從大化工專業觀方面闡述學習心得，加深認知。

2.注重課程間銜接緊密

在最近一輪專業人才培養方案修訂中將《化工過程模擬實踐》調整到第六學期，并建議安排在第10周以后，此時學生已經掌握了《化工原理》中的單元操作基本理論知識和《化工熱力學》中的物性計算模型及方法，在《化工單元設計》和《化工認識實習》實踐環節中對化工生產過程有了基本認知，對單元設備的設計內容及程序有了深刻的理解，為該課程的進一步學習奠定了的理論和實踐基礎；與《化學反應工程》《化工分離工程》等專業理論課程和《化工單元設計》《化工認識實習》等實踐環節同步進行，實現基本理論知識實時學習和充實，知識強化和實踐能力的協同提升。另外《化工熱力學》第五學期已經開課，在該課程中已經講述了狀態方程和活度系數模型計算方法及相平衡理論知識，并介紹了Aspen Plus過程模擬軟件的基本功能和使用方法，將理論基礎與軟件應用聯系起來，并已經培養了大部分學生學習和運用軟件的興趣。

3.體現課程內容層次清晰

本課程要求通過完成一個系統工藝模擬任務來實現課程目標，組成系統的單元可以在物料輸送、混合、加熱或冷卻、反應、分離等單元過程中根據需要進行選取和組合，因此課程內容按照先單元過程模擬練習、再單元過程組合模擬練習、最后針對課題建立系統工藝并進行模擬與優化的層次進行設置，模擬練習中將單元過程落實到具體的單元設備，如流體輸送泵、換熱器、精餾塔等，按照從簡單到復雜的層次進行安排，體現出知識的學習、技術的運用和能力的培養的邏輯關系，也勾勒出解決工程問題的思路。課題來源以典型工程案例為主，課題數量決定于物系的不同和已知參數不同，在任務中指定的單元過程，明確運用單元過程組成工藝系統，關于單元設備的組合和操作工藝參數的優化由學生自主確定，能讓學生體會出工藝設計中已知設計參數和工藝操作參數區別和聯系，進而引導學生去獲取設計物性數據，構建出化工過程的思維導圖。

(二) 優化教學方法

教學方法是完成教學任務和實現教學目標的重要手段。在教學過程中，堅持“以學生為中心”的教學理念[10]，發揮大化工專業觀的引領作用，實行課程組教學負責制，強化教學全程化管理，積極探索先進教學方式方法，多措并舉，注重學習實效，對傳統教學方法進行不斷優化，以提高課程教學效果。

課堂集中教學嘗試課程組集體教學方式，即主講教師集中講授和輔導教師實時指導相結合，課后采用線上配合線下跟蹤輔導方法。課程組針對每個授課班級配備三名教師，其中一名教師主講，另外兩名教師負責隨機輔導，授課方式采用教師講授和案例引導方式進行，在教學中主要采用在軟件界面教師講解和學生認知理解、教師演示和學生操作訓練、學生自主練習和教師隨機指導等相結合的方式。以完成具體實踐任務為導向，講做結合、自主練習和全程輔導結合，注重從簡單到復雜的學習規律，學生領會循序漸進展開模擬訓練，鼓勵學會學生相互交流和分享學習經驗，輔導教師隨時察覺學生學習中存的問題，及時進行糾正和指導，針對個別學生存在學習困難進行單獨指導。

(三) 強化課程考核

鑒于本課程屬于實踐類課程，考核方向主要集中在對實踐過程和實踐報告質量的考核上。依據課程目標要求，具體的考核內容落實到學生對課程支撐大化工專業的認知態度、課內模擬訓練的認真態度、撰寫實踐報告的嚴謹態度，對模擬過程內容、程序、模擬準確定的掌握水平，完成模擬實踐報告的質量等幾個方面，覆蓋了課程教學的全過程。結合教學大綱規范要求，確定了通過平時(50%)和模擬實踐(50%)兩大考核模塊，其中平時考核包括學習態度(10%)、課內測驗(15%)和課內總結(25%)三個項目，學習態度主要考核學生對大化工專業觀的理解和認識，測驗和總結是為了更加側重過程考核；模擬實踐主要檢測模擬過程結果的質量和學生對模擬軟件的應用能力，細化為工藝流程建立(15%)、工藝計算(20%)、過程優化(15%)和結合過程考核針對模擬任務的口頭答辯(20%)，并確定了嚴格細致的考核標準，從而實現具有真正意義上的全過程考核。根據學生的最終各項目成績，課程組完成課程的課程質量報告，實現考核和評價的統一，促進課程持續改進。

四、結 語

在專業認證背景下，課程改革是高水平專業建設的有力抓手。經過吉林化工學院化學工程與工藝專業《化工過程模擬實踐》課程改革探索，課程改革應以目標為導向，著重加強課程內容的整合與優化、改進教學方法、完善課程過程考核等方面進行頂層設計，在教學過程中有效調動學生學習主動性，全面提高專業課程教學質量，有效支撐畢業要求的達成和培養目標的實現，為工程教育系列改革提供示范。