從現代技術視角探討卓越化工人才教育培養目標

劉慧敏，李敏，劉改煥

（西南石油大學 化學化工學院，四川 成都）

隨著現代技術時代的到來，我們現有的認知、工作和生活正隨之改變。大學工科教育，作為整個高等教育系統的重要組成部分之一，也因現代技術的介入，推動著教學理念的升級，促進著教育課程的變革，引發了人才培養目標和理念的更新。而目前的“卓越工程師教育培養計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》和《國家中長期人才發展規劃綱要》的重大改革項目，也是促進我國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養造就具有較強新能力、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才。而培養目標是教育目的最直接的回答，那么卓越化工人才的培養目標應秉持傳承與創新相統一的思路，對學生進行工程應用創新意識和工程倫理理念的培養[1-2]。

“卓越工程師教育培養計劃”其中重要的實踐部分是“全國大學生化工設計競賽”（以下簡稱“化工設計競賽”），是以學生為主體，以工程項目為導向，以培養學生的工程創新能力為目標，旨在培養和考察學生對理論知識的綜合運用能力[3]。其是由中國化工學會、中國化工教育協會主辦，自2007年起，每年一屆，屬于國內大學生競賽類頂級賽事類，于2019年列入高校競賽評估排行榜，納入高校學科評估體系，是國內最具影響力的學科競賽之一。化工設計競賽是一條連接理論知識和實際工程的橋梁，采用設計作為載體把理論知識應用到了實際工程。在現代技術時代的背景條件下，以化工設計競賽為載體展望卓越化工應用人才的培養目標——應秉持傳承和創新相統一的思路，堅守基礎素養教育、能力為本、終身發展的基本取向，促使培養出來的卓越化工應用人才能掌握現代技術，在利用現代技術進行化工行業創新的同時，還要具有工程倫理理念和協作意識的強大工程專業能力，且具有可持續發展理念的高素質化工人才。

一 現代技術介入化工設計競賽的方式

化工設計競賽直接對口的課程是化工設計和軟件應用。其中的化工設計是一門應用性的課程，集化工專業很多基礎課程的知識為一體，例如化工原理、化工熱力學、分離工程、化工設備基礎、反應工程、化工環保與安全、技術經濟及項目管理、化工制圖等課程，將其整合并綜合地轉化成應用型知識，再利用應用型知識進行系統化、目標化的化工過程設計[4]。而另一門課程——軟件應用則是現代技術在化工領域的體現，利用搭載人工智能的現代設計軟件，對工藝流程進行仿真模擬，對各項參數進行優化，對生產過程進行動態模擬、安全分析、噪音分析等等實際工程需求的技術評價[5]。西南石油大學自2012年開始參加化工設計競賽，連續獲得全國一等獎，同時獲得全國二等獎、三等獎以及西南賽區獎項60余次。

化工設計競賽任務是要求學生綜合運用所學的化工知識，以創新為驅動，堅持綠色發展，緊貼國內急缺的化工產品為前提，為某大型化工總廠設計分廠，設計作品包含項目可行性報告、初步設計報告、設備設計、工藝流程設計、分廠總體平面設計、車間布置設計、優化設計、環境保護、安全生產操作評價、經濟評價分析等內容。競賽作品評分標準由現代設計方法、工程圖紙、設計文檔以及現場答辯四部分組成，總分100分，每部分的權重分別為20%、20%、20%和40%。其中，現代設計方法部分就是對參賽學生對設計大賽使用的工藝和設備的模擬計算軟件的能力進行考核，除此以外，工程圖紙也是利用了現代設計的智能繪圖軟件進行繪制，設計文檔中的工藝和設備也是利用了工藝流程和設備計算的結果。從化工設計競賽的方面看，現代技術的應用主要體現在以模擬仿真軟件來代替傳統人工手動計算和評估。

（一） 工藝流程模擬與優化

從過程模擬與優化層面來看，常用的軟件如表1所示。對于化工競賽，工藝流程是主干、是龍頭，那么工藝模擬就是工藝流程的奠基石，因此Aspen Plus軟件就成了設計競賽最關鍵現代設計方法之一。作為實際工程設計的核心技術，該軟件可以進行全工藝流程穩態模擬，讓設計人員在進行各種方案的討論和工藝參數的確定上獲得最大的自由度。Aspen Energy Analyzer則可以對整個換熱網絡進行優化和完善，最大程度地減少?損，實現能量的逐級利用，這是物料以及熱量平衡過程中的關鍵一環。對于最優化設計，不僅可以利用Aspen Plus內置的優化模塊——靈敏度分析工具，也可以利用現代的編程軟件，Matlab或者Python來對分離過程的參數進行最優化的設計。

表1 工藝流程模擬與優化設計軟件

以異丙醇—水—甲基異丁基酮的混合物分離為例。其中異丙醇和水要形成共沸物，而甲基異丁基酮的含量很低。對于這樣的三元混合物，存在三種的分離序列，可以先用矩陣法對子群進行劃分，選出可行性分離方案，利用Aspen Plus軟件大致模擬各個分離方案的能耗，在滿足產品質量要求的基礎上，進行靈敏度分析，以工藝流程的總體能耗最小目標進行優化，經過優化后確定先分離甲基異丁基酮然后再對異丙醇和水的混合物進行分離這樣的分離順序為最優方案。對于異丙醇和水共沸混合物的分離方法，有萃取精餾、共沸精餾和變壓精餾等工藝，如何在短時間內，選擇出最優的方案？如果此時仍采用最基本的手動建模計算的方法，需要很長的時間，而采用Aspen Plus模擬軟件則可以在相對較短的時間內得到物料衡算數據結果，從而確定最優的分離工藝，進行最優化設計。

（二） 設備設計與優化

化工競賽要求對反應器、塔、換熱器進行詳細的設計和校核，是工藝流程在關鍵設備層面上的詳細化部分，設備是實現工藝流程的最基本的元素。從設備設計與優化的常用的軟件見表2。精餾塔的結構參數和負荷性能可以通過Aspen Plus來進行校核和優化，比如降液管液位高度/板間距、降液管停留時間、板式塔的液泛因子、填料塔的能力因子以及負荷性能圖等。Aspen EDR則是全世界范圍內最為廣泛應用的換熱器設計和校核軟件，其不僅提供完善的熱力學參數，還有完善的計算模型，使得換熱器工程設計這部分變得更快捷、準確和可靠。

表2 設備設計與優化設計軟件

（三） 安全、環境風險評價

工藝本質安全設計是整個工程設計的安全保障，是實現主動安全防護的屏障，本質安全設計通過采取重大危險辨識、量化風險評估、本質安全審查、合理控制風險等措施，盡可能地主動消除和避免人為失誤、設備失效等導致的化工過程風險，實現本質安全最大化和工程風險最小化。實際工程中采用的安全、環境風險評估的軟件見表3。

表3 安全、環境風險評價軟件

（四） 工程制圖與三維建模

工程制圖也是設計競賽中一個重要的組成部分，利用智能繪圖軟件，繪制工藝流程圖（PFD）、工藝管道儀表流程圖（P&ID）、車間（裝置）平豎面布置圖、分廠總圖、三維建模等，主要使用軟件見表4。

表4 工程制圖與三維建模

（五） 作為意識形態的現代技術

工程需要設計來實現，化工設計很大程度上依托現代設計方法，現代設計方法僅是現代技術作用于化工領域的一個部分的展現，可以看出現代技術已經以一種意識形態的方式，全面融入化工領域的方方面面[6]。而現代設計方法在化工競賽中的應用，不僅實現了人機的零距離互動，還同時強化了學生分析思維、判斷思維以及自主學習能力的養成。就化工專業教育而言，其本質就是要培養出有豐富的知識、有較強的能力、有清晰思維、同時滿足工程倫理教育要求的卓越化工應用人才[7]。當現代設計方法越來越廣泛地應用到了化工的領域，我們就越要冷靜地思考，這樣的現代設計方法帶給我們什么，影響我們什么，可能會讓我們忽視什么等一些問題。如果一味地強調現代技術至上，那么就會導致學生對現代設計方法產生依賴性，成為現代技術的附庸，從而失去了教育本質的意義。所以作為意識形態的現代技術啟示我們，在教育中，在發揮現代技術的長處和優勢的同時，要加強基礎、傳統的知識教育和素質教育，這樣才能培養出全面發展的卓越化工應用人才[8]。

二 卓越化工人才培養目標

從現代技術的視角探討卓越化工應用型人才培養目標，會面臨如何處理適應性和前瞻性相統一的問題。所謂適應性，就是要求卓越化工人才培養目標要符合目前化工領域的需要，體現當前的人才要求，培養出來的化工人才才能順應現實化工生產的需要；所謂前瞻性，就是指化工人才的培養目標應基于未來化工領域的發展趨勢，對目前實際人才需求情況要有一定的超出性，要體現人才培養滿足化工領域未來的需要[9]。

（一） 適應性和前瞻性相統一

培養目標的適應性和前瞻性相統一非常的重要，其主要原因有：第一，人才培養自身就有一定的滯后性，因為一位卓越化工人才至少需要四年的高等教育，而在培養過程中，化工行業的變化可能是瞬息萬變的，有的可能是來自化工行業本身的變化，有的也可能是被其他行業推動著變化；第二，如果培養目標僅考慮當前的適應性，會導致培養的短視，可能不能培養出合格的前瞻性人才，即使能滿足當前的用人需求，也會降低所培養出來的人才對未來化工發展的適應能力和應對意識，對未來發展挑戰缺乏充分的準備，也難激發其內在的發展潛能以及賦予其未來發展的有力導向；第三，只有將適應性和前瞻性統一起來，才能培養出既適合行業要求又具有前瞻性和可發展性的人才。化工行業的生產工藝流程和生產工藝設備都是在不斷地改進和創新，不停地向著綠色化工的方向發展。化工設計競賽也緊跟化工行業發展的步伐，在競賽中強調綠色化工的理念，要求結合清潔生產工藝技術和設備的革新，開發新型綠色化工產品，把環境污染和能源、資源消耗降到最低，尋求一個經濟上、技術上、倫理上都可以被接受的最佳方案，那么卓越化工人才的培養也要緊隨其后，跟上化工行業的綠色發展目標[10]。

（二） 傳承和創新的關系

所謂傳承就是培養目標適應性的體現，準確把握與充分認識現狀，并以此為前提進行專業素質教育，維持專業基礎課和專業應用基礎課的教授，強調學術性的重要性。對化工工程專業的基礎課，比如化工原理、化工熱力學、分離工程、以及反應工程需要繼續進行基礎夯實，不斷堆積認知知識，并能在多學科環境中應用。知識目標仍然需要處于主導的地位，理論課程的門類、課時數始終要位列課程方案的首位，教師要實現學科知識體系的完整傳遞。所謂創新旨在建立起學生的大視野和大格局，不僅要考慮在化工專業上已經有的沉淀，更要充分體現和反映化工行業和外部行業的發展和變化，要以推動化工行業可持續性發展為根本，既要滿足現行國家對化工行業的需求，同時要提升站位，跳出傳統的認識，要從行業發展的高度，緊密地去追蹤現代技術等發展的新趨勢，準確地捕捉這些新趨勢、新發展，從而有效體現適應性和前瞻性的統一。

教育教學常以一棵樹和一片樹林的關系來比喻學生的學習和教師的教，強調教師要教給學生一棵樹，自己必須要有一片樹林。伴隨現代技術時代的到來，學生不僅能從教師那里學到一棵樹，借助于現代技術，學生自己還可以獲得一片樹林，甚至可以把樹林變成茂密的森林。因此，在現代技術逐漸介入下，教師更應該側重于發展學生的自學理念，培養學生更強的學習能力，推動學科知識和實踐相結合，培養出傳承和創新集于一體的卓越化工應用人才。以傳承和創新為培養目標的基本思路，在這個現代技術日益發達的時代，培養目標既要傳承當前培養目標中的優勢和特色，同時也要從現代技術，從行業發展趨勢出發，推動教育人才的創新能力和前瞻能力。教師作為知識分子群體的代表，自動地扮演著社會發展進步代言人的角色，走在社會發展的前列，因此，教師應該具備相應的現代技術的素養，才能成為社會發展的優勢知識占有者。

現在使用廣泛的現代設計工具和設計方法是一把雙刃劍，運用好可以充分實現理論知識和實際應用，運用不好就可能成為學生的負擔和累贅，可能導致學生對這些現代設計方法產生依賴性，從而逐漸失去對基礎知識學習的重視，變成了知其然而不知其所以然。作為化工行業未來的人才，一定要學會現代技術，學會利用現代的設計方法來模擬實際的工藝流程和解決化工實際操作的問題，而掌握現代設計方法是以相應的化學和化工的基礎知識和原理、使用倫理和使用方法為基礎和提前的，只有這樣，培養出來的工程師們在面對復雜的實際情況以及很多可選擇的現代技術時，才能做出合理選擇并進行恰當的應用[11-12]。

三 從化工設計競賽看傳承和創新

（一） 競賽中的理論知識和創新意識

在化工設計競賽中，Aspen Plus模擬軟件是其中最重要的現代設計方法之一，該軟件在化工領域中的使用也是非常廣泛，其兼具形象直觀、工程重現性強、操作簡單等特點，在經過工程實際經驗參數的修訂后，模擬出的數據準確度高，更貼近實際生產。為了更直觀地學習，西南石油大學化工專業開設了該門軟件模擬學習課程，很大程度上促進了學生對化工過程模擬的興趣，具體化、實物化了原本抽象的工藝流程的范疇，而化工設計競賽，則更進一步的給予了Aspen Plus的實際教學平臺，可以讓學生在設計過程中將所學的專業理論基礎知識和Aspen Plus的應用更系統性、邏輯性地結合起來，更積極、更充分地去考慮問題、解決問題，培養學生對復雜化工工程問題的處理和解決能力。

從Aspen Plus軟件與化工熱力學課程知識在化工設計競賽的應用為例，該門課程在化工專業的課程中來說，是最抽象的課程之一，而通過Aspen Plus對工藝流程的模擬，使學生不僅對化工熱力學的范疇有了形象的了解，還對熱力學基礎知識的應用有了直觀的感受。比如對于近沸物體系的分離，如果采用液液萃取工藝，選擇合適的熱力學方程是關鍵點，若按照常規選擇Wilson方程，由于該方程幾乎沒有考慮相平衡方程中的交互參數的要求，其得到的模擬結果就與實際的數值就會產生較大的誤差，只有結合化工熱力學的基礎知識和Aspen Plus的模擬結果對比，最終采用NRTL熱力學方程代替常用的Wilson方程，因為其適用于液體分層物系的計算；同時Aspen Plus軟件也能對熱力學中的有效能?的計算有了很直觀的展示，軟件能直接模擬出工藝流程中每一個物流的物理?、化學?和其他?，以此計算整個過程的?損失，找出最大的損失點，有針對性地進行工藝或者設備的優化創新，以此提高整個系統的?利用率。在朱世平教授撰寫的《化工之歌》一文中講到，從知識的角度上講，學生能掌握和理解化工專業基礎知識，這個是知識的積累、沉淀和傳承；而從應用的角度上講，化工本來就是一種創新，其需要運用化學的基礎知識解決問題、采用現代設計方法建立工藝流程、利用現代設計方法和人工智能做設計和優化、依靠控制系統實現整個過程，這個過程是一個從無到有的過程，這是創新。學生在掌握、理解基礎知識的前提下，在查閱現有的工藝技術的基礎上，利用現代設計方法，將基礎知識合理應用，基于現有工藝技術進行優化、改進和完善，并用于實際的工程中，這就是傳承和創新相結合在化工領域中的展現[13-14]。

（二） 競賽中的綠色化和智能化

傳統化工的現狀是高能耗，并且產生對環境不友好的具有污染性、高排放的副產品，一定程度上還會對人類健康造成威脅，并且隨著互聯網+時代的到來，隨著人工智能和現代技術的逐漸深入，為了打造更加安全、高效的工作模式，化工行業也在積極地向信息化、智能化方向轉型，這是化工行業的發展趨勢，化工設計競賽也緊跟發展潮流[15]。在安全要求中，要求在設計中堅決貫徹安全第一的指導思想，從提高裝置的本質安全性出發，盡量采用新的安全技術和安全裝備；在環境要求中，要求盡量采用清潔生產技術，從本質上減少對環境的不利影響，對可能造成環境污染的副產物提出合理的處理方案；在設計過程中，要求采用現代設計方法對分廠進行全面整體的設計和環境、安全評價。這些要求說明如何使用節能環保的工藝、綠色催化劑以及環保安全的原料會成為競賽的重點也是創新點，這些要求需要學生不僅要有基礎的理論知識，更要有環保意識、節能意識和工程倫理，具有創新性和前瞻性的思維和理念。

四 結語

現代技術已經逐步深入化工行業，綠色化、智能化的化工時代終將到來，與現代技術的時代相匹配、相適應的卓越化工應用人才培養目標應秉持傳承與創新相統一的思路，做到適應性和前瞻性相統一，以此推動化工類課程和教學模式的改革，驅動基礎課程與教學實踐環節的融合，在加強理論知識、培養工程實踐能力的同時，增強學生的自主學習的能力，激發學生的創新思維能力，樹立學生的工程應用意識和工程倫理理念，培養出具有可持續發展理念的高素質化工人才，其應該具有如下特征：具有扎實的基礎理論知識和基本素養、具有現代技術方法的熟練使用能力、具備較強的自學、開發能力以及具備理論基礎知識和現代技術方法以及人工智能的綜合應用能力。