新工科建設背景下大學生工程計算能力培養實踐探索
——以化工原理課程教學為例

成 忠

（浙江科技學院生物與化學工程學院，浙江 杭州 310023）

進入新時代，新工科建設是我國高等工程教育領域主動應對新一輪科技革命與產業變革的戰略行動。新工科建設即“新的工科專業、工科的新要求”，除了對新興產業所涉及的大數據、機器人、智能制造、云計算等專業的創建，還包括對化學工程與工藝等傳統工科專業的改造升級，它們的共同目標都是培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。

“未來已來”，新工科人才的培養已經成為當務之急。根據產業改造升級以及大工程觀的要求，工程計算能力正成為當代工程師的核心競爭力。隨著在線傳感器等現代檢測技術獲取海量實驗數據成為常態，化工學科的研究方法除第一范式的實驗歸納、第二范式的模型推演、第三范式的仿真模擬外，正在向以大數據為中心的第四范式迭代升級。作為基于數據驅動的方法，第四范式運用跨學科或多學科的方式，通過分析、建模、可視化等手段對工程裝置或生產過程的源發數據進行挖掘，以揭示各因素變量間的相關關系或關聯變化規律，提升其對運行狀態的質量控制或預測維護水平。如果說第三范式是“人腦+電腦”，人腦是主角，那么第四范式則是“電腦+人腦”，電腦是主角。第四范式在應用上更加高效，在人力物力上更加經濟。因此，為主動應對新科技革命與化工產業轉型升級，將行業對人才培養的最新要求引入教學過程，在大學生中開展工程計算能力的培養與訓練，增強大學生可持續發展的內生動力，既是時代的需要，也是提升大學生實踐創新能力的重要手段。

課程作為人才培養體系中的最基本單元，是高校立德樹人的重要載體，是新工科建設的核心要素。本文以化工原理課程為示范，立足于對大學生的工程計算能力培養，探索傳統工科專業課程改造升級和質量內涵發展的新路徑。

一、面向新工科建設的大學生工程計算能力培養的要求及內涵

（一）工程計算能力培養的時代要求

高等工程教育的使命，就是讓大學生接受系統的理工科理論知識和基本技能的學習以及相關實踐訓練，能夠滿足成長為一名工程師的基本能力和要求。各個高校的專業培養方案通常都融合了工程教育認證標準、新工科專業建設標準、專業建設國家質量標準中對人才培養的規格與要求。

2016 年6 月，我國正式加入《華盛頓協議》，工程教育專業認證成為高等教育質量保障體系的重要組成部分。2017 年11 月版的普通高等學校本科工程教育認證的通用標準中有12 條畢業要求，直接與工程計算能力相關的有4 條，如表1 所示。這4 條畢業要求，立足于復雜工程問題求解的內在邏輯，從知識儲備、問題分析、知識發現、工具應用等層面培養大學生解決復雜工程問題的能力。另外，化工與制藥類專業補充標準（2020 年修訂版）共2條，其中第1條“課程體系設置應確保學生在畢業時能夠運用數學、信息工程等，表達、分析、模擬和設計化學、物理和生物過程中的復雜工程問題，具有系統優化的知識和能力”和第2 條“從事專業教學工作的80%以上的教師應有至少6 個月以上的企業工程實踐經歷”都與工程計算能力培養相關，立足于專業領域應用引領和師資業務能力支撐。

表1 工程教育認證通用標準中與工程計算能力直接相關的畢業要求

借鑒“學生中心、成果導向、持續改進”的工程教育認證理念，以工程教育認證通用標準中的畢業要求為底線，以“卓越工程師教育培養計劃”中工程人才培養的通用標準為基礎，結合新工業革命對人才培養的新要求，國家制定了包含9 方面共16 條的新工科人才培養通用標準，其中，與工程計算能力直接相關的有3 方面計5條，如表2所示。

表2 新工科人才培養通用標準中與工程計算能力直接相關的業務知識和能力要求

表2的第1條“基礎知識”和第2條“專業知識”，與工程教育認證畢業要求“3.1 工程知識”基本一致，都是從應具備和掌握的學科專業知識上提出的要求，且都與工程計算相關。第3 條“工具使用”，與工程教育認證畢業要求“3.5 使用現代工具”基本一致，都是凸顯工程計算手段在求解復雜工程問題上的重要性。第5 條“復雜工程問題分析”，與工程教育認證畢業要求“3.2 問題分析”基本一致，都是從復雜工程問題解決方案的探索上嵌入工程計算的思維和步驟。第6 條“復雜工程問題研究”，與工程教育認證畢業要求“3.4 研究”基本一致，都是從復雜工程問題的獨立研究上提出包括試驗設計、數據采集、規律挖掘等在內的與工程計算相關的要求。

2018 年1 月，我國發布了第一個高等教育教學質量國家標準。其中，《化工與制藥類教學質量國家標準》對化工與制藥類專業人才應掌握的業務知識與能力提出了9 條要求，表3 列出的是與工程計算能力直接相關的前5 條，涉及知識學習、問題應用、方法掌握、創新實踐、工具使用等方面。

表3 《化工與制藥類教學質量國家標準》中與工程計算能力直接相關的業務知識和能力要求

再從行業規范和產業人才需求來看，化工生產技術多樣，工藝加工過程復雜，生產過程的比例性和聯系性要求嚴格，安全平穩運行意義重大，所需的人才要具有大工程觀。2001 年，美國工程與技術鑒定委員會（ABET）從雇主角度全面推進注冊工程師鑒定準則即《工程準則2000》。該準則提出注冊工程師應具備11個方面的基本能力與要求，其中至少4 個方面涉及工程計算能力，包括掌握數學和工程科學知識的應用能力，設計實驗以及分析和解釋數據的能力，對工程問題進行系統表達、建構方程、尋求解決方案及論證的能力，在工程實踐中使用現代化工具、技術的能力。在我國，執業化學工程師，除要求具備本專業基本理論知識、工程基礎知識和學科基礎知識，還要求掌握單元設備和化工過程的設計、模擬及優化等與工程計算密切相關的基本方法。綜上，隨著信息技術推動化工企業的數字化改造升級，化工產品制造裝備或生產過程越來越顯現出互聯特征和計算化特征，工程計算能力則成為評判一個工程人才是否合格的必要條件。

（二）工程計算能力的內涵及其構成要素

分析與綜合上述工科類專業人才培養或評估的畢業要求、建設標準、業務知識與能力等與工程計算能力密切相關的要求后，現將工程計算能力的內涵概括為具有科技或工程相關背景知識的個人或團隊，利用現代工具（包括硬件和軟件）求解復雜工程問題的計算能力，其構成要素及其內在邏輯如圖1 所示，包括工程問題數學描述、數學模型構建、計算方法選擇、高效算法編程計算、結果解釋與可視化等五個方面，它們既序貫實施、遞進演繹，又循環關聯、反饋優化。

圖1 工程計算能力的構成要素

二、工程計算能力培養在化工原理課程教學中的實施探索

（一）基于工程計算能力培養的化工原理課程教學改革要求

化學工程與工藝屬傳統工科專業，化工原理是該專業的核心課程，其教學內容包括流體輸送、過濾、傳熱、精餾、吸收、干燥等單元操作，它們往往直接對應工廠生產線上的任務生產車間或單元裝備。因此，化工原理課程的教學改革，必須面向產業界，融合新技術，順應化工產業數字化轉型升級的時代要求，革新教學方法，助力化工專業新工科建設。

一是堅持產出導向。根據化工“產業新需求”和“技術新發展”，迭代更新化工原理課程教學內容，改變由學科割裂所造成的學生實踐創新能力和跨界整合能力缺乏的現狀，打通高校人才培養與化工產業人才需求間的“最后一公里”。

二是確立培養標準。以工程教育專業認證畢業要求、新工科專業建設標準、專業建設國家質量標準等為抓手，圍繞工程計算能力培養的5個核心要素，完善課程培養目標，優化課程教學過程及評價方式，提高化工原理課程學習成果的達成度。

三是變革教學手段。工程計算的核心是以現代工具為手段，以數學模型為基礎進行仿真研究。因此，教育借助Excel、Matlab、Aspen Plus 等與工程計算相關的平臺，實現化工原理課程理論教學與實踐應用的同頻共振。

（二）工程計算能力培養在化工原理課程教學改革的示范

化工原理課程是以化學工業及相關產業中物質的物理變化為研究對象，以單元操作模塊為章序，講授包括物料衡算、能量衡算、平衡和速率的計算及它們關系處理的工程化方法，解析有關工程因素對過程效能和裝置能力的影響關系等。工程性是該課程的一個顯著性特征，數學模型方法則是聯系各單元操作的一條主線。因此，選擇以問題求解或項目操作為導程，開展工程計算能力培養的教學實踐活動，可提高教學內容的共同原型和學生學習的積極性。下面以流體輸送為例，示范工程計算能力培養的教學演繹過程。

1.工程問題原型。如圖2所示，現需將密度950kg·m、黏度1.24mPa·s 的原料液從高位槽送入塔內。高位槽內的液面維持恒定，且高于塔的入口處4.5m，塔內表壓強為3.5×10Pa。輸送原料液的管道直徑是45×2.5mm，長度是35m（包括管件及閥門的當量長度，但不包括進口、出口損失），管壁絕對粗糙度是0.2mm，問輸送液量能達多少？

圖2 原料液流自高位槽經管線輸送至塔

2.問題分析與識別。此問題屬于簡單管路的操作型問題計算，該類問題常見有3 種情形：（1）已知流量和管件尺寸，計算管路的阻力損失、不同容器或設備間的相對位置、輸送設備的功率、管路中流體的壓力等。（2）給定流量、管長、管件和允許壓降，計算管道直徑。（3）已知管道尺寸、管件和允許壓降，計算流體速度或流量。其中第（2）種管徑未知、第（3）種流速未知，均會導致表征流體形態的準數無法求取，因而摩擦因數λ也就無從確定。因此，需要采用迭代法完成這2 種情形的工程問題計算，具體到本問題則屬于第（3）種情形。

3.問題抽象與表達。流體輸送問題實際上就是動量傳遞原理的應用。為求解計算，需要將上述流體輸送問題采用物理量等工程學科語言進行抽象、轉譯和表達，以便建立各有關物理量之間的關系或定量模型。該問題中各個物理量識別表達如下：高位槽液面標記為上游截面1-1′，輸送管道出口內側標記為下游截面2-2′，并選截面2-2′的中心線為基準水平面，則-=Δ=4.5m，ρ=950kg·m，=1.24mPa·s，=0（表壓），=3.5×10Pa（表壓），≈0，=，-2=45-2×2.5=40mm，=35m，ε=0.2mm。

圖3 摩擦系數λ求解的迭代算法流程圖

表4 摩擦系數λ的迭代計算結果

三、結語

信息化和數字化是現代科技和工業發展的基礎。通過建立數學模型來理解、分析與求解復雜工程問題，有助于更加深刻地理解工程問題的本質，也是開展科學研究和創新實踐的不竭動力。本文立足于新時代下高等教育的“工程范式”，梳理了新工科建設對工程計算能力培養的時代要求，歸納出工程計算能力的構成要素，并以化工原理課程中流體輸送問題為例，完整地示范了問題分析與識別、問題抽象與表達、數學模型構建、工程計算方法選擇、算法設計并實現、結果與討論等工程計算能力培養的教學演繹過程，以期為學生將來應用工程計算從事科學研究、解決復雜工程問題奠定堅實的方法論基礎，也為工科專業的課程教學改革和質量內涵發展提供借鑒與啟迪。