化工原理課程設(shè)計(jì)的專創(chuàng)融合教學(xué)改革與實(shí)踐

于 杰，呂 丹，趙培余，吳曉藝，李燕妮

(沈陽工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

專創(chuàng)融合教學(xué)旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、符合社會(huì)需求的高素質(zhì)人才，在專業(yè)課程的教學(xué)過程需找到適合的切入點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，在各個(gè)教學(xué)階段進(jìn)行連續(xù)性培養(yǎng)，以達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)[1-2]。化工原理是化工類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程設(shè)計(jì)是化工原理基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論課程后的一次重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[3-6]。目前，在化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，很多高校工藝過程計(jì)算中還需要學(xué)生采用手工計(jì)算，大量的手工計(jì)算會(huì)耗費(fèi)學(xué)生過多的時(shí)間，一旦中間步驟有計(jì)算錯(cuò)誤，會(huì)影響后續(xù)的設(shè)計(jì)，因此，學(xué)生對(duì)化工設(shè)計(jì)難免會(huì)產(chǎn)生畏難心里[4]。已經(jīng)舉辦多年的全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽是化工類專業(yè)的最高級(jí)別賽事，作為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、解決問題能力、創(chuàng)新能力以及實(shí)踐能力的最佳途徑，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)各高校的廣泛關(guān)注[7]。在完成該競(jìng)賽內(nèi)容的過程中，需要使用過程模擬軟件Aspen Plus進(jìn)行模擬計(jì)算，并利用AutoCAD軟件繪制二維和三維設(shè)備及廠區(qū)布置圖等。因此，我們就以化工原理課程設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，從引導(dǎo)學(xué)生使用Aspen Plus模擬軟件及AutoCAD繪圖軟件入手，培養(yǎng)學(xué)生使用先進(jìn)設(shè)計(jì)工具，利用軟件中的單元操作模型進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算，并用AutoCAD軟件繪制課程設(shè)計(jì)內(nèi)容要求的工藝流程圖和主體設(shè)備條件圖。采用專創(chuàng)融合教學(xué)的理念，在完成課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，鍛煉了學(xué)生使用Aspen Plus模擬軟件及AutoCAD繪圖軟件的能力，同時(shí)，以賽促學(xué)，提高了學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性。

1 化工原理課程設(shè)計(jì)專創(chuàng)融合的教學(xué)模式及實(shí)施計(jì)劃

專創(chuàng)融合教學(xué)需要以專業(yè)知識(shí)作為基礎(chǔ)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為有力補(bǔ)充，才能達(dá)到有效的專創(chuàng)融合教學(xué)目標(biāo)。

化工原理課程設(shè)計(jì)課程的改革主要從兩方面入手，其一是將化工原理課程設(shè)計(jì)課程與全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽結(jié)合，熟悉化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽內(nèi)容及要求；其二是將過程模擬軟件和繪圖軟件的使用引入化工原理課程設(shè)計(jì)中，將傳統(tǒng)的工藝過程手工計(jì)算和手工繪圖與現(xiàn)代電算相結(jié)合，提升學(xué)生電算和計(jì)算機(jī)繪圖的水平，適應(yīng)現(xiàn)代化工設(shè)計(jì)需要；三是制定規(guī)范設(shè)計(jì)內(nèi)容和評(píng)分原則，評(píng)分過程透明化，保證公平的基礎(chǔ)上，提前為學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽做好準(zhǔn)備。這些過程的實(shí)施需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)，因此，在化工原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中，有效利用各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，逐步將過程模擬軟件和計(jì)算機(jī)繪圖知識(shí)與課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。以全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽為主體的專創(chuàng)融合教學(xué)模式的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 專創(chuàng)融合教學(xué)模式基本結(jié)構(gòu)圖

2 化工原理課程設(shè)計(jì)課程實(shí)踐

在化工原理課程設(shè)計(jì)課程上，我們將學(xué)生按照化工設(shè)計(jì)大賽的組隊(duì)形式進(jìn)行分組，5個(gè)人一組，每組選出一名隊(duì)長(zhǎng)，負(fù)責(zé)整個(gè)隊(duì)伍的組織與協(xié)調(diào)。

課程設(shè)計(jì)的選題和內(nèi)容主要來源于全國(guó)化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽。大賽題目每年均不同，大賽選題與生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和勇于挑戰(zhàn)自我的精神。化工原理課程設(shè)計(jì)課程時(shí)長(zhǎng)為兩周，教師根據(jù)學(xué)生理論課程的學(xué)習(xí)情況選擇適合的設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，每組5人做一個(gè)體系的內(nèi)容，每個(gè)人的原料處理量不同。設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容以精餾塔或填料塔為主，同時(shí)可以對(duì)換熱器進(jìn)行選型。在化工原理課程上，教師將換熱器、精餾塔、填料塔設(shè)計(jì)的原理及方法進(jìn)行講解，讓學(xué)生提前了解課程設(shè)計(jì)需要掌握的理論知識(shí)。在化工原理課程設(shè)計(jì)正式進(jìn)行前，教師將要使用的Aspen Plus軟件及CAD軟件的安裝方法以視頻或文件的形式傳達(dá)給學(xué)生，讓學(xué)生提前安裝軟件并熟悉界面使用。化工原理課程設(shè)計(jì)開始，教師首先向?qū)W生發(fā)布設(shè)計(jì)任務(wù)，將每組學(xué)生的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求交給隊(duì)長(zhǎng)，由隊(duì)長(zhǎng)進(jìn)行分配具體任務(wù)。Aspen Plus軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用過程軟件，盡管其具有友好的用戶界面和豐富的幫助系統(tǒng)，但如果沒有前期基本原理的培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)使用該軟件會(huì)具有相當(dāng)?shù)碾y度。因此，在課程設(shè)計(jì)的教學(xué)中，教師先對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本原理的培訓(xùn)，并向?qū)W生演示如何完成一個(gè)換熱器設(shè)計(jì)的模擬案例。教師演示的同時(shí)進(jìn)行同步解說，制作演示視頻，同學(xué)通過觀看，自行模擬練習(xí)操作，熟悉操作過程。軟件培訓(xùn)結(jié)束后，學(xué)生開始分組進(jìn)行課程設(shè)計(jì)任務(wù)。任務(wù)要求學(xué)生要按課程設(shè)計(jì)題目查找可行性論證，設(shè)計(jì)換熱器的相關(guān)計(jì)算用Aspen Plus軟件完成。考慮到學(xué)生初次使用Aspen Plus軟件，可能存在一定的難度，學(xué)生也可以先進(jìn)行手工設(shè)計(jì)計(jì)算，然后再使用Aspen Plus軟件模擬計(jì)算，最后按照任務(wù)要求整理化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書。

在繪制圖紙方面，要求學(xué)生手工繪制與計(jì)算機(jī)CAD軟件繪制相結(jié)合。考慮到學(xué)生繪圖的基本功較差，繪圖過程中不夠注重細(xì)節(jié)，需要通過手繪鍛煉學(xué)生的基本功。同時(shí)，計(jì)算機(jī)CAD軟件繪圖作為現(xiàn)代作圖非常重要的一個(gè)工具，也是學(xué)生必須要掌握的重要內(nèi)容，因此，我們采取手繪和計(jì)算機(jī)CAD軟件繪圖相結(jié)合的手段，讓學(xué)生先手繪設(shè)備條件圖，經(jīng)檢查合格后，再通過CAD軟件繪制一張電子版的設(shè)備條件圖和一張工藝流程圖。

采用專創(chuàng)融合的教學(xué)方法，學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)的工作量比傳統(tǒng)教學(xué)方法大很多，但也大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)探索的精神，任務(wù)書和圖紙的質(zhì)量較往屆都有所提高。同時(shí)，學(xué)生掌握了Aspen Plus軟件計(jì)算和CAD軟件繪圖的基本方法，為參加全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽打下基礎(chǔ)。

3 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及評(píng)分細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)化

以競(jìng)賽為引導(dǎo)，以創(chuàng)新教育為目標(biāo)，是化工原理課程設(shè)計(jì)課程教學(xué)的基本指導(dǎo)方針。在實(shí)現(xiàn)過程中，以全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽為目標(biāo)，梳理和完善化工原理課程設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，制定評(píng)分細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)，提升學(xué)生課程設(shè)計(jì)水平，實(shí)現(xiàn)以專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育為目標(biāo)的教學(xué)、實(shí)踐模式。

3.1 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1.1 化工工藝設(shè)計(jì)

化工工藝設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)方案確定、主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算(設(shè)計(jì)工藝參數(shù)的選定及依據(jù)、系統(tǒng)的物料衡算、產(chǎn)品收率及原料耗用量計(jì)算)、系統(tǒng)的熱量衡算、加熱冷卻劑耗用量計(jì)算、 主要設(shè)備的工藝尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算或校核計(jì)算、系統(tǒng)流體力學(xué)性能計(jì)算、主要設(shè)備的流體壓降損失計(jì)算、典型輔助設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、泵、換熱器、貯罐等)主要工藝尺寸或參數(shù)的確定、設(shè)備規(guī)格及型號(hào)的選定等。

3.1.2 設(shè)計(jì)說明書編寫

設(shè)計(jì)說明書是將所完成的課程設(shè)計(jì)予以綜合簡(jiǎn)介、并對(duì)設(shè)計(jì)給予評(píng)述。內(nèi)容包括設(shè)計(jì)任務(wù)書、目錄、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介與評(píng)述、工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算、主要設(shè)備設(shè)計(jì)、輔助設(shè)備選型計(jì)算、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表、工藝指標(biāo)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)簡(jiǎn)介、參考資料等。

3.1.3 圖 紙

帶控制點(diǎn)工藝流程圖(用示意圖表示單元操作所有主體設(shè)備及輔助設(shè)備，標(biāo)出物流量(或能流量)、物流向、控制閥門，以及溫度、壓力控制點(diǎn)的控制標(biāo)記)、主體設(shè)備條件圖(包括設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備的主要工藝尺寸、設(shè)備技術(shù)特性表、設(shè)備接管表(規(guī)格和用途)、設(shè)備零部件明細(xì)表)。

3.2 評(píng)分細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)化

針對(duì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，分別給出了說明書、Aspen Plus模擬計(jì)算和AutoCAD繪圖評(píng)分細(xì)則。

3.2.1 設(shè)計(jì)說明書評(píng)分細(xì)則(換熱器設(shè)計(jì))(20分)

(1)設(shè)計(jì)內(nèi)容符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)要求主要章節(jié)滿足HG/T20688-2000標(biāo)準(zhǔn)的要求，項(xiàng)目總分(1分)。

(2)設(shè)計(jì)工藝方案論證設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)要求：

①列出常用工藝技術(shù)方案(0.2分)；

②畫出流程簡(jiǎn)圖(0.2分)；

③不同技術(shù)方案能耗、環(huán)保、安全、流程繁簡(jiǎn)等方面的文字說明(0.6分)；

④綜合分析比較得出本選用的工藝技術(shù)方案及選用理由(1分)。

(3)給出設(shè)計(jì)條件，根據(jù)Aspen工藝計(jì)算結(jié)果，給出工藝參數(shù)，如管程和殼程的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)名稱、組成和流量、換熱面積、選用材質(zhì)、污垢熱阻等，設(shè)計(jì)細(xì)則要求：

①管程和殼程壓力(0.5分)；

②設(shè)計(jì)溫度(0.5分)；

③介質(zhì)名稱(0.5分)；

④組成和流量(1.0分)；

⑤換熱面積(1.0分)；

⑥選用材質(zhì)(0.5分)；

⑦污垢熱阻(0.5分)；

⑧其它相關(guān)參數(shù)(0.5分)。

(4)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求選型或設(shè)計(jì)，給出校核后的結(jié)果，如換熱器結(jié)構(gòu)形式、折流板形式和間距、殼程直徑、換熱管直徑及計(jì)算長(zhǎng)度、接管尺寸及方位等。設(shè)計(jì)細(xì)則要求：

①根據(jù)校核給出換熱器形式(1分)；

②折流板形式和間距(1分)；

③殼程直徑(1分)；

④換熱管直徑及長(zhǎng)度(1分)；

⑤接管尺寸及方位(0.5分)；

⑥其它相關(guān)參數(shù)(0.5分)。

(5)強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)備筒體壁厚、封頭壁厚、管板厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)備法蘭進(jìn)行復(fù)核。設(shè)計(jì)細(xì)則要求為：

①設(shè)備筒體壁厚(1分)；

②封頭壁厚(0.5分)；

③管板厚度(0.5分)；

④設(shè)備法蘭復(fù)核(0.5分)；

⑤其它相關(guān)參數(shù)(0.5分)。

(6)過程節(jié)能及環(huán)境保護(hù)，參考《深度規(guī)定》，設(shè)計(jì)細(xì)則要求為：

①能源選擇合理分析(1分)；

②有節(jié)能措施(0.5分)；

③有廢氣、廢液排放及處理方案(0.5分)；

(7)設(shè)計(jì)結(jié)果匯總及參考資料(2分)。

3.2.2 Aspen Plus模擬軟件計(jì)算評(píng)分細(xì)則(換熱器設(shè)計(jì))(20分)

設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：

(1)流程模擬通過，對(duì)換熱器進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)(2分)；

(2)換熱器流態(tài)合理，傳熱系數(shù)包括污垢熱阻、換熱面積滿足要求(4分)；

(3)換熱器內(nèi)冷熱流股的流態(tài)均應(yīng)為湍流，否則扣分(-2/臺(tái))(3分)；

(4)傳熱系數(shù)基于傳熱膜系數(shù)、固壁熱阻和污垢熱阻(輸入合理經(jīng)驗(yàn)值)計(jì)算，否則扣分(-2/臺(tái))(4分)；

(5)實(shí)際傳熱面積應(yīng)比計(jì)算面積大30-50%，否則扣分(-2/臺(tái))(4分)；

(6)換熱器壓降合理(3分)。

3.2.3 CAD圖紙?jiān)u分細(xì)則(換熱器設(shè)計(jì))(20分)

設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：

(1)格式規(guī)范性要求：

①圖框內(nèi)容完整(2分)；

②圖標(biāo)、圖線、文字高度符合要求(2分)。

(2)內(nèi)容正確性與完整性要求：

①流程結(jié)構(gòu)符合要求(4分)；

②單元控制邏輯正確(4分)。

(3)設(shè)備裝配圖要求：

①設(shè)備及尺寸標(biāo)注正確(4分)；

②空間布局合理無沖突(4分)。

4 結(jié) 語

通過上述化工原理課程設(shè)計(jì)的深層次改革，學(xué)生對(duì)化工過程模擬軟件和繪圖軟件的使用等計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能得到真正有效的提高，即掌握了以化工單元操作為主的工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容方法，也為后續(xù)參加全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，經(jīng)過電算、CAD繪圖、標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分訓(xùn)練，學(xué)生也為將來進(jìn)行全流程模擬、車間布置設(shè)計(jì)、裝置總體設(shè)計(jì)等做好了準(zhǔn)備。在專創(chuàng)融合的教學(xué)過程中，對(duì)教師要求也有提高，不僅需要教師在課程教學(xué)中教授專業(yè)知識(shí)，同時(shí)還需要將創(chuàng)新理念融合到教學(xué)過程中，在指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽的同時(shí)，也需要教師能及時(shí)了解所需的電算、CAD繪圖及三維渲染圖等最新知識(shí)、技術(shù)，因此，專創(chuàng)融合的教學(xué)模式也督促教師不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，以便能更好的指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，同時(shí)也有效提高了教師的業(yè)務(wù)能力，達(dá)到了教學(xué)相長(zhǎng)的效果。