工業4.0背景下化工設計課程教學模式探索*

郝 麗，陳循軍，周紅軍，周新華

(仲愷農業工程學院化學化工學院，廣東 廣州 510225)

工業4.0的發展概念以互聯、集成、數據、創新、轉型為特征，“智能工廠”和“智能生產”是其兩大主題，實現信息化和實體工業的融合[1-2]。借鑒該戰略思想，我國提出了“中國制造2025”戰略，大數據和人工智能等信息技術的蓬勃發展為我國傳統化工產業轉型升級帶來前所未有的機遇與挑戰[3]。面對化工行業轉型升級，對我國高校化工專業的人才培養提出了更高的要求，創新人才培養模式，培養能適應工業4.0時代要求的智能型化工人才迫在眉睫。

化工設計課程是本科化學工程與工藝專業的核心課程，化工設計是把化工過程從設想變成現實的一項重要建設環節[4-5]，如若學生畢業后進入化工設計院及化工工程公司等企業，化工設計這門課程的專業知識是他們開展工作的有利儲備，此課程具有較強的綜合性和工程實踐性，在成果導向的教學理念下，化工設計課程對培養智能型工程設計人才具有重要作用。

基于我校化工設計教學現狀，在教學過程中主要存在的以下問題：

(1)化工設計課程中主要應用Auto CAD及Aspen Plus軟件，學生對軟件的掌握不夠深入，對Aspen Plus軟件原理了解不夠深入，且對其他設計軟件知之甚少。

(2)教學內容過于傳統，不夠與時俱進，考核及評價方法難于真正地檢驗學生的水平和對現代化設計方法的掌握，缺少系統、科學的分析。

(3)過于強調知識傳授、學生自主選擇空間有限、學習積極性不高，難于使學生在學習過程中形成創新思維和自主學習的能力[6]，綜上所述，目前的化工設計教學方法難以適應工業4.0背景下智能型化工人才的培養需求。

仲愷農業工程學院作為地方本科院校，每年的化工專業畢業生進入化工工程設計行業的人數較少，為了更多的向社會輸出具有創新思維、工程設計與實踐技能、團隊協作精神的智能型化工人才，科學的構建化工設計課程體系并落實在教學過程中是達成此目標的關鍵所在。

1 化工設計課程“智能化”教學改革目標

數字化、網絡化、智能化貫穿于化工行業研發、設計、制造、銷售、服務的各個環節，使得化工行業需要系統化的集成與創新。為了適應經濟和社會發展需要，在化工設計課程原有教學目標的基礎上，需要融合多學科的知識體系和思維習慣，培養學生設計數字化工廠的能力，進一步為培養具有開發自主核心化工軟件的高端人才奠定基礎。課程改革后，除了熟練運用CAD、Aspen Plus軟件進行設計之外，還需要了解智能設計軟件(如智能三維設計軟件Smart 3D、智能工藝流程設計軟件Smart P&ID等)如何完成智能工廠的數字化設計，了解如何操作和維護數字化和智能化設備，了解如何指揮和操作智能化生產線、智能化設備和大數據系統[7]。化工設計課程改革旨在以成果為導向，培養理論知識與現場實踐兼備，本專業技能過硬，兼具跨專業知識背景的創新性復合型人才。

通過化工設計的智能化教學改革，期望學生畢業后增加如下職業發展潛力：

(1)能夠綜合應用化工、系統工程、大數據等專業知識解決化工轉型升級及化工廠數字化集成的問題。

(2)鼓勵學生繼續深造，進一步強化數字工廠和智能工廠的設計能力，敢于從事專業大數據分析等開創性的工作。

基于化工行業轉型升級對智能型人才的需求，提出優化化工設計課程的思路，探索多學科交叉融合的化工設計人才培養模式，推進智能化技術與工程教育深度融合，結合仲愷農業工程學院本科教學的特點，促進“設計院+科研院所+化工企業”協同高校教學的創新實踐培養方式。

2 化工設計課程“智能化”教學改革思路

2.1 在“智能化”背景下，優選教學內容，構建交叉融合的課程知識體系

人工智能、大數據、云計算等前沿科技的飛速發展，促進了工業化與信息化的深度融合[8]。智能化對化工設計課程的教學內容提出了更高、更新穎的要求，未來化工領域除了傳統化工核心課程外，分析、建模、仿真、過程控制類課程的相對重要度越來越高，對我校化工設計課程教學進行科學合理的改革已勢在必行[9]。因此我們決定創新教學理念，引入智能化概念，進而優化教學內容，擴大實踐環節，進行線上線下混合式教學。

改革前，我校化工設計課程的學時分配為理論教學32學時，上機實踐16學時，其中理論教學內容為緒論(3學時)、工藝路線以及工藝流程設計(6學時)、物料衡算和熱量衡算 (10學時)、化工設備的選型和設計計算(6學時)、裝置(車間)布置設計(4學時)、設計中必須注意的幾個問題(3學時)；上機實踐主要內容為繪制PID圖(4學時)、Aspen Plus輔助技術講解及實例(4學時)、換熱器及精餾塔的工藝設計(4學時)、繪制中試反應裝置平面、立面布置圖(4學時)，總體來講，我校化工設計課程學時充足，理論及實踐學時分配較合理。

基于此，我們將智能化相關概念及知識滲透到理論及實踐教學內容當中，比如：

(1)在緒論部分，融合化工過程分析與合成課程簡要介紹集散系統(DCS)的先進控制與優化控制、化工企業CIPS(Computer Integrated Process System)技術、以及人工智能技術在化工過程中的應用。

(2)在工藝路線以及工藝流程設計部分，強化最優化概念，秉承節能優先、效率為本的理念，引導學生在確保技術、經濟、環保和安全可靠性的前提下，設計最佳的工藝技術路線，通過工藝軟件的模擬分析，確定優化的工藝流程、工藝條件，優化換熱網絡達到節能的效果，體現化工經濟性較強的特色。

(3)使用化工流程模擬軟件進行物料衡算、能量衡算、設備選型與計算，從而對復雜化工過程進行設計、建模和優化，在此部分內容的教學過程中，強化計算機的應用，除了引導學生學習軟件基本操作之外，還要入門級介紹化工過程系統模擬(如序貫模塊法、面向方程法、聯立模塊法)的基本原理。

(4)在車間(裝置)布置設計部分，要向學生表達全局觀及細節化。

(5)基于Auto CAD、Aspen Plus進行理論和實踐教學之外，簡要介紹PDMS、Smart Plant 3D等軟件的作用，提高學生對軟件設計的深度認識和知識能力的遷移，以拓寬學生思維和視野。

在教學內容的優化改革基礎上，創新教學模式，例如：

(1)進行線上線下混合式教學，化工設計課程涉及大量的軟件學習資料、視頻資源、軟件安裝文件等，通過使用智慧樹、超星學習通等上傳學習資源，引導學生自主學習，通過智慧樹、超星學習通等發布思考題，進行啟發式教學，教會學生獨立思考并提問，而不是一味的接受，只有思考才能真正掌握知識乃至創新，通過智慧樹、超星學習通等發布課堂簽到、提問等，活躍課堂氛圍。

(2)基于全國大學生化工設計競賽這一成果導向，以解決實際化工工程問題為目標，通過實踐教學促進理論教學，形成多維多尺度化工設計教學，使學生全面了解整個設計過程，讓化工設計教學過程更具實用性、新穎性，提升學生的實踐能力和創新能力，潛移默化的提升智能化設計能力。

2.2 依托校內外教學資源，構筑多元協同的化工設計人才培養模式

在工業4.0背景下，學科交叉尤為重要，那么如何解除學科間的束縛、突破學科壁壘，讓學生更好的樹立大工程觀念，是化工設計課程改革中值得關注的問題。因此，我們在化工設計教學過程中，積極鼓勵學生選修其他專業的課程，如計算機、環境、機械、電氣、土建、自控、給排水等專業，學科內外協同，多學科的交叉和整合研究有利于學生突破慣性，釋放創造力，獲得更多交叉創新發展的新路徑。同時，跨專業選修課的學習也會幫助學生養成終身學習、自主學習的習慣，在知識爆炸性增長的時代難能可貴。

化工設計課程是一門實踐性很強的課程，這門課程的改革希望提升學生在工程實踐活動中創造新的技術成果的能力，包括新產品和新技術的研發，新流程和新裝置的設計，新的工廠生產過程操作運行方案等。實踐當然不能紙上談兵，最好的方式是走出校園，在相關企業建立實踐基地，將化工設計課程與認識實習無縫銜接，帶領學生走進車間、實地參觀體驗，或是聘請企業的資深專業人員走進校園，舉辦講座、短期培訓等，深度融合高校、企業、科研院所等多方主體資源，圍繞“課程教學、生產實踐、科研訓練、服務化工行業”多方位為一體的理念，形成開放、多元化協同共建的化工設計人才培養模式。

2.3 多元化考核方式，大數據分析學習動態

將智慧樹、超星學習通等軟件引入到課程教學中，改變傳統單一的考核方式，在大數據時代，實現智能化及多元化考核與分析，調動學生積極性。以智慧樹軟件為例，可以發布學習任務，并實時跟蹤學生學習進度，可以發布作業及考試，并且學生可以通過訓練題庫進行自我模擬訓練，小組教學模式將一對一教學變為可能，學情數據及成績管理模塊可以關注學生學習及作業完成情況，并得到統計分布曲線。學生人數樣本越多，統計數據越具有說服力，這樣一來，每2～3年就可以根據學生學情及成績分布圖對教學內容及評價方式進行調整及優化。

在考核方式的成績比例分配中，加大平時成績的比重，與期末設計各占考核成績的50%，其中平時成績包括出勤、作業、課堂活躍度、上機和實踐表現等，期末設計則采用全國大學生化工設計競賽的模式，通過組隊(每隊4～5人，設隊長一名)按照設計任務書(每組一個題目)進行化工廠設計和設計答辯、報告。鼓勵學生運用先進的設計工具、創新的思維設計出優秀作品，提高化工設計課程的學習效果，增強學生工程設計能力，使學生能夠勝任團隊成員及負責人的角色和責任，培養學生整合知識和團隊協作能力，為今后的工作打下堅實的基礎。同時，引入學生互評機制，因此引導學生站在觀察者及評價者的角度通過審視他人的作品進行深入學習。

平時的過程考核分數占該門課程的最終成績的50%，按百分制評分，總評后折算成50分。平時考核方式及權重要求包括：

(1)課堂紀律與綜合表現，占比20%，如按時上課、課堂紀律、請假、遲到及缺課等綜合表現。

(2)課堂互動、問答與討論，占比20%，如課程中相關內容理解，課堂互動表現，思維與語言表達能力。

(3)上機實踐活動，占比60%，如對上機實踐或文獻調研及報告等材料的完成情況，考核對課程的掌握程度；對知識點的掌握，課程學習與思考的主動性。

期末設計考查采取分組設計的方式進行考核，期末設計分數占該門課程最終成績的50%，包括：

(1)工程圖紙質量，占比30%，考核學生對工藝流程圖、帶控制點的工藝流程圖及廠區布置圖的掌握程度。

(2)現代設計方法，占比40%，考核學生對工藝選擇、物料衡算、能量衡算、流程模擬、設備選型的掌握程度，考核學生對設計軟件的掌握程度，考核學生的設計創新能力。

(3)設計文檔質量，占比30%，考核學生對相關規定、規范和標準的掌握程度，考察學生對工程設計文檔編寫的規范程度。

基于以上評價方法，通過相關公式進行數據分析，指導課程改革及優化。

3 化工設計課程“智能化”教學改革措施

3.1 調查法及文獻法

通過對各種類型高校(雙一流高校、普通博士點授權學校和普通碩士點授權學校)本科生化工設計課程改革的調研，了解各層次高校本科生化工設計課程建設模式。通過文獻檢索獲取國內化學工業發展中的案例資源。

通過文獻的閱讀與梳理，強化學生查閱文獻和文檔編輯整理歸納能力。引導學生查閱大量的學術論文、專利、年鑒等資料，選擇工藝生產技術方案及確定生產工藝、生產規模、市場分析、廠區選擇等環節，進而將搜索到的資料進行文檔編輯。

3.2 以問題為導向的比較研究法

采用教學評價方法比較傳統培養和本項目組采取的改革方案培養的差異，得出各自的不足和優勢，進一步尋找整合路徑。借鑒相同或相似的網絡課程資源進行對比，定期做適當的記錄，以便評估學生能力的取得程度，以出勤情況、課堂提問等形式，記錄平時成績，通過課堂互動開展問題分析和問題討論。通過團隊合作、分組討論、課堂討論完成實踐作業及設計任務。

以問題為導向，有利于激發學生的創新思維，增強學生的主觀能動性，加深學生對實現設計工廠“安、穩、長、滿、優”的理解。

3.3 持續改進及優化

將課程評估及評價的結果系統地加入持續改進，比如個人素質方面，挖掘學生的主觀能動性，使之具備獨立獲取分析、解決問題的能力；提升寫作素養、發揮學生的協作精神和溝通能力，體現團隊合作的創新能力；職業技能方面，將個人素質、寫作素養貫穿于職業發展之中，從而解決實際化工設計過程中存在的問題，并發展創新能力。

4 結 語

智能型和創新型化工人才是社會所需，工業4.0背景下化工設計課程“智能化”教學模式探索有強烈的實施需求。創新實踐平臺及相關軟硬件條件是工業4.0背景下《化工設計》“智能化”教學改革與創新能夠順利開展的保障。建立適應于工業4.0背景下，滿足智能化創新人才需要的化工設計人才培養模式，提出一個邏輯結構清晰、內容全面、重點突出、目標明確的學生智能化創新能力系統化培養模式，為人才培養模式創新提供新思路，該模式還可拓展使用到其它相關本科專業課程。“智能化”化工設計課程改革和創新有利于學生創新實踐能力的培養和發展，有利于學生進入研究生學習階段后開展學習和研究，也有利于學生團隊合作精神和人格的完善。