基于工程項(xiàng)目的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)與實(shí)踐

崔晶晶，王照成，袁 華

（1.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境與化工清潔生產(chǎn)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，武漢 430205；2.中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223）

0 引言

畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科教育的重要環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生運(yùn)用本科階段所學(xué)的知識，獨(dú)立完成某一特定課題。該過程既是對學(xué)生理論知識的綜合檢驗(yàn)，也是對學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的鍛煉，是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立研究能力及創(chuàng)新能力的有效方式，還是針對未來研究及工作的一次重要實(shí)習(xí)［1-3］。近年來，隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高校教師指導(dǎo)力量逐漸不足，同時研究生入學(xué)考試、找工作競爭壓力不斷增大，導(dǎo)致學(xué)生投入在畢業(yè)設(shè)計(jì)上的時間明顯縮短。以上客觀現(xiàn)實(shí)疊加諸如監(jiān)管制度尚不完善、學(xué)生科學(xué)寫作能力缺失、防剽竊教育力度低等其他諸多因素，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了一系列如設(shè)計(jì)題目脫離生產(chǎn)實(shí)際、抄襲嚴(yán)重、選題不當(dāng)，學(xué)生無法獨(dú)立完成、論文寫作不規(guī)范等嚴(yán)重影響畢業(yè)論文質(zhì)量的問題［4-6］。鑒于以上問題，教育界甚至出現(xiàn)了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)制度存廢之爭［7］。化學(xué)化工專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后主要是從事化學(xué)化工領(lǐng)域的研究、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工作，畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對學(xué)生的日后發(fā)展具有重要的作用。針對化學(xué)化工專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)存在的問題，一些文章進(jìn)行了討論并提出了相關(guān)解決措施［8-11］，但是難以從根本上解決問題。校企合作完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是一種新型的培養(yǎng)模式［12-14］，該模式依托實(shí)際工程項(xiàng)目并使用項(xiàng)目管理模式對畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督，可以鍛煉學(xué)生的工程思維，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，全面提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

1 工程項(xiàng)目下本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

化學(xué)化工本科生培養(yǎng)目的是為社會輸送工程技術(shù)人才，傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)僅依托于學(xué)校本身，畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題缺乏工程背景，指導(dǎo)教師理論知識豐富但實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相對不足，導(dǎo)致學(xué)生的工程實(shí)踐能力無法在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)得到有效提升。考慮到工程公司承擔(dān)著大量的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作，擁有高素質(zhì)的工程師隊(duì)伍，因此，采用校企聯(lián)合的方式，基于實(shí)際工程項(xiàng)目對化學(xué)化工專業(yè)本科生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的有效方式。該模式還有助于工程公司充分了解畢業(yè)生能力，提供了一種潛在的人才選拔機(jī)制。

1.1 管理方式

傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)通常由高校老師作為指導(dǎo)教師，每個高校導(dǎo)師指導(dǎo)多個學(xué)生，但是，由于高校老師承擔(dān)著繁重的教學(xué)和科研任務(wù)，同時還要負(fù)責(zé)研究生培養(yǎng)，指導(dǎo)監(jiān)督多個本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)的精力極為有限，這是造成畢業(yè)論文質(zhì)量下降的一個重要原因［15-16］。工程公司擁有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)素養(yǎng)精良的工程師隊(duì)伍，同時在參與工程項(xiàng)目過程中也積累了充足的管理經(jīng)驗(yàn)，因此在畢業(yè)設(shè)計(jì)中引入企業(yè)導(dǎo)師不僅可以有效解決高校導(dǎo)師人力緊張的問題，還有助于學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。在校企聯(lián)合的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，高校導(dǎo)師可以根據(jù)傳統(tǒng)模式指導(dǎo)多個學(xué)生，工程公司指派具有豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師，根據(jù)實(shí)際工作負(fù)荷指導(dǎo)1 或2 名學(xué)生。同時將畢業(yè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行任務(wù)分解，根據(jù)高校導(dǎo)師及企業(yè)導(dǎo)師的自身特點(diǎn)采用矩陣式管理模式，明確管理任務(wù)，提高管理效率。高校導(dǎo)師主要負(fù)責(zé)策劃和協(xié)調(diào)工作，企業(yè)導(dǎo)師主要負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)工作。畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)分解及管理分工如表1 所示。

表1 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)管理分工

1.2 選題原則

選題是畢業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一，選題合適與否將直接影響到畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量［17］。首先選題要基于實(shí)際工程項(xiàng)目，著眼于解決工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，這樣才能引起學(xué)生的興趣。其次選題的范圍要合適，題目范圍不宜過大或過小。如果選題范圍過大，例如選用“煤制合成氨工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，則會因涉及內(nèi)容過多，導(dǎo)致學(xué)生在有限的時間內(nèi)無法完成設(shè)計(jì)任務(wù)，即使勉強(qiáng)完成也只是囫圇吞棗，淺嘗輒止，學(xué)生的綜合素質(zhì)無法得到全面提升。如果選題范圍太小，例如選用“某離心泵系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)”，則會因?yàn)閮?nèi)容太少，導(dǎo)致學(xué)生不能全面系統(tǒng)的學(xué)到工程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容單薄。因此，在選題時最好是選擇工程項(xiàng)目中某個獨(dú)立的單元，即要流程簡單便于按時完成，又要盡量包含各種單元操作，使學(xué)生充分得到鍛煉。再次在選擇課題時，盡量選擇正在執(zhí)行的工程項(xiàng)目，創(chuàng)造機(jī)會讓學(xué)生參與實(shí)際的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，這樣既可提高學(xué)生的參與感和積極性，同時也能減輕企業(yè)導(dǎo)師的工作負(fù)荷。

1.3 實(shí)施方案

1.3.1 工程設(shè)計(jì)流程

工程設(shè)計(jì)中，與化學(xué)化工專業(yè)相關(guān)的主要設(shè)計(jì)文件有工藝流程圖、物料平衡表、設(shè)備布置圖、管道儀表流程圖等。為了最終完成這些設(shè)計(jì)文件，在畢業(yè)設(shè)計(jì)初始階段需要讓學(xué)生掌握工程設(shè)計(jì)的流程。工程設(shè)計(jì)首先要明確設(shè)計(jì)輸入，包括確定裝置或單元的處理能力或產(chǎn)品能力、明確產(chǎn)品的質(zhì)量要求、收集原料及所需公用工程的規(guī)格。然后通過閱讀文獻(xiàn)，對不同工藝方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定適合于本課題的工藝方案。接下來，根據(jù)確定的工藝方案，對工藝流程進(jìn)行流程模擬計(jì)算得到物料平衡，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的工藝計(jì)算（例如泵的系統(tǒng)計(jì)算，管道尺寸的計(jì)算，設(shè)備尺寸的計(jì)算）。最后根據(jù)工藝計(jì)算結(jié)果編制設(shè)計(jì)文件。

1.3.2 工藝方案選擇

工藝方案選擇是工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，方案選擇的正確與否將直接決定整個設(shè)計(jì)工作的成敗。該環(huán)節(jié)中，學(xué)生根據(jù)選定的課題進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，通過大量閱讀文獻(xiàn)來找出不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對不同的方案在投資、消耗、占地等方面進(jìn)行定性分析，從而最終確定最佳的工藝方案。該階段，由于學(xué)生可能對課題熟悉度不夠，需要企業(yè)導(dǎo)師提供給學(xué)生相關(guān)的檢索詞，并及時甄別學(xué)生所查詢參考文獻(xiàn)的質(zhì)量。學(xué)生則需要積極思考，主動和企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)行方案討論，提高自己的分析能力并建立初步的工程思維。

1.3.3 工藝系統(tǒng)計(jì)算

工藝系統(tǒng)計(jì)算是工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，在該過程中學(xué)生首先要根據(jù)選定的題目通過模擬軟件對整個工藝流程進(jìn)行建模并計(jì)算，常用的流程模擬計(jì)算軟件是Aspen Plus，企業(yè)導(dǎo)師需要首先指導(dǎo)學(xué)生對軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后讓學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立建模并進(jìn)行計(jì)算，同時在計(jì)算過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及實(shí)踐能力。以課題“酸性水汽提系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，圖1（a）給出了酸性水汽提系統(tǒng)的原始流程，其基本原理為酸性水自汽提塔（C01）塔頂進(jìn)入塔中，低壓蒸汽自塔底進(jìn)入塔內(nèi)，在汽提塔內(nèi)低壓蒸汽和酸性氣進(jìn)行逆流接觸從而脫除酸性水中的CO2和H2S 等酸性氣體。塔底冷凝液經(jīng)泵加壓后送出界外。塔頂汽提氣經(jīng)循環(huán)水冷卻后進(jìn)行氣液分離，分離后的氣相送出界外，液相經(jīng)泵加壓后送出界外。首先讓學(xué)生根據(jù)圖1（a）進(jìn)行建模并計(jì)算，然后指導(dǎo)學(xué)生在塔頂增加一個酸性水加熱器（E02）再進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)化后的流程如圖1（b）所示。計(jì)算結(jié)果表明，通過增加酸性水加熱器不僅降低了塔底蒸汽的消耗，而且減少了塔頂循環(huán)水冷卻器的水耗。通過這種方式讓學(xué)生掌握工藝流程優(yōu)化的技巧。

圖1 酸性水汽提工藝流程

通過流程模擬得到物料及熱量平衡，然后再進(jìn)行設(shè)備尺寸、管道尺寸等計(jì)算。同樣以“酸性水汽提系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，所需要進(jìn)行的計(jì)算如表2 所示。

表2 中的計(jì)算內(nèi)容學(xué)生基本上都在課堂上學(xué)習(xí)過，但是課堂上接觸的計(jì)算比較簡單，一般是以習(xí)題的方式出現(xiàn)，達(dá)不到工程設(shè)計(jì)的深度。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，上述計(jì)算需要依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，例如泵的系統(tǒng)計(jì)算是根據(jù)《HG／T 20570.5-95 泵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)備安裝高度的確定》來完成。在工藝系統(tǒng)計(jì)算過程中，由企業(yè)導(dǎo)師告知學(xué)生不同計(jì)算所遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，由學(xué)生根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范自行完成Excel 計(jì)算表格的編制并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。可以使學(xué)生夯實(shí)理論基礎(chǔ)，熟悉工程設(shè)計(jì)所需的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)而掌握相應(yīng)的工藝系統(tǒng)計(jì)算。

1.3.4 設(shè)計(jì)文件編制

基于工程項(xiàng)目的畢業(yè)設(shè)計(jì)成品文件一般包括工藝流程圖、管道儀表流程圖、建議設(shè)備布置圖等。企業(yè)導(dǎo)師提供編制設(shè)計(jì)文件所需要的輸入條件及遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，學(xué)生完成設(shè)計(jì)文件的編制。

1.3.5 畢業(yè)論文撰寫

基于方案選擇，工藝計(jì)算及設(shè)計(jì)文件的編制內(nèi)容，學(xué)生完成最終的畢業(yè)論文撰寫。在畢業(yè)論文撰寫的過程中，高校導(dǎo)師充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，在科學(xué)寫作、論文結(jié)構(gòu)、論文格式等方面對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，企業(yè)導(dǎo)師則在工程計(jì)算的嚴(yán)謹(jǐn)性方面進(jìn)行把關(guān)。通過校企雙導(dǎo)師的共同協(xié)作，共同保證畢業(yè)論文的質(zhì)量。

1.4 過程管理

1.4.1 進(jìn)度控制

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)一般是在大四的第二學(xué)期，持續(xù)時間一般為3～4 個月，而在這個時期，很多學(xué)生還要忙于準(zhǔn)備研究生復(fù)試及找工作，能夠全身心投入畢業(yè)設(shè)計(jì)的時間有限。因此制定清晰明了的進(jìn)度計(jì)劃并嚴(yán)格執(zhí)行是保證畢業(yè)設(shè)計(jì)保質(zhì)保量完成的前提。針對不同課題的特點(diǎn)，由企業(yè)導(dǎo)師和學(xué)生共同制定切實(shí)可行的進(jìn)度計(jì)劃，圖2 為典型的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃橫道圖。學(xué)生根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃安排自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，同時每周提交任務(wù)清單及上周任務(wù)完成情況，企業(yè)導(dǎo)師和學(xué)校導(dǎo)師共同監(jiān)督任務(wù)完成情況，及時要求學(xué)生及時按進(jìn)度完成設(shè)計(jì)任務(wù)。除了日常溝通討論，學(xué)生每半月向企業(yè)導(dǎo)師當(dāng)面匯報畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)展，提出所面臨的問題并和企業(yè)導(dǎo)師討論解決。

圖2 畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃橫道圖

1.4.2 質(zhì)量控制

引入PDCA循環(huán)理論，對畢業(yè)設(shè)計(jì)全過程及每個任務(wù)的質(zhì)量進(jìn)行控制。PDCA（Plan-Do-Check-Act）循環(huán)是一個持續(xù)改進(jìn)模型，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的質(zhì)量管理活動［18］。對每個任務(wù)通過Plan（計(jì)劃）、Do（執(zhí)行）、Check（檢查）、Act（處理）4 個步驟不斷循環(huán)，直到質(zhì)量達(dá)標(biāo)。例如對于工藝流程計(jì)算任務(wù)，首先制定方案（Plan），企業(yè)導(dǎo)師提供設(shè)計(jì)輸入及產(chǎn)品要求，同時指導(dǎo)學(xué)生對模擬軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)。然后進(jìn)行模擬計(jì)算（Do），由學(xué)生獨(dú)立對流程進(jìn)行建模，輸入設(shè)定參數(shù)并進(jìn)行模擬計(jì)算，得到初步的計(jì)算結(jié)果。接著由企業(yè)導(dǎo)師對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢查（Check），看產(chǎn)品要求是否滿足，如果滿足則說明計(jì)算結(jié)果正確，進(jìn)入下一個設(shè)計(jì)任務(wù)，如果不滿足，則需要對模型、參數(shù)設(shè)定等進(jìn)行檢查，找出問題所在。最后由學(xué)生對模型進(jìn)行修正，并重新計(jì)算（Act），最終得到正確的計(jì)算結(jié)果。通過對整個畢業(yè)設(shè)計(jì)及分解任務(wù)進(jìn)行PDCA 循環(huán)，可以有效保證畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

1.4.3 設(shè)計(jì)對標(biāo)

所謂“對標(biāo)”是指對比標(biāo)桿找差距，進(jìn)而達(dá)到改進(jìn)提升的目的。在學(xué)生完成初步的設(shè)計(jì)文件后，和實(shí)際工程項(xiàng)目的最終設(shè)計(jì)文件進(jìn)行對標(biāo)，從而找到差距，然后針對這些差距和企業(yè)導(dǎo)師進(jìn)行討論并對設(shè)計(jì)文件進(jìn)行修改完善，提升設(shè)計(jì)文件的質(zhì)量。以“酸性水汽提系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，使用同樣的模擬軟件和設(shè)計(jì)輸入，學(xué)生計(jì)算的循環(huán)水用量和對標(biāo)設(shè)計(jì)文件不同，計(jì)算偏差超過了5%，因此需要對這個差距進(jìn)行分析。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在建立計(jì)算模型時，選用ELECNRTL 作為全局物性方法，但是針對純水系統(tǒng)的模擬，此物性方法計(jì)算結(jié)果會有偏差，因此需要將循環(huán)水冷卻器的循環(huán)水側(cè)物性方法改為STEAM-TA。對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)和對標(biāo)設(shè)計(jì)文件一致。通過設(shè)計(jì)對標(biāo)，可以使學(xué)生進(jìn)一步掌握工程設(shè)計(jì)的技巧，改進(jìn)設(shè)計(jì)文件質(zhì)量，提升學(xué)生的獲得感。

2 實(shí)踐效果

（1）提高學(xué)生的工程化及實(shí)戰(zhàn)化能力。基于工程項(xiàng)目開展畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生接觸到了實(shí)際的工程項(xiàng)目，工程設(shè)計(jì)能力及實(shí)踐能力得到了提升。學(xué)生不僅學(xué)會了很多專業(yè)的軟件（例如Aspen Plus，Auto CAD，HTRI等），熟悉了工程設(shè)計(jì)所需的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，還掌握了工程設(shè)計(jì)的流程及如何進(jìn)行工程計(jì)算，夯實(shí)了大學(xué)期間學(xué)習(xí)的知識，建立了初步的工程思維。同時分析問題，解決問題的能力也得到了提升。為今后的科研及工作打下了良好的基礎(chǔ)。

（2）開闊學(xué)生應(yīng)用視野，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生可以了解工程公司所開展的業(yè)務(wù)及執(zhí)行的項(xiàng)目，熟悉本領(lǐng)域的各種工藝技術(shù)。企業(yè)導(dǎo)師可以向?qū)W生展示項(xiàng)目中的現(xiàn)場圖片，使學(xué)生對工程項(xiàng)目有更加直觀的認(rèn)識。實(shí)際工程項(xiàng)目要想能夠順利地執(zhí)行，需要用到很多項(xiàng)目管理的工具。基于工程項(xiàng)目的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以使學(xué)生接觸并了解這些項(xiàng)目管理的知識，例如矩陣式管理、橫道圖進(jìn)度計(jì)劃、PDCA循環(huán)等，從而使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到提升。

（3）產(chǎn)教融合，企校“雙贏”。通過校企合作共同輔導(dǎo)本科生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，減輕了高校導(dǎo)師的工作負(fù)荷，提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為社會培養(yǎng)了高素質(zhì)的技術(shù)型人才。企業(yè)在承擔(dān)社會責(zé)任的同時，也可以分配一些設(shè)計(jì)工作給學(xué)生，降低企業(yè)導(dǎo)師的工作負(fù)荷，同時這種模式也為企業(yè)選拔人才提供了一種新的機(jī)制，使企業(yè)和高校形成“雙贏”的局面。

3 結(jié)語

針對化學(xué)化工專業(yè)的人才培養(yǎng)特點(diǎn)，采用校企聯(lián)合的方式共同指導(dǎo)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。該模式可以充分發(fā)揮高校導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師的優(yōu)勢，利用工程公司豐富的工程項(xiàng)目資源及高素質(zhì)的工程師隊(duì)伍，提高了學(xué)生的工程意識及實(shí)踐實(shí)戰(zhàn)能力，開拓了學(xué)生專業(yè)應(yīng)用視野，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)，取得了良好的效果。同時學(xué)校和企業(yè)的溝通得到了增強(qiáng)，雙方形成了“雙贏”的局面，共同為社會培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才。