化工過程設(shè)計課程的設(shè)計和教學實踐

徐建　黃星亮　孟祥海　杜巍　劉昌見

［摘 要］工程設(shè)計能力以及解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)是化工類專業(yè)培養(yǎng)目標的重點，也是工程教育認證通用標準的基本要求。實踐教學是學生工程設(shè)計能力培養(yǎng)的重要途徑，化工過程設(shè)計課程作為中國石油大學（北京）化工類專業(yè)培養(yǎng)學生工程設(shè)計能力的實踐類課程，在整個工程設(shè)計能力培養(yǎng)體系中占有重要地位。文章按照成果導向教育（OBE）的理念，在明確課程對畢業(yè)要求指標點支撐作用的基礎(chǔ)上，對課程目標進行了設(shè)計；按照“突出重點、強化綜合能力培養(yǎng)”的原則，確定了課程內(nèi)容和相應(yīng)的課程評價方法；詳細介紹了中國石油大學（北京）化工過程設(shè)計課程的教學設(shè)計和實施過程，并對教學實踐中的一些經(jīng)驗和體會進行了總結(jié)。

［關(guān)鍵詞］化工過程設(shè)計；工程設(shè)計能力；課程設(shè)計；教學實踐

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）08-0072-03

化工類專業(yè)的培養(yǎng)目標中特別強調(diào)要培養(yǎng)學生的工程設(shè)計能力、解決復雜工程問題的能力，這也是工程教育認證通用標準的基本要求。如何提高化工專業(yè)學生的工程設(shè)計能力、培養(yǎng)出高素質(zhì)的化工設(shè)計人才以滿足我國化工行業(yè)發(fā)展的需求，是化工類專業(yè)高等教育急需解決的關(guān)鍵問題[1]。中國石油大學（北京）在化工類專業(yè)學生工程設(shè)計能力的培養(yǎng)模式、課程體系建設(shè)等方面進行了積極的研究和探索，頂層設(shè)計了由設(shè)計基礎(chǔ)、方案設(shè)計、設(shè)備設(shè)計、工藝設(shè)計和化工綜合設(shè)計5個模塊組成的課程培養(yǎng)體系，將學生的工程設(shè)計能力培養(yǎng)貫穿于大學四年的理論課程和實踐教學環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了工程設(shè)計能力培養(yǎng)的四年不斷線[2]。

實踐教學是培養(yǎng)學生工程意識和工程設(shè)計能力的重要載體和必要環(huán)節(jié)[3-4]。為此，中國石油大學（北京）對化工設(shè)計類課程進行了規(guī)劃，在大三上學期設(shè)置化工設(shè)計概論課程，講授化工設(shè)計的基本理論知識；在大三下學期設(shè)置化工用能評價和化工應(yīng)用軟件課程，分別講授化工過程的能量分析與優(yōu)化方法、化工過程的流程模擬方法，在上述理論課程的基礎(chǔ)上設(shè)置了64個學時的實踐類化工過程設(shè)計課程。該課程設(shè)置在大四上學期，其總體目標是在前三年設(shè)計基礎(chǔ)類、方案設(shè)計類和設(shè)備設(shè)計類課程學習的基礎(chǔ)上，通過一個具體的工藝設(shè)計項目，鍛煉學生對專業(yè)知識的實際應(yīng)用能力，培養(yǎng)學生的工程設(shè)計理念、化工工藝流程設(shè)計能力、計算機輔助設(shè)計能力、工藝流程圖的繪制與設(shè)計能力，以及對化工類復雜問題的分析與解決能力。在多年的教學實踐中，化工過程設(shè)計教學團隊按照工程教育專業(yè)認證成果導向教育（OBE）的理念進行教學設(shè)計和教學實施，對課程內(nèi)容和評價方法進行了持續(xù)的優(yōu)化調(diào)整。本文介紹了中國石油大學（北京）開設(shè)的實踐類化工過程設(shè)計課程的課程目標、課程內(nèi)容和評價方法，并對教學團隊在教學實踐中的一些經(jīng)驗和體會進行了總結(jié)。

一、化工過程設(shè)計的課程目標

工程教育專業(yè)認證通用標準給出了12條畢業(yè)要求，這12條畢業(yè)要求涵蓋了當代工程師所需的能力集合。能力不僅僅局限于專業(yè)能力，還包括當今社會需求更迫切的通用能力和素養(yǎng)[5]。化工過程設(shè)計課程作為一門綜合性的實踐類課程，對學生畢業(yè)要求的達成起著重要的支撐作用。因此，化工過程設(shè)計的課程目標不應(yīng)該僅僅局限于對學生工程設(shè)計能力的訓練，而應(yīng)該是對學生在提出問題和解決方案、使用現(xiàn)代工具、團隊交流與合作、溝通與交流以及終身學習等方面能力的綜合培養(yǎng)。

因此，在明確專業(yè)培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求和畢業(yè)要求指標點的基礎(chǔ)上，該校根據(jù)課程對畢業(yè)要求指標點的支撐，對課程目標進行了設(shè)計。具體來說，化工過程設(shè)計的課程目標是通過一個具體的工藝設(shè)計項目，使學生具備以下能力：一是能夠依據(jù)項目設(shè)計任務(wù)和文獻調(diào)研結(jié)果，綜合分析工藝技術(shù)路線的特點，結(jié)合安全、環(huán)保和經(jīng)濟等因素評估和選擇工藝技術(shù)，構(gòu)建合理的化工工藝流程；二是有能力利用Aspen Plus流程模擬軟件，對構(gòu)建的工藝流程進行模擬計算，進一步完善和優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化設(shè)備的工藝參數(shù)，能夠用口頭報告的方式呈現(xiàn)設(shè)計結(jié)果；三是有能力對流程模擬及優(yōu)化結(jié)果進行分析總結(jié)，用文本規(guī)范地呈現(xiàn)設(shè)計結(jié)果；四是能夠利用AutoCAD軟件規(guī)范繪制工藝物料流程圖（PFD圖）和管道及儀表流程圖（PID圖），并對工藝設(shè)備設(shè)計出合理的控制方案；五是具有團隊意識，能夠與團隊成員進行有效溝通和相互協(xié)作；六是有能力根據(jù)目標任務(wù)開展文獻調(diào)研，獲得所需的專業(yè)知識，理解化工產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)，進行技術(shù)方案比較；七是有能力提出涉及化工技術(shù)經(jīng)濟、副產(chǎn)品綜合加工處理、“三廢”處理和安全等方面的問題，并能通過撰寫項目建議書和設(shè)計說明書提高凝練綜述的能力。

二、化工過程設(shè)計的課程內(nèi)容

化工過程設(shè)計課程具有綜合性強、涉及知識面廣、設(shè)計內(nèi)容眾多、需要多個專業(yè)配合等特點[6]，因此，如何在有限的課時內(nèi)合理安排課程內(nèi)容，做到既能突出課程的重點，又能實現(xiàn)課程目標中對知識和綜合能力培養(yǎng)的要求，就成為課程內(nèi)容設(shè)計的關(guān)鍵。為此，教學團隊按照“突出重點、強化綜合能力培養(yǎng)”的原則，抓住化工工藝過程設(shè)計的主線，確定了5個部分的課程內(nèi)容：一是根據(jù)設(shè)計任務(wù)，通過查文獻，確定工藝路線和生產(chǎn)方法，撰寫項目建議書；二是做出較為規(guī)范的手繪工藝流程簡圖；三是采用Aspen Plus軟件，對所選定的工藝過程進行流程模擬與設(shè)備參數(shù)優(yōu)化，制作出設(shè)備的工藝參數(shù)、物料和能耗一覽表；四是做出全流程的PFD圖和部分流程的PID圖；五是撰寫工藝流程設(shè)計說明書。在完成上述5個部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，鼓勵學生進行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計等方面的設(shè)計工作。

第一部分是項目建議書的撰寫。教師給學生下達的設(shè)計任務(wù)書中，只規(guī)定所設(shè)計化工過程的原料和產(chǎn)品，而不指定具體的生產(chǎn)工藝。需要學生通過文獻研究，了解各種可行的技術(shù)方案，通過對不同技術(shù)方案在原料的有效利用率、工藝技術(shù)的先進性和可靠性以及生產(chǎn)過程的清潔性和安全性等方面進行對比分析，選擇或構(gòu)建合適的工藝路線。此外，在項目建議書階段，學生還需要確定項目的建設(shè)規(guī)模，原料的供應(yīng)情況，產(chǎn)品的主要用途、市場需求和質(zhì)量標準，廠址選擇與建廠條件，并進行工藝過程的安全環(huán)保分析以及經(jīng)濟潛力和社會效益的分析等。通過項目建議書的撰寫，鍛煉學生依據(jù)文獻研究結(jié)果，綜合分析工藝技術(shù)路線的特點，結(jié)合安全、環(huán)保、經(jīng)濟等因素，評估、選擇和構(gòu)建合理的化工工藝流程的能力。同時，培養(yǎng)和鍛煉學生用文本方式準確表達和交流的能力，以及終身學習的能力。

第二部分是在項目建議書已確定工藝路線的基礎(chǔ)上，繪出工藝流程簡圖。要求學生按照規(guī)范繪出物料由原料轉(zhuǎn)變?yōu)槌善返穆肪€、流向順序以及采用的各種工藝過程及設(shè)備。通過工藝流程簡圖的繪制，幫助學生完成從相對較為簡單抽象的工藝流程圖向由實現(xiàn)工藝過程的具體操作單元組成的工藝流程圖的轉(zhuǎn)變，為下一步借助Aspen Plus軟件進行物料衡算和能量衡算做準備。

第三部分是流程模擬。要求學生采用Aspen Plus流程模擬軟件，對所構(gòu)建的工藝過程進行全流程的模擬，并在模擬計算的基礎(chǔ)上進一步完善和優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)備如反應(yīng)器、分離設(shè)備等的工藝參數(shù)。在流程模擬中，強調(diào)選擇合理的原料組成、適用的熱力學方法和合適的單元操作模塊，以實現(xiàn)流程模擬的準確性。為培養(yǎng)和鍛煉學生的口頭表達能力，流程模擬部分還設(shè)置了答辯環(huán)節(jié)。

第四部分是繪制PDF圖和PID圖。要求學生在Aspen Plus流程模擬的基礎(chǔ)上，利用AutoCAD軟件以圖形與表格相結(jié)合的形式，規(guī)范呈現(xiàn)物料衡算和熱量衡算的結(jié)果，并對工藝設(shè)備設(shè)計出合理的控制方案，繪出PID圖。

第五部分是工藝流程設(shè)計說明書的撰寫。要求學生以文本方式呈現(xiàn)整個設(shè)計內(nèi)容的總結(jié)，要求除了簡要介紹設(shè)計項目的生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品種類和質(zhì)量要求以及技術(shù)方案的對比和選擇外，重點總結(jié)所設(shè)計的工藝過程的流程模擬情況，包括：（1）根據(jù)文獻研究所確定的原料的組成、反應(yīng)單元的操作條件和產(chǎn)物分布以及目標產(chǎn)品和副產(chǎn)品的物理化學性質(zhì)；（2）通過流程模擬，確定工藝流程中各個單元的工藝參數(shù)和物料表；（3）關(guān)鍵設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化；（4）工藝流程的優(yōu)化、熱交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計或設(shè)備設(shè)計。盡管工藝流程設(shè)計說明書從內(nèi)容和深度上與初步設(shè)計說明書還有相當大的距離，但通過工藝流程設(shè)計說明書的撰寫，可以讓學生對自己的設(shè)計工作進行總結(jié)，并用規(guī)范的文本呈現(xiàn)出來，不僅有助于學生高質(zhì)量地完成設(shè)計工作，也鍛煉和培養(yǎng)了學生的溝通和交流能力。

三、課程評價方法

作為一門實踐類的課程，化工過程設(shè)計課程主要采用以學生設(shè)計訓練為主、教師講授為輔的教學方法，每周在計算機教室安排一個下午（4個學時）的時間開展集中設(shè)計，教師對學生在設(shè)計過程中遇到的問題進行講解與答疑。在課程的組織上，學生分組進行設(shè)計工作，不同小組的設(shè)計題目不同。每個設(shè)計小組由3～5名學生組成，每4～6個設(shè)計小組配備1名指導教師。為了保證學生獨立完成設(shè)計任務(wù)，同一組學生的設(shè)計題目涉及的原料和產(chǎn)品相同，但要求每名學生的設(shè)計規(guī)模不同，并鼓勵他們采用不同的工藝路線。此外，為鼓勵學生之間團結(jié)協(xié)作和交流，允許同組學生討論、交流，但每名學生必須深度參與并獨立完成課程要求的全部設(shè)計內(nèi)容。

為了提高學生的學習積極性，保證學生設(shè)計作品的質(zhì)量，教學團隊將課程的成績構(gòu)成分為7個部分（見表1），并通過自編的化工過程設(shè)計指導書規(guī)定了每一部分的具體評分標準。從表1可以看出，課程的成績構(gòu)成實現(xiàn)了課程目標和課程內(nèi)容的完全覆蓋，在分數(shù)占比上也體現(xiàn)了課程的重點和主次。其中，工藝流程模擬是工藝過程設(shè)計的關(guān)鍵，對學生來說也是難度最大和最有挑戰(zhàn)性的部分。特別是為了向?qū)W生傳達經(jīng)濟性的理念，要求設(shè)計中必須考慮物料的充分利用，在所設(shè)計的流程中必須設(shè)置至少一個循環(huán)物流，更增加了流程模擬的難度，因此這部分的成績占比最大。此外，為鼓勵學生運用所學知識對工藝過程進行優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新，還設(shè)置了加分項，最高加5分。加分的項目包括對換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化設(shè)計、對關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計有創(chuàng)新以及對工藝路線的設(shè)計有創(chuàng)新等。

表1 化工過程設(shè)計課程的成績構(gòu)成

[序號 項目 分數(shù)占比/% 1 項目建議書 15 2 手繪工藝流程簡圖 ? 5 3 Aspen Plus工藝流程模擬 30 4 工藝流程設(shè)計說明書 20 5 PFD圖 15 6 PID圖 10 7 團隊合作 ? 5 合計 100? ]

教學團隊對各部分的成績采取了不同的評定方法，Aspen Plus工藝流程模擬部分采用口頭答辯的方式，由答辯評委給出成績；團隊合作部分根據(jù)學生在小組內(nèi)的表現(xiàn)，通過學生互評、指導教師評定的方式打分；而項目建議書、手繪工藝流程簡圖、工藝流程設(shè)計說明書、PFD圖和PID圖部分則要求學生提交相應(yīng)的文字和繪圖作品，由指導教師根據(jù)課程指導書中規(guī)定的評分標準評分。

四、教學實踐總結(jié)

在持續(xù)的教學實踐中，教學團隊對課程的教學內(nèi)容、教學方法和評價方法進行了不斷調(diào)整和改進。

（一）組建成員穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理的教師隊伍

該校的化學工程與工藝、能源化學工程2個本科專業(yè)共有7個班，約200名學生，其化工過程設(shè)計課程的教學任務(wù)由8位教師承擔。每位教師負責指導20～30名學生（每組學生分為4～6個小組）的設(shè)計教學工作。除本課程外，每位教師至少承擔一門化工設(shè)計類理論課程，如化工設(shè)計概論、合成燃料化工設(shè)計、化工應(yīng)用軟件、化工用能評價等，保證了課程的延續(xù)性。由這8位指導教師組成的化工設(shè)計教學團隊定期和不定期地開展教學研討活動，保證了課程的順利開展和持續(xù)改進。

此外，為解決高校青年教師普遍存在的工程設(shè)計經(jīng)驗缺乏與工程設(shè)計能力不足的問題，教學團隊在學校培養(yǎng)和激勵青年教師工程設(shè)計能力的頂層設(shè)計引導下，采取定期邀請企業(yè)設(shè)計專家來校講課或講座、多與生產(chǎn)企業(yè)和工程設(shè)計單位交流、團隊教師在教學與學生指導過程中互相學習、發(fā)揮教學團隊“傳幫帶”作用等措施，較好地促進了化工過程設(shè)計課程指導教師工程設(shè)計能力的快速提升[7]。

（二）建立豐富的設(shè)計題庫

指導教師團隊通過廣泛調(diào)研與文獻查閱，不斷豐富課程的設(shè)計題目，建立了包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇的生產(chǎn)與利用，乙烯和丙烯的生產(chǎn)與利用，天然氣的生產(chǎn)與利用，碳四烴的生產(chǎn)與利用，輕芳烴的生產(chǎn)與利用，小分子有機酸的生產(chǎn)與利用，生物質(zhì)的化工利用和煤的化工利用等方面與工程相關(guān)的課程設(shè)計題目，題目總數(shù)達160多個，保證該校化工類專業(yè)本科生3年內(nèi)的化工過程設(shè)計題目不重復。

（三）加強過程監(jiān)控，提高課程質(zhì)量

為了更好地督促學生高質(zhì)量地完成設(shè)計任務(wù)，教學團隊對整個設(shè)計任務(wù)進行了分解，要求學生按照時間節(jié)點分階段完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)，指導教師隨時進行檢查和督促。如在第4周末完成項目建議書的撰寫，在第5周末完成手繪工藝流程簡圖，在第12周末完成流程模擬與優(yōu)化，在第15周末完成PFD圖和PID圖的繪制，在第18周末完成工藝流程設(shè)計說明書。為保證設(shè)計工作的質(zhì)量，化工設(shè)計教學團隊編寫了化工過程設(shè)計指導書，對于每一部分設(shè)計任務(wù)需要完成的內(nèi)容和要求進行了詳細說明。

特別是對于在整個設(shè)計工作中起著關(guān)鍵作用的流程模擬部分，教學團隊設(shè)置了答辯環(huán)節(jié)，要求學生對自己設(shè)計的工藝流程、采用的模擬方法和得到的模擬結(jié)果進行介紹，并回答答辯評委的提問。答辯評委由指導教師和設(shè)計院專家組成，對學生的流程模擬工作進行點評和指導，并根據(jù)具體的評分標準給每名學生打分，打分成績作為流程模擬部分的成績計入總成績。答辯成績不合格（低于16分）的學生需要參加第二次答辯。答辯環(huán)節(jié)的設(shè)置，不僅提高了學生參與設(shè)計任務(wù)的積極性，還提高了學生設(shè)計作品的質(zhì)量。

五、結(jié)語

化工設(shè)計實踐類課程對于培養(yǎng)學生的工程設(shè)計能力和解決復雜工程問題的能力起著十分重要的作用。本文詳細介紹了化工過程設(shè)計課程的教學設(shè)計、實施過程和經(jīng)驗體會，以期為提高化工設(shè)計實踐類課程的教學質(zhì)量提供借鑒。

［ 參 考 文 獻 ］

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[2] 孟祥海，黃星亮，朱建華，等.化工類專業(yè)本科生工程設(shè)計能力培養(yǎng)的思考與實踐[J].化工高等教育，2021，38（2）：51-56.

[3] 孫偉民.以實踐教學為載體? 培養(yǎng)學生的工程意識和工程設(shè)計能力[J].中國高等教育，2006（9）：46-47．

[4] 孟祥海，周亞松，藍興英，等.工科專業(yè)大學生工程能力培養(yǎng)探索與實踐[J].石油教育，2015（5）：51-54.

[5] 趙玉娟，鄭麗萍.工程教育專業(yè)認證背景下課程目標設(shè)置的思考與研究[J].教育教學論壇，2020（40）：180-181.

[6] 李國庭，劉在彤. “化工過程設(shè)計”課程學習技巧[J].教育現(xiàn)代化， 2018，5（40）：267-270.

[7] 孟祥海，黃星亮，徐建，等. 化工類專業(yè)青年教師工程設(shè)計能力的培養(yǎng)[J].教育教學論壇，2018（14）：73-75.

［責任編輯：黃緊德］