代偉

[摘 要]本文將小設(shè)計教學訓練環(huán)節(jié)引入化工設(shè)計理論課教學中，“點”與“面”優(yōu)化組合，豐富了化工設(shè)計理論課的教學內(nèi)容和形式，從“紙上談兵”到“實戰(zhàn)訓練”，多層次加強學生對理論課知識點的掌握，提升了教學質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]小設(shè)計；化工設(shè)計；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）03-0043-03

“化”是化學反應(yīng)或化工單元操作，“工”是工藝或工程，“設(shè)計”是優(yōu)化組合，“化工設(shè)計”就是如何將一個化學反應(yīng)或化工單元操作與工藝或工程優(yōu)化組合。由于化工設(shè)計是一門理論性、綜合性、工程性相當專業(yè)的核心課[1]，因此它不僅要求學習者具備無機、分析、有機和物化等“四大化學”基礎(chǔ)知識，還需要掌握化工原理、反應(yīng)工程、化工制圖和化工儀表等化工專業(yè)知識?！爸v述”+“聽課”是傳統(tǒng)的化工設(shè)計課堂教學模式，工藝流程設(shè)計、設(shè)備選型、車間布置、物料衡算、能量衡算和經(jīng)濟分析等相對枯燥和抽象的內(nèi)容很容易導致學生厭學、難學、不學。另外，現(xiàn)代化工程設(shè)計軟件的崛起也促進了化工設(shè)計課程教學改革進程，以往需要幾個月才能完成的工藝流程繪制和物料衡算內(nèi)容，現(xiàn)在借助ASPEN和ChemCAD等專用軟件很快就能搞清楚?；谏鲜鰡栴}，若要真正地掌握化工生產(chǎn)工藝及設(shè)備的設(shè)計，使學生具備化工工程師的基本素養(yǎng)，學生需要自主參與化工生產(chǎn)裝置的設(shè)計工作，親歷設(shè)計過程，為此我們將原有48個學時的課程進行拆分，28個學時用于講授，其余20個學時用于小設(shè)計環(huán)節(jié)，針對精餾、吸收、萃取、干燥和化學反應(yīng)等三傳一反單元過程，優(yōu)選典型真實化工企業(yè)的生產(chǎn)工藝小設(shè)計為題目，同時增加相應(yīng)的計算機仿真工具軟件的內(nèi)容，讓學生解決化工過程設(shè)計和操作過程的模擬分析及優(yōu)化等問題，進而真正實現(xiàn)從“紙上談兵”到“實戰(zhàn)訓練”。

一、小設(shè)計引入的必要性

化工設(shè)計這門課涉及的單元反應(yīng)操作較多、內(nèi)容繁雜、反應(yīng)原理較難、公式多、計算煩瑣，學生學習起來相對比較枯燥、抽象、吃力，較容易導致學生產(chǎn)生厭學的情緒，單方面的理論講解難以使學生產(chǎn)生全面且深刻的理解，必須借助于實踐才能激發(fā)學生的學習興趣并真正掌握相關(guān)理論知識。比如對于比較繁雜的工藝和設(shè)備設(shè)計，在課堂教學過程中將傳統(tǒng)的平鋪直敘的講解改為從實驗工藝流程中改錯。例如我們小設(shè)計環(huán)節(jié)的一個“反應(yīng)精餾提純”的題目，板式塔裝置中特別預置多處違反規(guī)定的設(shè)計，如進料塔板流量控制、加熱蒸汽含量自動控制、關(guān)鍵溫度和壓力控制點、循環(huán)冷卻水的流向、殘液排放等多處設(shè)計違規(guī)處，并將此流程展示討論，引導學生指出且改正錯誤，以培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。小設(shè)計環(huán)節(jié)有助于培養(yǎng)學生發(fā)揮自我創(chuàng)新及思考能力，培養(yǎng)和訓練學生良好的設(shè)計思路。在糾正設(shè)計的訓練中，提升學生優(yōu)秀的化工設(shè)計規(guī)范，運用提出問題、分析問題、討論問題的“教—學”模式，既可使設(shè)計教學變得生動有趣，又可以提高學生分析、解決實際工程問題的能力。高素養(yǎng)的化學化工專業(yè)高級人才必須具備和重視化工設(shè)計的課程學習和知識儲備，因此具體教學過程必須包括理論和實踐教學兩個核心模塊。例如我們將丙烯酸半實物虛擬仿真工廠設(shè)計引入小設(shè)計環(huán)節(jié)，結(jié)合生產(chǎn)實踐和軟件仿真模擬進行優(yōu)化設(shè)計，這種運用啟發(fā)式教學模式和學生自主探究式的“教—學”模式，有助于增強學生開展自主學習和解決實際工程技術(shù)難題的目的。這是培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力、競爭能力和提高學生綜合素質(zhì)的有效途徑。

目前，常規(guī)的化工設(shè)計課程的主要教學難題是教師傳統(tǒng)授課，機械單一化地逐一講解化工設(shè)計的理論和內(nèi)容，鑒于學生缺乏相應(yīng)的企業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，不能對所學的理論知識有一個比較全面的理解與認知?；すこ淘O(shè)計的理性知識體系受到影響，缺乏系統(tǒng)積累。被動學習和負荷加重導致學生在學習過程中既痛苦又缺乏創(chuàng)新能力。大多數(shù)高校相關(guān)專業(yè)均采取下企業(yè)見習與實習的方式來解決上述系列的問題。通過工廠見習和實習，學生可以初步認知各種化工單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工藝流程、自動控制體系、閥門及管道的類型、大小和功能等。通過實習建立對工藝和設(shè)備的感性認知，可使學生有一個完整的、真實的化工工程設(shè)計的概念。但僅僅依靠下企業(yè)實習的教學實踐存在嚴重的問題：一是在化工廠，學生的實習教學只許看不許動，因此達不到實踐工程教學訓練的效果；二是工廠設(shè)備大型化、系統(tǒng)化、工程化、自動化水平較高，學生只能觀察裝置外貌，不可能徹底理解設(shè)備運行原理。對于如何確定原料路線、設(shè)備選型、工藝論證等設(shè)計內(nèi)容，不僅需要學生有扎實的工程實踐基礎(chǔ)，而且還需要在長期工作中積累豐富的化工生產(chǎn)和設(shè)計經(jīng)驗。單單教科書式培養(yǎng)的大學生，不僅無法成為高級應(yīng)用技能型人才，而且也無法達到“到崗即用”企業(yè)要求。據(jù)統(tǒng)計，我國每年有超過3萬多項科技成果，但是真正產(chǎn)業(yè)化并取得一定經(jīng)濟效益的只有不到5 %[2][3]。因此我們需要對化工設(shè)計課程進行教學改革，加快提升學生綜合實踐設(shè)計能力，與時俱進的適應(yīng)企業(yè)需求，提升社會服務(wù)的能力 [4][5]。

二、小設(shè)計改革探索

筆者從事化工設(shè)計授課10年來，所教應(yīng)用化學專業(yè)學生多次在浙江省和全國大學生化工設(shè)計競賽中獲獎。例如在題目為“針對某一含硫工業(yè)廢氣源設(shè)計一套深度脫硫并予以資源化利用的裝置”的2017年第十一屆全國大學生化工設(shè)計競賽全國總決賽中，我們的學生運用“虛-實”組合技術(shù)的作品“年產(chǎn)3500t?；撬犴椖俊鲍@得了全國賽一等獎的好成績。我們的經(jīng)驗就是與時俱進修訂教學大綱和教學計劃，優(yōu)化教學環(huán)節(jié)，探索小設(shè)計實踐環(huán)節(jié)的全新教學模式，引導學生積極主動地參與課程學習和樹立創(chuàng)新意識，進而提升教學質(zhì)量。具體措施包括：

（一）理論設(shè)計知識蓄積

化工設(shè)計教學大綱規(guī)定講授的主要內(nèi)容有工藝論證設(shè)計、物料和能量衡算、設(shè)備選型設(shè)計、車間布置設(shè)計、經(jīng)濟分析等部分。每一個部分所涵蓋的知識點繁多，需要凝練核心問題，強化設(shè)計理念才能達到提高學生認知體系的目的。例如我們在乙酸乙酯工廠小設(shè)計環(huán)節(jié)，首先給出多個反應(yīng)方程式，提出如何將化學反應(yīng)方程變成工藝流程的問題，讓學生查閱資料，自行進行工藝選擇論證，并繪制工藝流程方框流程圖，然后進行物料衡算和能量衡算，根據(jù)計算結(jié)果進行設(shè)備選型，避免出現(xiàn)“小馬拉大車”和“大馬拉小車”的問題。我們將可行性研究報告簡化成市場、技術(shù)、經(jīng)濟三方面內(nèi)容，這使學生容易掌握可行性報告寫作的要求和任務(wù)。

（二）實踐知識蓄積

以認知實習和生產(chǎn)實踐來實現(xiàn)實踐知識蓄積。企業(yè)生產(chǎn)車間教學目的是使基礎(chǔ)理論形象化、可視化、具體化，提高學生的感性認識。面對真實的生產(chǎn)工藝，學生在教師指導下可直觀、有針對性地掌握工藝特點、設(shè)備功能、車間設(shè)計原則等實際內(nèi)容，更深刻掌握單元設(shè)備的特點、幾何方位、工藝對接、自動控制等。采用現(xiàn)場答疑方式立刻解決學生的疑惑，真實的實踐知識積累使學生建立起一個完整的、詳細、可靠、真實的工程設(shè)計知識體系。由于化工廠對安全及技術(shù)秘密的慎重考慮，不允許學生上生產(chǎn)線操作，因此，“只看不動”的實習模式也很難完成對化工設(shè)計知識點的全面掌握[6]。與此同時，各院校對于不斷增長的實習費用也難以承受，企業(yè)實習時間一再壓縮?？梢?，單一的企業(yè)實習實踐模式教學還不能滿足化工設(shè)計理論課的傳授。

（三）軟件知識蓄積

現(xiàn)代設(shè)計手段主要依賴軟件仿真。仿真技術(shù)（數(shù)字仿真和物理仿真）是一門現(xiàn)在和未來必備的應(yīng)用技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗。數(shù)字仿真能夠數(shù)值化地描述真實物體或體系規(guī)律的相似性。仿真教學依托計算機、網(wǎng)絡(luò)和多媒體，人為打造了虛擬環(huán)境，運用數(shù)學模型實時運行軟硬件，通過數(shù)字仿真的動態(tài)特性模型實驗為真實體系分析和設(shè)計提供有效且經(jīng)濟的展示技術(shù)，具體到化工設(shè)計過程仿真，其實就是利用仿真機構(gòu)建一個與真實體系相似的化工廠，模擬生產(chǎn)裝置及生產(chǎn)操作，展示生產(chǎn)過程實時動態(tài)，使學生處在一個非常逼真的體驗環(huán)境中，最終取得較好的教學效果。資料表明，仿真培訓尤其是半實物虛擬仿真培訓可以使初學者在數(shù)周之內(nèi)取得現(xiàn)場2～5年的實踐經(jīng)驗[4]。根據(jù)國家對虛擬仿真實驗室建設(shè)的進一步加強，仿真技術(shù)在化工設(shè)計教學方面將被廣泛應(yīng)用。因此，軟件化工設(shè)計知識積累會使學生對化工生產(chǎn)的不同生產(chǎn)單元有一個更加全面、具體的認識，從而達到具有針對性和側(cè)重性地組織實習教學的效果。

（四）更新傳統(tǒng)教學

加強傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學改革的優(yōu)化組合，運用“啟發(fā)性小設(shè)計”和“探究小設(shè)計”教學方法，收集、分析企業(yè)實習的工程問題，經(jīng)過不斷地分析與討論，使學生在理性方面加以認識。在教師的指導下，學生必須要能熟悉查閱文獻資料、國家最新工程技術(shù)標準，會正確選用經(jīng)驗公式及處理數(shù)據(jù)，自行命題“工藝小設(shè)計”問題，分組討論及答辯，展示自己創(chuàng)新和演講能力。傳統(tǒng)授課與“小設(shè)計”教學的差異見表1。

學生獨立或者組成團隊完成工藝的設(shè)計，在很大程度上可以培養(yǎng)學生的合作和個人“實戰(zhàn)”能力?！靶≡O(shè)計”課題的選定由教師和企業(yè)技術(shù)人員擬定，結(jié)合生產(chǎn)實際和化工設(shè)計教學大綱要求，主要來源有以下三方面：（1）來源于企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)裝置技術(shù)難題；（2）來源于校企合作科研項目；（3）來源于小設(shè)計訓練題庫。完成小設(shè)計后，由教師和企業(yè)技術(shù)人員組成小設(shè)計匯報評審答辯小組進行設(shè)計成果的審定工作，給出設(shè)計成績，指出錯誤，督促作品整改。

三、推進創(chuàng)新教學模式

經(jīng)過一段時間的“小設(shè)計”實踐教學改革嘗試，全新的小設(shè)計教學創(chuàng)新模式教學效果主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）學生學習的積極主動性大幅度提升，開闊了學生的視野，激發(fā)了學生學習熱情；（2）提升了大學生應(yīng)用技能實用性，就業(yè)率和就業(yè)質(zhì)量逐年改善；（3）促進了教師與工程師角色互換，促進了 “雙師型”教師隊伍建設(shè)；（4）建立了支撐課程的“產(chǎn)-學-研”實習實踐基地，提升了高校教師的教學和科研能力，同時使學生完成了從“學生”到“工程師”的轉(zhuǎn)變過渡，使學生鞏固了基礎(chǔ)理論知識、基本操作技能和知識，更加系統(tǒng)化、綜合化。因而，這樣能真正使化工設(shè)計理論課教學深入融合于學生的素質(zhì)教育和職業(yè)教育中。

四、結(jié)論

運用化工設(shè)計的課堂教學與小設(shè)計實踐訓練優(yōu)化組合，不僅能提高學生綜合運用所學的理論基礎(chǔ)知識來解決實際工程問題的能力，而且又能通過小設(shè)計真正領(lǐng)會和掌握設(shè)計工作的要求和方法。小設(shè)計的引入提高了學生學習枯燥理論課的興致，反過來又提高了教學效率和質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張浩勤，章亞東，陳衛(wèi)航.化工過程開發(fā)與設(shè)計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：7.

[2] 吳重光.化工仿真實習指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999：5.

[3] 趙剛.化工仿真實訓指導[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999：7.

[4] 方利國.化工系統(tǒng)工程教學改革及探索[J].化工高等教育，1995（2）：56-58.

[5] 孫小琴.基于理論與實踐一體化導向的化工教學設(shè)計探析[J].化學教育，2015（10）：61-64.

[6] 李寧.石油化工設(shè)計課程的教學改革實踐與探索[J].高師理科學刊，2010（6）：106-107.

[責任編輯：鐘 嵐]