張巧飛 高建飛 朱春山

(河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

面向新世紀(jì)化工類專業(yè)人才培養(yǎng)的迫切需求，“化工過程分析與合成”列入化學(xué)工程與工藝專業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心課程，同時也是列入我國《工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中的必修課程。為了更好地服務(wù)地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，向企業(yè)和社會輸送合格的工程類專業(yè)人才，依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)開展專業(yè)建設(shè)與改革已成為各大高校提升辦學(xué)質(zhì)量的主要舉措之一。因此，從2016年開始，河南工業(yè)大學(xué)將“化工過程分析與合成”列入2016級化工專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方案，安排在第6個學(xué)期，36學(xué)時，2018年筆者首次開設(shè)本門課程?；み^程分析與合成是將系統(tǒng)工程的思想、方法和策略用于解決化工過程系統(tǒng)中復(fù)雜的化學(xué)工程問題的課程，涉及化學(xué)工程、計算機(jī)技術(shù)、運(yùn)籌學(xué)、工程經(jīng)濟(jì)學(xué)和最優(yōu)化等理論。學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)，能運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法對化工過程系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析、模擬與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)化工過程系統(tǒng)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的各個層面達(dá)到單個或多個目標(biāo)的最優(yōu)化[1]。簡言之，這是一門將系統(tǒng)工程的思想、方法和策略用于解決化工過程系統(tǒng)中復(fù)雜化學(xué)工程問題的課程。

然而，筆者在進(jìn)行該課程教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的以教材為主導(dǎo)的教學(xué)模式存在理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，導(dǎo)致學(xué)生普遍認(rèn)為該課程理論性太強(qiáng)，數(shù)學(xué)要求較高，比較抽象，所學(xué)理論無法用于解決復(fù)雜工程問題。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師通常先復(fù)習(xí)課程需要的數(shù)學(xué)和化工基礎(chǔ)知識，然后講授單元設(shè)備模型的建立，最后逐漸過渡到復(fù)雜流程系統(tǒng)的分析、合成及優(yōu)化。這種教學(xué)模式雖然邏輯性強(qiáng)，卻無法充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性；而且該課程課時有限，講授過多理論知識會導(dǎo)致實(shí)踐性環(huán)節(jié)不足，進(jìn)而使得本課程在學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)中的作用得不到充分發(fā)揮。同時，該課程是以高等數(shù)學(xué)、化學(xué)、化工原理等相關(guān)基礎(chǔ)課與專業(yè)課為基礎(chǔ)，并且融合了系統(tǒng)工程、計算機(jī)模擬的知識，涉及大量學(xué)科交叉知識，大大增加了課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。因此，對實(shí)踐性較強(qiáng)的化工過程分析與合成課程進(jìn)行建設(shè)與改革至關(guān)重要。

1 OBE教學(xué)理念貫穿課程教學(xué)設(shè)計和教學(xué)過程

1.1 教學(xué)目標(biāo)具體化

在第二章講解過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法時，可在教學(xué)目標(biāo)設(shè)計中利用學(xué)生熟悉的Aspen Plus軟件，引導(dǎo)學(xué)生分析該軟件的起源、發(fā)展以及基本原理，提高學(xué)生查閱文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資料分析問題的能力。同時，教學(xué)目標(biāo)不應(yīng)局限于對專業(yè)基礎(chǔ)知識、應(yīng)用能力和分析能力進(jìn)行要求，還應(yīng)包括人文素養(yǎng)、專業(yè)興趣、終身學(xué)習(xí)能力等方面的培養(yǎng)。例如，過程系統(tǒng)的優(yōu)化和綜合問題離不開環(huán)保、節(jié)能、安全和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等各方面的綜合考慮，培養(yǎng)學(xué)生的人文社會科學(xué)素養(yǎng)、社會責(zé)任感，學(xué)生能夠在考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素的前提下，設(shè)計針對復(fù)雜工程問題的解決方案，并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責(zé)任。再比如第一章緒論中，加入課程思政元素，通過介紹過程工程學(xué)的發(fā)展史和國內(nèi)外化工發(fā)展現(xiàn)狀，引導(dǎo)學(xué)生搜索和了解民族化學(xué)家的偉大事跡和重要貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生為振興民族化工科技事業(yè)獻(xiàn)身的熱情。

1.2 針對教學(xué)目標(biāo)改進(jìn)教學(xué)方法

傳統(tǒng)的教師講授型教學(xué)模式，使得學(xué)生處于對化工過程分析與合成課程畏懼、無興趣的狀態(tài)，學(xué)習(xí)效果甚微。OBE理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，事實(shí)上，當(dāng)代大學(xué)生基本都在2000年以后出生，他們的成長伴隨著網(wǎng)絡(luò)的興起和普及。與授課教師成長期間以書本作為知識載體不同，信息的視頻化、碎片化以及從網(wǎng)絡(luò)獲取信息的強(qiáng)大能力使得當(dāng)代學(xué)生鉆研課本的能力下降，對文字類載體的專注力差、容易產(chǎn)生疲倦。因此，在將實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐以及前沿科技引入教學(xué)的時候，需要以信息技術(shù)為載體，并實(shí)施多元化教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深入探索和自主學(xué)習(xí)。以第四章化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化中人工智能模型為例，可以引入一系列有趣視頻來幫助學(xué)生理解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在過程系統(tǒng)性能模擬方面的獨(dú)特優(yōu)勢，擺脫書本的束縛，鼓勵學(xué)生自己通過網(wǎng)絡(luò)資源查找化工和生活中人工智能技術(shù)的應(yīng)用。

1.3 改革考核與評價模式

對于學(xué)習(xí)效果的評價絕不能僅僅局限于紙質(zhì)作業(yè)以及卷面考試。得益于學(xué)習(xí)通自動記錄學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)的優(yōu)勢，為了檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)成果是否達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，教師可以設(shè)計豐富的線上、線下教學(xué)環(huán)節(jié)滿足考核需求。首先加大平時成績在課程考核中所占的比重，除了紙質(zhì)課后作業(yè)和測試以外，增加小測驗、搶答、主題討論、分組任務(wù)等學(xué)習(xí)通線上互動環(huán)節(jié)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)作業(yè)、課堂互動、簽到、訪問數(shù)、討論等各模塊所占的總成績比例，通過多維度成績分配，實(shí)現(xiàn)過程性評價。當(dāng)然考核形式不限于教師評價給分，也可分組完成任務(wù)，小組之間互評。考試試卷部分針對教學(xué)目標(biāo)，增加科學(xué)前沿相關(guān)題目和具有提高性的工程應(yīng)用題，同時部分題目可以探究性題目為主，靈活給分。最后教師通過學(xué)情分析了解整個班級的作業(yè)完成度、平均分及簽到率等，統(tǒng)計計算各項分值和課程目標(biāo)達(dá)成度，對學(xué)生達(dá)成情況進(jìn)行分析評價，為持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)和思路。

2 教學(xué)內(nèi)容從“以教材”向“以工程案例”為中心轉(zhuǎn)變

化工過程分析與合成包括化工過程模擬與分析、過程優(yōu)化和過程綜合三個層次，以及各層次之間的集成分析，課程綜合性強(qiáng)、知識點(diǎn)多、知識面寬，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解起來較為困難。在教學(xué)過程中，過程分析、模擬、最優(yōu)化、分離序列等知識點(diǎn)必須輔以大量的工程案例進(jìn)行闡述。如果沒有工程案例作為背景知識，容易造成理論知識與工廠實(shí)際脫節(jié)的情況[2]。

因此，實(shí)現(xiàn)從“以教材為中心”向“以工程案例為中心”的轉(zhuǎn)變，可以營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生主動分析、積極思考和共同討論，認(rèn)識到課程的重要性；也可以通過案例教學(xué)，為學(xué)生提供接觸、了解實(shí)際工程項目的機(jī)會，提高師生互動質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)同感。按照“基本理論+工程案例”兩個環(huán)節(jié)，設(shè)計講授穩(wěn)態(tài)模擬、動態(tài)模擬、過程優(yōu)化、換熱網(wǎng)絡(luò)合成、分離序列綜合這五部分內(nèi)容。壓縮“基本理論”環(huán)節(jié)的講授學(xué)時，只講模擬與優(yōu)化的基本思路和理論；加強(qiáng)“工程案例”環(huán)節(jié)的學(xué)時，每部分內(nèi)容都引入1～2個工程實(shí)踐案例，以工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)際需求為導(dǎo)向，綜合運(yùn)用系統(tǒng)工程、數(shù)學(xué)建模、模擬軟件等方法和化工相關(guān)知識，將面臨的問題抽絲剝繭，提高學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)及解決實(shí)際問題的能力。例如，在講述化工過程的穩(wěn)態(tài)模擬時，先引出乙二醇和水分離的問題，然后討論熱力學(xué)模型的選取，再以閃蒸操作為例，講解物流模塊、閃蒸模塊、閃蒸方法以及熱平衡的建立，最后對完整的流程進(jìn)行模擬計算；在此基礎(chǔ)上，逐漸展開包含多個單元模塊的復(fù)雜流程的建立和模擬分析。

3 復(fù)合式教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程問題的能力

在教學(xué)中，采用線上線下混合式教學(xué)，運(yùn)用問題導(dǎo)向、啟發(fā)式、研討式和案例式的復(fù)合式教學(xué)模式，改變傳統(tǒng)教學(xué)中“我講你聽”的灌輸模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題等能力?；谡n程的教學(xué)大綱，編制合理的教學(xué)執(zhí)行大綱，對課程基本信息、預(yù)期學(xué)習(xí)成果、教學(xué)日歷，以及考核方式等內(nèi)容進(jìn)行具體、可執(zhí)行的設(shè)計，縮略圖如圖1。

圖1 化工過程分析與合成的教學(xué)執(zhí)行大綱縮略圖

針對課程學(xué)習(xí)難度大、課時較少的特點(diǎn)，理論教學(xué)分為線上、線下兩部分。授課教師利用超星學(xué)習(xí)通平臺建設(shè)網(wǎng)絡(luò)在線課程，上傳優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，拍攝重難點(diǎn)知識的慕課視頻，學(xué)生通過超星學(xué)生端可隨時進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和反復(fù)觀看，課前課后向?qū)W生發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)和練習(xí)題，檢驗學(xué)生慕課自學(xué)和教學(xué)后的學(xué)習(xí)效果，教師在管理端則可直觀分析學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)據(jù)，動態(tài)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；線下部分則是教師在課堂上根據(jù)學(xué)習(xí)通學(xué)情分析情況，著重講解學(xué)生難以理解或掌握的知識點(diǎn)，達(dá)到有的放矢，提高課堂效率。

在教學(xué)過程中，通過執(zhí)行大綱設(shè)計切實(shí)可行的教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容。例如，在講解“問題表法確定夾點(diǎn)”知識點(diǎn)時，采用Aspen Energy analyzer軟件，直觀演示不同最小傳熱溫差下的溫焓圖，引導(dǎo)學(xué)生對不同過程系統(tǒng)的最大熱回收、最小公用工程加熱和最小公用工程冷卻量進(jìn)行討論，啟發(fā)學(xué)生確定合理的最小傳熱溫差，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。在夾點(diǎn)法換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的教學(xué)過程中，考慮到線下課時有限，教師可通過線上慕課視頻進(jìn)行案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將夾點(diǎn)處物流匹配的可行性原則和經(jīng)驗性規(guī)則的理論知識用于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合過程，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力以及設(shè)計/開發(fā)方案的能力。

Aspen Plus流程模擬軟件加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。序貫?zāi)K法是Aspen用于模擬計算的主要方法，與化工過程分析與合成中所講授的理論基本一致[3]。然而在實(shí)際教學(xué)中，很多學(xué)生無法將序貫?zāi)K法理論和Aspen軟件有機(jī)結(jié)合起來解決流程模擬問題。應(yīng)用Aspen對復(fù)雜化工過程進(jìn)行模擬時，使用系統(tǒng)默認(rèn)的斷裂流股和初值往往會出現(xiàn)結(jié)果不收斂，需要用戶對斷裂流股和初值進(jìn)行調(diào)整，學(xué)生對這一塊內(nèi)容難以掌握；而在學(xué)習(xí)化工過程分析與合成時，由于缺乏實(shí)際演練，學(xué)生同樣對循環(huán)回路斷裂的學(xué)習(xí)停留在紙上談兵的層面。如果教師通過乙苯脫氫案例將二者有機(jī)結(jié)合起來，將序貫?zāi)K法理論和Aspen模擬進(jìn)行集成教學(xué)，會使得學(xué)生輕松掌握序貫?zāi)K法的理論及其在Aspen模擬中的實(shí)際應(yīng)用。在課程實(shí)踐教學(xué)過程中也可與Aspen Energy Analyzer關(guān)聯(lián)使用，在流程模擬的基礎(chǔ)上對過程系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)進(jìn)行分析[4]，講解最小傳熱溫差、冷熱組合曲線等概念，并提出換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案。如果課時有限，可以錄制微課視頻，方便學(xué)生課后自主模擬練習(xí)，加深認(rèn)識。將Aspen Plus流程模擬軟件應(yīng)用于教學(xué)中，不但可以加強(qiáng)學(xué)生模擬軟件的應(yīng)用能力，也可讓學(xué)生了解實(shí)際工程案例在軟件模擬和優(yōu)化中的應(yīng)用，使課程緊密聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際過程，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

設(shè)置工程大作業(yè)，理論結(jié)合實(shí)際。為了強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)實(shí)際與專業(yè)背景知識的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作與創(chuàng)新理念，給學(xué)生布置天然氣制甲醇精餾過程模擬與分析、甲醇提純過程模擬與分析、氯化石蠟廢酸利用等方向的分組任務(wù)。學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，自主選擇工程案例，通過調(diào)研文獻(xiàn)資料、確定工藝流程、過程軟件模擬與優(yōu)化、編輯撰寫研討論文、PPT制作及匯報等過程，提升學(xué)生的綜合能力。每個學(xué)生在小組中均有不同分工，同時啟動小組互評模式，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)印象更為深刻，而且有利于增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神、創(chuàng)新實(shí)踐能力和工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)語

對標(biāo)工程教育專業(yè)認(rèn)證，針對化工過程分析與合成課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)要求高、抽象，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題和復(fù)雜工程問題的能力較弱等問題，我們通過對本課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計、構(gòu)建及實(shí)施，提出注重工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的新型教學(xué)模式，全面推進(jìn)和深入課程的教學(xué)改革。在教學(xué)過程中，引入“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”的OBE教學(xué)理念，對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、課程考核方式和評價體系進(jìn)行教學(xué)設(shè)計；教學(xué)內(nèi)容從“以教材”為中心向“以工程案例”為中心轉(zhuǎn)變；編制切實(shí)可行的教學(xué)執(zhí)行大綱，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程平臺，實(shí)行線上線下混合式教學(xué)，設(shè)置工程大作業(yè)，應(yīng)用Aspen Plus流程模擬軟件進(jìn)行課程實(shí)踐教學(xué)，理論結(jié)合實(shí)際，復(fù)合式教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計/開發(fā)解決問題的能力。