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(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的迫切需求，“化工過(guò)程分析與合成”列入化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心課程，同時(shí)也是列入我國(guó)《工程專(zhuān)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(huì)輸送合格的工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才，依據(jù)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展專(zhuān)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(kāi)始，河南工業(yè)大學(xué)將“化工過(guò)程分析與合成”列入2016級(jí)化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方案，安排在第6個(gè)學(xué)期，36學(xué)時(shí)，2018年筆者首次開(kāi)設(shè)本門(mén)課程?；み^(guò)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(guò)程系統(tǒng)中復(fù)雜的化學(xué)工程問(wèn)題的課程，涉及化學(xué)工程、計(jì)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(guò)本課程學(xué)習(xí)，能運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法對(duì)化工過(guò)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(guò)程系統(tǒng)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的各個(gè)層面達(dá)到單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)化[1]。簡(jiǎn)言之，這是一門(mén)將系統(tǒng)工程的思想、方法和策略用于解決化工過(guò)程系統(tǒng)中復(fù)雜化學(xué)工程問(wèn)題的課程。

然而，筆者在進(jìn)行該課程教學(xué)的過(guò)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(wèn)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(wú)法用于解決復(fù)雜工程問(wèn)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(shí)，然后講授單元設(shè)備模型的建立，最后逐漸過(guò)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(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性；而且該課程課時(shí)有限，講授過(guò)多理論知識(shí)會(huì)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(shí)，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(zhuān)業(yè)課為基礎(chǔ)，并且融合了系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)模擬的知識(shí)，涉及大量學(xué)科交叉知識(shí)，大大增加了課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。因此，對(duì)實(shí)踐性較強(qiáng)的化工過(guò)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(jì)和教學(xué)過(guò)程

1.1 教學(xué)目標(biāo)具體化

在第二章講解過(guò)程系統(tǒng)模擬的三種基本方法時(shí)，可在教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)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(wèn)題的能力。同時(shí)，教學(xué)目標(biāo)不應(yīng)局限于對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、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(zhuān)業(yè)興趣、終身學(xué)習(xí)能力等方面的培養(yǎng)。例如，過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化和綜合問(wèn)題離不開(kāi)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(huì)科學(xué)素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任感，學(xué)生能夠在考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素的前提下，設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)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(guò)介紹過(guò)程工程學(xué)的發(fā)展史和國(guó)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(duì)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(duì)化工過(guò)程分析與合成課程畏懼、無(wú)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(zhǎng)伴隨著網(wǎng)絡(luò)的興起和普及。與授課教師成長(zhǎng)期間以書(shū)本作為知識(shí)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(duì)文字類(lèi)載體的專(zhuān)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(shí)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(guò)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(lái)幫助學(xué)生理解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在過(guò)程系統(tǒng)性能模擬方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，擺脫書(shū)本的束縛，鼓勵(lì)學(xué)生自己通過(guò)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(píng)價(jià)模式

對(duì)于學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)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(dòng)記錄學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，為了檢驗(yàn)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(jì)豐富的線(xiàn)上、線(xiàn)下教學(xué)環(huán)節(jié)滿(mǎn)足考核需求。首先加大平時(shí)成績(jī)?cè)谡n程考核中所占的比重，除了紙質(zhì)課后作業(yè)和測(cè)試以外，增加小測(cè)驗(yàn)、搶答、主題討論、分組任務(wù)等學(xué)習(xí)通線(xiàn)上互動(dòng)環(huán)節(jié)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)作業(yè)、課堂互動(dòng)、簽到、訪(fǎng)問(wèn)數(shù)、討論等各模塊所占的總成績(jī)比例，通過(guò)多維度成績(jī)分配，實(shí)現(xiàn)過(guò)程性評(píng)價(jià)。當(dāng)然考核形式不限于教師評(píng)價(jià)給分，也可分組完成任務(wù)，小組之間互評(píng)?？荚囋嚲聿糠轴槍?duì)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(shí)部分題目可以探究性題目為主，靈活給分。最后教師通過(guò)學(xué)情分析了解整個(gè)班級(jí)的作業(yè)完成度、平均分及簽到率等，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各項(xiàng)分值和課程目標(biāo)達(dá)成度，對(duì)學(xué)生達(dá)成情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，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(guò)程分析與合成包括化工過(guò)程模擬與分析、過(guò)程優(yōu)化和過(guò)程綜合三個(gè)層次，以及各層次之間的集成分析，課程綜合性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多、知識(shí)面寬，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解起來(lái)較為困難。在教學(xué)過(guò)程中，過(guò)程分析、模擬、最優(yōu)化、分離序列等知識(shí)點(diǎn)必須輔以大量的工程案例進(jìn)行闡述。如果沒(méi)有工程案例作為背景知識(shí)，容易造成理論知識(shí)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(yíng)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(dòng)分析、積極思考和共同討論，認(rèn)識(shí)到課程的重要性；也可以通過(guò)案例教學(xué)，為學(xué)生提供接觸、了解實(shí)際工程項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，提高師生互動(dòng)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同感。按照“基本理論+工程案例”兩個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)講授穩(wěn)態(tài)模擬、動(dòng)態(tài)模擬、過(guò)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(shí)，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(shí)，每部分內(nèi)容都引入1～2個(gè)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(shí)，將面臨的問(wèn)題抽絲剝繭，提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)綜合素質(zhì)及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。例如，在講述化工過(guò)程的穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)，先引出乙二醇和水分離的問(wèn)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(duì)完整的流程進(jìn)行模擬計(jì)算；在此基礎(chǔ)上，逐漸展開(kāi)包含多個(gè)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(wèn)題的能力

在教學(xué)中，采用線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)，運(yùn)用問(wèn)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(tīng)”的灌輸模式，充分調(diào)動(dòng)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(wèn)題、解決問(wèn)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(duì)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(jì)，縮略圖如圖1。

圖1 化工過(guò)程分析與合成的教學(xué)執(zhí)行大綱縮略圖

針對(duì)課程學(xué)習(xí)難度大、課時(shí)較少的特點(diǎn)，理論教學(xué)分為線(xiàn)上、線(xiàn)下兩部分。授課教師利用超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)課程，上傳優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，拍攝重難點(diǎn)知識(shí)的慕課視頻，學(xué)生通過(guò)超星學(xué)生端可隨時(shí)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(yàn)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(dòng)態(tài)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；線(xiàn)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(shí)點(diǎn)，達(dá)到有的放矢，提高課堂效率。

在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)執(zhí)行大綱設(shè)計(jì)切實(shí)可行的教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容。例如，在講解“問(wèn)題表法確定夾點(diǎn)”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，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(duì)不同過(guò)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(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在夾點(diǎn)法換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的教學(xué)過(guò)程中，考慮到線(xiàn)下課時(shí)有限，教師可通過(guò)線(xiàn)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(yàn)性規(guī)則的理論知識(shí)用于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力以及設(shè)計(jì)/開(kāi)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(jì)算的主要方法，與化工過(guò)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(wú)法將序貫?zāi)K法理論和Aspen軟件有機(jī)結(jié)合起來(lái)解決流程模擬問(wèn)題。應(yīng)用Aspen對(duì)復(fù)雜化工過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)，使用系統(tǒng)默認(rèn)的斷裂流股和初值往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)果不收斂，需要用戶(hù)對(duì)斷裂流股和初值進(jìn)行調(diào)整，學(xué)生對(duì)這一塊內(nèi)容難以掌握；而在學(xué)習(xí)化工過(guò)程分析與合成時(shí)，由于缺乏實(shí)際演練，學(xué)生同樣對(duì)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(guò)乙苯脫氫案例將二者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，將序貫?zāi)K法理論和Aspen模擬進(jìn)行集成教學(xué)，會(huì)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(guò)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(duì)過(guò)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(xiàn)等概念，并提出換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。如果課時(shí)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(shí)。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(guò)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(zhuān)業(yè)背景知識(shí)的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新理念，給學(xué)生布置天然氣制甲醇精餾過(guò)程模擬與分析、甲醇提純過(guò)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(guò)調(diào)研文獻(xiàn)資料、確定工藝流程、過(guò)程軟件模擬與優(yōu)化、編輯撰寫(xiě)研討論文、PPT制作及匯報(bào)等過(guò)程，提升學(xué)生的綜合能力。每個(gè)學(xué)生在小組中均有不同分工，同時(shí)啟動(dòng)小組互評(píng)模式，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)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(duì)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(yǔ)

對(duì)標(biāo)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，針對(duì)化工過(guò)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(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題和復(fù)雜工程問(wèn)題的能力較弱等問(wèn)題，我們通過(guò)對(duì)本課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、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(guò)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(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、課程考核方式和評(píng)價(jià)體系進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)；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(tái)，實(shí)行線(xiàn)上線(xiàn)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(jì)/開(kāi)發(fā)解決問(wèn)題的能力。