董新艷 張 艷 桑佳榮

(浙大寧波理工學院 生物與化學工程學院, 浙江 寧波 315100)

隨著計算機技術(shù)及多種模擬軟件日益廣泛應用于化學工業(yè)中,傳統(tǒng)的化學工程也已成為一門集實驗、計算及理論研究于一體的綜合性學科[1]。融合化工專業(yè)知識與計算機應用技能,培養(yǎng)能夠熟練應用計算機技術(shù)解決化學工程實際問題的學生,是化學工程專業(yè)教育的重要目標之一。Aspen Plus作為最為通用的化工流程模擬軟件而被國內(nèi)外高校引入化學工程專業(yè)的課程體系中?！盎み^程模擬-Aspen Plus軟件及應用”課程是化學工程專業(yè)一門重要的綜合性應用型課程,旨在培養(yǎng)學生運用化工專業(yè)知識和Aspen Plus流程模擬軟件分析解決化工生產(chǎn)中的實際工程問題,實現(xiàn)化工過程的分析、合成與優(yōu)化[2]。我院于2017年正式開設(shè)“化工過程模擬-Aspen Plus軟件及應用”課程,作為一門新興的兼具理論與實踐性的綜合性應用型課程,對老師教學及學生學習都提出了較高的要求,在教學過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題,亟須對整體課程進行改革與建設(shè)。下面我們對“化工過程模擬-Aspen Plus軟件及應用”課程教學中存在的問題,以及在教學內(nèi)容、教學方法及教學模式等方面采取的改革措施進行分析探討。

1 教學過程中存在的問題

1.1 課程綜合性與專業(yè)性強,難度大

該課程內(nèi)容涉及“物理化學”“化工原理”“化工分離工程”“化學反應工程”“化工熱力學”“化工專業(yè)英語”,學生需要運用多門專業(yè)課程的知識才能構(gòu)建合理的工藝流程、選擇匹配的模型、設(shè)置正確參數(shù)。然而,在教學過程中發(fā)現(xiàn),學生對于學過的專業(yè)知識掌握不牢固,無法綜合運用專業(yè)課程知識系統(tǒng)地分析解決復雜的流程模擬問題。此外,Aspen Plus軟件包含大量化工專業(yè)詞匯和術(shù)語,約70%的學生認為全英文的軟件操作界面對學習造成了很大困難。

1.2 軟件復雜、掌握困難

Aspen Plus設(shè)置過程復雜、模塊眾多、工具命令繁多、功能異常強大,需要花費大量時間和精力才能掌握。傳統(tǒng)多媒體教學中,老師的教授和學生上機實操分開進行,造成老師的“教”與學生的“學”嚴重割裂。然而軟件的學習具有很強的實踐性,學生單純看老師演示操作而缺乏操練,學習效率差,無法真正記住及掌握軟件的操作步驟,造成學生在上機實操時依舊毫無頭緒。

1.3 學生解決實踐工程問題能力弱

學習完本課程后,學生在后續(xù)畢業(yè)設(shè)計、全國大學生化工設(shè)計競賽等環(huán)節(jié)中對Aspen Plus軟件的實際應用能力仍欠佳,僅限于基礎(chǔ)的軟件應用,難以靈活運用該軟件解決復雜的實際工程問題。

因此,根據(jù)課程兼具理論性與實踐性的特點,針對目前課程教學過程中存在的問題,以培養(yǎng)提升學生解決復雜工程問題的能力為目標,從課程的教學內(nèi)容、教學方法、教學模式等方面進行如下教學改革。

2 “化工過程模擬-Aspen Plus軟件及應用”教學改革措施

2.1 強化化工專業(yè)課程與該課程的銜接與融合的教學內(nèi)容改革

該課程不僅包含眾多化工專業(yè)課程內(nèi)容,而且進一步深化了各門課程之間的有機聯(lián)系,著重突出理論與實踐的結(jié)合。學生在學習完各門專業(yè)課程后,一方面由于應用較少,存在著遺忘的情況,另一方面難以將各專業(yè)課知識融會貫通、形成體系、綜合運用,這樣給Aspen Plus軟件的學習帶來了極大困難。因此在教學內(nèi)容上需要注重與專業(yè)知識的銜接講授。受學時所限,要以軟件應用為目標來篩選針對性較強的化工專業(yè)知識重點講解,使學生從理論學習到軟件實操自然過渡。例如,熱力學方法的合理選擇對Aspen Plus模擬結(jié)果的正確性至關(guān)重要,而學生即使學過化工熱力學,對具體物系的熱力學方法的選擇依舊非常困惑,無從下手。因此我們在講解軟件物性運用時,可系統(tǒng)地回顧串講“化工熱力學”相關(guān)知識,使學生進一步明晰針對不同系統(tǒng)熱力學模型的選擇依據(jù)。在講解Aspen plus的物性分析工具時,回顧講解“物理化學”中二元及三元相圖相關(guān)知識。此外,Aspen plus軟件與“化工原理”中單元操作的原理是相同的,因此在講授每個單元模塊模擬操作前,先簡要回顧和鞏固化工原理各個單元操作的基礎(chǔ)理論。比如在教授HesterX模塊時,學生僅以“化工原理”中學過的傳熱相關(guān)知識難以完成該模塊模擬,因此需要補充講授換熱器結(jié)構(gòu)相關(guān)知識,如管板、折流板、接管、封頭、殼體、管束、擋板等,在了解了換熱器的結(jié)構(gòu)后學生才能設(shè)置換熱器HesterX的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在模擬分離過程時,需要補充講解“化工分離工程”中的萃取精餾及兩塔變壓精餾的分離原理及流程。在講授動力學反應器模擬時,要回顧講解“物理化學”“化學反應工程”相關(guān)知識,如冪指數(shù)型及LHHW型動力學的表示形式,全混流、平推流等各種反應器的結(jié)構(gòu)、特點及設(shè)計方法。此外,對于此款全英文軟件,我們在制作課件的時候,對所有模塊參數(shù)進行了中文注釋,并結(jié)合“化工專業(yè)英語”,將與軟件相關(guān)的專業(yè)英語詞匯整理成冊發(fā)給學生。通過專業(yè)課程和化工過程模擬課程的融合教學,很多同學都感受到利用Aspen plus軟件可以方便快捷地求解以往“化工熱力學”“化工原理”“化學反應工程”“化工分離工程”的課程習題。教學實踐證明,專業(yè)知識的必要補充,可將理論知識滲透到具體化工過程開發(fā)實踐中,使學生對Aspen plus軟件的學習更易于接受和深刻掌握。同時Aspen plus軟件的實踐教學讓學生親身體驗到計算機模擬化工流程的快速、準確和奇妙性,使學生對化工專業(yè)的認知從定性提升到定量,同時也反哺及鞏固了其他專業(yè)課程的學習。

2.2 理論與實踐結(jié)合的“教學做”一體化教學模式改革

該課程的教學目標是使學生能夠熟練地掌握運用化工流程模擬軟件解決工程問題,即體現(xiàn)在讓學生會“做”上。以往采用理論教學與上機實踐分散式教學模式,學生在理論課上只能被動聽課,由于缺乏有效練習而不能跟上老師節(jié)奏,從而感到枯燥乏味;而上機實踐課上又由于根本沒有掌握軟件操作從而無從下手。理論教學與上機實踐教學結(jié)合的“教學做”一體化教學模式則可以實現(xiàn)可視化及多人在線的人機交互功能,可打破原有的先理論后實踐的教學模式中理論知識與實際操作不能有效銜接等問題,更加符合應用軟件學習要具有即時反饋和人機互動的特點[3]。“教學做”一體化教學模式主要體現(xiàn)在師生的有效互動上,老師“教”、學生“學”、師生同時上機操作(“做”)三個環(huán)節(jié)有效融合,互相交叉進行。教師通過主機控制使學生電腦顯示教師主機內(nèi)容,這樣教師對流程模擬操作過程的每一個步驟可以直觀清晰地展現(xiàn)在學生眼前的電腦屏幕上。在講解一個理論知識點后立刻解鎖學生電腦,學生則通過電腦跟隨老師一步步完成實踐訓練。教師完成講授后,再在課上布置上機操作作業(yè),讓學生在課上進行練習和思考,以鞏固所講知識。在學生實踐過程中若遇到模擬錯誤或者難以解決的模擬問題,教師可以進行一對一指導、討論,學生則通過指導親手操作解決問題。在師生互動、人機交互的過程中,學生通過提出問題、解決問題、印證結(jié)果的過程熟練軟件操作,不斷進步?！敖虒W做”一體化教學模式將抽象而枯燥的理論知識科學地、有效地轉(zhuǎn)化到生動形象的實踐過程中,并在實踐中得以驗證,解決了分段教學模式中所存在的理論知識與實際操作不連貫、不銜接等問題[4]。這種理論與實踐相結(jié)合的“教學做”一體化教學模式更容易提高學生學習興趣,在這一過程中學生成為學習的主體,能充分激發(fā)學生的主觀能動性,在培養(yǎng)學生思維能力的同時,也培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

2.3 多層次案例教學的教學方法改革

在教學中采用案例式教學,即把化工過程模擬的內(nèi)容分為若干個典型化工單元的案例,每個案例包含必要的化工及模擬理論、建模與模擬方法,把理論教學、上機模擬操作和工程實際問題揉合在一起,形成理論知識、Aspen Plus應用、案例一體化的教學方式[5]。可以從典型化工生產(chǎn)工藝、歷年化工設(shè)計大賽題目等方面選題,構(gòu)建具有代表性、聯(lián)系生產(chǎn)實際的工藝過程案例。根據(jù)教學目標選擇由易到難、由單一到綜合的多元化、多層次案例,設(shè)立項目庫。在教學過程中首先向?qū)W生講授Aspen Plus單元模塊的基本理論、模塊參數(shù)及操作步驟,然后通過簡單案例模擬練習使學生熟悉Aspen Plus的各個單元模塊的應用,盡快了解及掌握單元模塊的模型參數(shù)設(shè)置及模擬方法,從而消除畏懼心理,激發(fā)學習興趣,獲得學習成就感;然后通過難度適中、包含有2～3個模塊的流程的講授和練習進入探索性訓練,對案例進行分析討論,幫助學生解決及分析流程模擬操作中出現(xiàn)的問題,培養(yǎng)和提高學生分析及解決問題的能力;隨著學習的深入,再進行較為完整的小型化工過程的模擬及優(yōu)化,鍛煉綜合能力,加深學生對化工模擬與優(yōu)化的認識。以精餾為例,先以精餾回收廢水中的N,N-二甲基甲酰胺和精餾分離乙苯-苯乙烯為案例,讓學生學習單一精餾塔模塊的模擬操作;然后以乙二醇萃取分離甲醇和丙酮的萃取精餾案例引導學生學習帶循環(huán)的兩塔復雜精餾;進一步采用更復雜的案例,如甲醇氣相脫水制二甲醚的工藝流程,其流程包含反應器、二甲醚精制塔和甲醇回收塔兩個精餾塔,以及泵等輸送設(shè)備。教學中,先引導學生根據(jù)工藝體系,選擇適合的分離方法及反應器,篩選分離介質(zhì),確定合理的工藝流程,再以Aspen軟件進行流程模擬。這樣將理論、工藝、模擬環(huán)環(huán)相扣,相輔相成,層層遞進,形成理論知識、Aspen Plus應用、案例教學的一體化教學方式,培養(yǎng)學生分析及解決工程問題的邏輯思維能力。多層次案例教學的總體策略是由淺入深,通過啟發(fā)式、討論式、互動式教學的綜合運用,逐漸從簡單的單元模塊模擬過渡到復雜綜合流程的模擬和優(yōu)化,從單一的軟件操作學習轉(zhuǎn)向解決設(shè)計性和綜合性問題,從知識的學習逐漸轉(zhuǎn)向能力的培養(yǎng),從而培養(yǎng)學生綜合運用專業(yè)知識和計算機技術(shù)解決實際工程問題的能力[6]。

3 結(jié)語

作者以培養(yǎng)學生分析及解決工程實際問題的能力為目標,對課程進行綜合改革。通過穿插補充專業(yè)相關(guān)知識,強化課程與其他專業(yè)課程的銜接,做到理論知識和實踐應用的有效結(jié)合;通過采用多層次案例的啟發(fā)式教學方法,以具體的化工生產(chǎn)實例為導向,逐步培養(yǎng)學生深入分析解決實際工程問題的能力;采用教師先進行理論講解、然后學生學習模擬方法、最后學生再進行上機實踐的“教學做”一體化教學模式,有效保證了學習的連貫性,在師生的有效互動中,學生成為學習的主體,激發(fā)了學習的主觀能動性,從而全面提高了教學效果。