袁曉玲，蘇 清，張玉敏，孟繁雨

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130012)

化工原理課程設(shè)計是化學(xué)工程與工藝等專業(yè)大學(xué)三年級學(xué)生修完高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、化工原理、化工原理實驗和化工設(shè)備機械基礎(chǔ)等一系列理論和專業(yè)基礎(chǔ)課后，學(xué)生進入的綜合性實踐課程。在課程設(shè)計和培育目標中，需要學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)中具備扎實的理論和專業(yè)基礎(chǔ)知識，能夠分析和解決化工過程中各種單元操作的相關(guān)問題，并在限定的時間內(nèi)獨立完成給定的設(shè)計任務(wù)，實現(xiàn)對化工原理相關(guān)基礎(chǔ)知識的實踐理解和在工業(yè)中應(yīng)用的初步體驗。

化工原理課程設(shè)計雖然只是對學(xué)生設(shè)計能力進行初步的培養(yǎng)，但對于學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程能力建立具有重要意義。經(jīng)過多年的努力，吉林大學(xué)目前化工原理課程設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容相對完善，在實踐能力的訓(xùn)練方面已經(jīng)達到預(yù)期目標。當(dāng)前課程改革目標是以學(xué)生為主導(dǎo)、要求學(xué)生獨立完成整個設(shè)計過程的教學(xué)模式。由于本課程實踐性強、涉及化學(xué)化工的全面基礎(chǔ)知識掌握和應(yīng)用能力培養(yǎng)，學(xué)生又是首次面對工程實際的復(fù)雜性。對于長期以教師講授為主的被動式學(xué)習(xí)模式來說，學(xué)生面對這種實踐性學(xué)習(xí)內(nèi)容，容易出現(xiàn)迷茫無措狀況，也對如何進行設(shè)計操作出現(xiàn)畏難情緒。部分學(xué)生學(xué)習(xí)主動性差、過程創(chuàng)新性不足，不能達到實踐式課程教學(xué)的效果。對于這些教學(xué)中出現(xiàn)的問題，我們要引導(dǎo)學(xué)生完成一定的角色轉(zhuǎn)換[1]。讓學(xué)生意識到自己是學(xué)習(xí)的主體，有意識激活之前所學(xué)的理論知識和工程操作原理，完成從資料查找、方案設(shè)計、工藝流程計算、設(shè)計結(jié)果校核及設(shè)計說明書的編制任務(wù)。通過這樣一系列設(shè)計過程，使化工相關(guān)專業(yè)學(xué)生明確化工設(shè)計的基本內(nèi)容、深入理解化工設(shè)計的程序和方法，幫助學(xué)生形成初步的工程意識和工程素質(zhì)，在模擬的工程實踐中塑造工程思維需要的獨立思考、實事求是的工作作風(fēng)和認真負責(zé)的工作態(tài)度。為今后從事化工專業(yè)技術(shù)及相關(guān)科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ)。

1 化工原理課程設(shè)計當(dāng)前的教學(xué)問題

化工原理課程設(shè)計教學(xué)是以典型化工單元操作為主要對象，完成一套化工生產(chǎn)裝置設(shè)計的模擬實踐訓(xùn)練。課程需要在兼顧技術(shù)合理、經(jīng)濟可行、環(huán)境安全的前提下，綜合運用先修課程的基礎(chǔ)知識完成主體設(shè)備的工藝設(shè)計、附屬設(shè)備的選型、特定組件和總體結(jié)構(gòu)圖的繪制。從學(xué)習(xí)主體——學(xué)生的角度來看，是在知識整合的基礎(chǔ)上，形成一定的工程實際綜合運用能力。當(dāng)前教學(xué)過程中，出現(xiàn)了亟待解決的兩個問題：

1.1 課程學(xué)時少，內(nèi)容多、難度大

我?，F(xiàn)行教學(xué)計劃中，化工原理課程設(shè)計課程要求學(xué)生在16學(xué)時內(nèi)獨立完成一套給定設(shè)計任務(wù)的所有相關(guān)內(nèi)容。對于大三學(xué)生來說，整個設(shè)計過程不但內(nèi)容多、過程復(fù)雜且環(huán)環(huán)相扣，這讓長期主要進行思維和知識訓(xùn)練的本科生真正解決工藝和設(shè)備問題存在著巨大的陌生感。尤其在設(shè)計過程中，一些參數(shù)需要學(xué)生自己根據(jù)工藝合理選用，如果選擇不當(dāng)就會為后續(xù)設(shè)計帶來麻煩，甚至導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果不合理。重新進行參數(shù)調(diào)整又會面臨之前設(shè)計內(nèi)容的大幅修改或調(diào)整，直接打擊到學(xué)生實踐設(shè)計熱情，影響設(shè)計進度。而實際的設(shè)計過程中每一個參數(shù)的選定往往需要多次嘗試方能達到滿意結(jié)果。這對于習(xí)慣于理科學(xué)習(xí)只要原理掌握，計算方法正確就可獲得可控結(jié)果的學(xué)生來說，就容易產(chǎn)生難以把控的疲勞感和舉步維艱的畏難情緒[2]。對于在紙面進行設(shè)計的方式，要想在給定課時內(nèi)高質(zhì)量地完成設(shè)計任務(wù)，需要學(xué)生具有出色的化學(xué)工業(yè)預(yù)判能力和對工業(yè)設(shè)計的熟練掌握。而對首次進行課程設(shè)計的學(xué)生來說，要做到出色的完成設(shè)計任務(wù)，不可避免地要利用大量的課余時間[3]。

常規(guī)化工原理課程設(shè)計過程往往是在紙上完成的，設(shè)計計算、作圖需進行多次修改，耗時多。一些學(xué)習(xí)動力不足的學(xué)生容易產(chǎn)生自我否定的消極情緒，選擇中途放棄或僅為學(xué)分而按照相似案例機械性套用流程應(yīng)付了事，缺少專業(yè)性思考和過程訓(xùn)練，喪失了設(shè)計課程應(yīng)有的鞏固基本理論和強化知識理解等融會貫通于實際應(yīng)用的目標。

1.2 缺乏感性認識、難以建立實際工程應(yīng)用意識

化工原理課程設(shè)計的教學(xué)過程是對學(xué)生進行實際工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。通過設(shè)計過程，不但要加深學(xué)生對化工原理、物理化學(xué)、化工制圖等先修課程基本理論知識的理解，而且要有意識培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)基礎(chǔ)知識進行實際應(yīng)用。課程的進程中讓學(xué)生有機會學(xué)會發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際問題，為真正進入相應(yīng)工作崗位后能夠快速適應(yīng)打下良好基礎(chǔ)。然而以往教學(xué)模式更多注重的是對基本原理、基本方法和基本程序的訓(xùn)練，相對忽視了設(shè)計內(nèi)容與實際工程應(yīng)用的具體聯(lián)系，對于學(xué)生工程思維和工藝流程的培養(yǎng)往往是有意無意淡化了。雖然學(xué)生們已經(jīng)進行了化工原理實驗和生產(chǎn)參觀實習(xí)，但仍然存在缺乏崗位實踐訓(xùn)練和對生產(chǎn)過程的認知。這就往往出現(xiàn)對一個完整的操作體系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)、或者操作條件的變化所引起相應(yīng)異常問題都不夠了解，容易出現(xiàn)學(xué)生對課程設(shè)計的不可控。在設(shè)計過程中，對相應(yīng)單元操作缺少感性認知，就難以做到激發(fā)思維創(chuàng)新。部分學(xué)生僅把化工設(shè)計任務(wù)作為一次高難度的作業(yè)去完成，缺少深入的思考和探究，對未來面對復(fù)雜的實際工程應(yīng)用設(shè)計問題的指導(dǎo)意義不大。

針對上述問題，要做到讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)充分地體驗設(shè)計過程，又要深入思考、高質(zhì)量地完成設(shè)計任務(wù)，我們就有必要對目前的教學(xué)方式和方法進行相應(yīng)的改進。

2 化工原理課程設(shè)計教學(xué)改進

2.1 紙面設(shè)計與計算機相結(jié)合

現(xiàn)代計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機和相關(guān)應(yīng)用軟件已經(jīng)成為學(xué)生常規(guī)學(xué)習(xí)工具，設(shè)計過程中計算機及軟件的使用是當(dāng)前教學(xué)的必然趨勢。其合理使用必將推動課程建設(shè)和發(fā)展，在化工原理課程設(shè)計中大大縮減設(shè)計學(xué)習(xí)所用的時間。但是我們也知道，各類應(yīng)用軟件只是既定程序，進行規(guī)范的數(shù)字輸入即可得到相應(yīng)結(jié)果。學(xué)生在設(shè)計過程中，涉及先修基本知識的應(yīng)用沒有得到有效的訓(xùn)練，更難有創(chuàng)新性結(jié)果。

所以，要達到課程教學(xué)設(shè)計的學(xué)習(xí)效果，就要減少設(shè)計過程中的重復(fù)性計算和繪圖的時間，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生適度利用計算機及相關(guān)應(yīng)用軟件。比如在分離苯和甲苯二元精餾塔設(shè)計中的理論板計算，是交替使用操作線方程和平衡線方程反復(fù)計算的過程，可以推薦學(xué)生使用常規(guī)Excel、Origin軟件編制一個小程序，進行指令性計算，既提高了計算的速度又增強了準確度。大學(xué)生都熟悉使用平板電腦和觸屏筆，這些信息設(shè)備使用往往比紙面設(shè)計過程修改方便，學(xué)生哪里有問題修改哪里。另外，當(dāng)前可用于化工設(shè)計和制圖的相關(guān)軟件很多，其中 Aspen Plus 就是一款生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的化工流程模擬軟件，其優(yōu)點是模擬簡單、計算精度高、應(yīng)用范圍廣[4-5]。還以精餾塔設(shè)計為例，設(shè)計過程中的重復(fù)性計算和參數(shù)及所涉及到的進料位置、進料熱狀況、回流比、降液管的尺寸等的優(yōu)化，使用Aspen Plus 軟件，只需將相關(guān)參數(shù)和條件輸入都可以高效快速的得到相應(yīng)結(jié)果。設(shè)計過程中想進行深入探究的學(xué)生，還可以根據(jù)自己的設(shè)計任務(wù)及設(shè)計思想多角度、多方面進行相關(guān)參數(shù)的調(diào)變比較，以促進學(xué)生的思考、產(chǎn)生創(chuàng)新思想。整個設(shè)計流程的關(guān)鍵性影響因素都合理后，再將設(shè)計過程落實到紙面上。這樣一來，學(xué)生可以把更多的精力用于對過程的思考和問題的發(fā)現(xiàn)及解決中。

在參數(shù)的調(diào)變和優(yōu)化中，學(xué)生也可以體會到設(shè)計過程不是一蹴而就的事情，總是需要多次嘗試和不斷完善。整個設(shè)計過程也是一個整體，各個環(huán)節(jié)相互制約，只有協(xié)調(diào)一致才能夠達到合理設(shè)計。教師鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的能力及習(xí)慣去選擇軟件用于設(shè)計過程，大大滿足了學(xué)生個性化需求和想象空間，有效提高設(shè)計進程、降低設(shè)計難度。在設(shè)計過程中，教師要嚴加規(guī)范和督導(dǎo)，讓計算機技術(shù)不僅是避免簡單重復(fù)性工作的手段，更是促進學(xué)生通過軟件應(yīng)用將所學(xué)基本理論貫穿設(shè)計過程的始終。

2.2 增強感性認識、建立工程應(yīng)用意識

加強對設(shè)計相關(guān)單元操作進行感性認識，幫助學(xué)生建立完整的知識體系，有助于課程設(shè)計的順利進行。在化工原理課程教學(xué)過程中，我們更多關(guān)注的是理論學(xué)習(xí)。在化工原理實驗課上學(xué)生對一些單元操作進行實踐，但這些實驗設(shè)備更多的是以整體設(shè)備出現(xiàn)，對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認識相對較少。即使學(xué)生按照規(guī)定進行生產(chǎn)實習(xí)，也多為參觀性質(zhì)的學(xué)習(xí)，雖然對于工廠實物及工作環(huán)境有所認知，但在化工原理課程中所涉及單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造及內(nèi)部運行狀態(tài)，不合理操作所引起可能出現(xiàn)的問題，以及相關(guān)單元操作的新科技、新進展還是缺少認知。這在課程設(shè)計過程中，理想的創(chuàng)新就難以實現(xiàn)。然而，借助計算機多媒體和模擬技術(shù)的快速發(fā)展，依靠網(wǎng)絡(luò)支持，可以組織學(xué)生進行相關(guān)圖片、動畫、視頻等的查找，擇優(yōu)進行集中展示。多媒體技術(shù)可以全方位動態(tài)展示設(shè)備的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)備內(nèi)部正常和非正常操作呈現(xiàn)的狀態(tài)及設(shè)備拆裝體驗。現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)高度發(fā)展，可以讓學(xué)生進一步對單元操作實際場景模擬、故障設(shè)定、隱患排查等具體操作進行演練，由于仿真與實際現(xiàn)場工藝基本相似，拉近了學(xué)生對實際工藝生產(chǎn)設(shè)備及運行過程的認識，滿足學(xué)生對大規(guī)模化生產(chǎn)實踐和對實際崗位的具體操作情景進行模擬的體驗[6]。從而加強學(xué)生對要設(shè)計的實物建立感性認知，再進一步引導(dǎo)學(xué)生將感性認知與實際工程過程相聯(lián)系，建立情景操作與實際設(shè)備流程相對應(yīng)，有助于提升學(xué)生對實際生產(chǎn)中出現(xiàn)問題的洞察及解決能力，實現(xiàn)真正意義上的理論聯(lián)系實踐。例如在乙醇精餾提純虛擬仿真實驗中，學(xué)生可以通過調(diào)變回流比、進料熱狀況等操作條件，引起的理論板層數(shù)、產(chǎn)品組成、產(chǎn)品量、塔頂和塔底溫度、不同塔板、塔板開孔數(shù)量等變化，導(dǎo)致最終分離效果、負荷性能圖等的差異，給予學(xué)生直觀的感受，構(gòu)建出所設(shè)計單元操作的立體化空間結(jié)構(gòu)，開拓學(xué)生的思考維度。避免學(xué)生因頭腦中缺乏適當(dāng)場景的構(gòu)筑影響對實物及實際運行狀態(tài)的認知，在設(shè)計過程出現(xiàn)照貓畫虎沒有創(chuàng)新或憑空捏造、空中造樓閣等與實際相脫節(jié)的設(shè)計結(jié)果。

3 加強與學(xué)生的互動交流

建立課程學(xué)習(xí)通和QQ群，鼓勵學(xué)生將查閱的重要資料發(fā)送到QQ群文件夾中，便于學(xué)生設(shè)計時作為參考。督促學(xué)生及時完成每次課的設(shè)計任務(wù)，如果學(xué)生課堂上沒有完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)，督促其在課后完成后，將完成的設(shè)計任務(wù)內(nèi)容拍照發(fā)給教師檢查，教師將問題進行標注，提出修改意見，再發(fā)給學(xué)生修改。教師要及時將學(xué)生在設(shè)計中存在的普遍性問題進行總結(jié)，在下次課上重點強調(diào)，或者錄制成短課供學(xué)生在學(xué)習(xí)通上學(xué)習(xí)。經(jīng)過師生間密切地互動交流，在設(shè)計結(jié)束后，學(xué)生的設(shè)計能力、分析問題和解決問題的能力、論文撰寫能力會明顯得到提升。

4 結(jié) 語

化工原理課程設(shè)計是化工原理課程體系中的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識去解決實際工程問題的重要環(huán)節(jié)。為適應(yīng)高等學(xué)?；ゎ悓I(yè)的新工科建設(shè)的要求，并結(jié)合我校的實際教學(xué)情況，將計算機應(yīng)用與虛擬仿真等現(xiàn)代信息技術(shù)引入化工原理課程設(shè)計中，同時通過學(xué)習(xí)通和QQ群等學(xué)習(xí)、溝通和考察方式加強了教學(xué)改革的效果。在保留傳統(tǒng)化工原理課程設(shè)計的教學(xué)目標的同時，極大地提高了學(xué)生的設(shè)計效率、激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識。