基于IEET工程教育認證的化工原理課程教學改革

代立波 丁翠翠 龔凌諸 鄭志功

摘? 要 近年來隨著教育體系的不斷完善，認證評估成為保障高校專業(yè)辦學質(zhì)量的重要方式。針對化工原理課程傳統(tǒng)教學存在的弊端，結(jié)合IEET工程教育認證要求，圍繞如何培養(yǎng)學生掌握化工過程開發(fā)、解決復雜工程問題的能力以及如何培養(yǎng)學生的安全生產(chǎn)意識，探索課程建設的新思路，為該課程核心能力的達成以及人才培養(yǎng)提供建設性意見。

關(guān)鍵詞 IEET工程教育認證;化工原理;教學改革;虛擬仿真課程

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）24-0098-03

Teaching Reform on Principles of Chemical Engineering based on IEET Engineering Education Certification//DAI Libo， DING Cuicui， GONG Lingzhu， ZHENG Zhigong

Abstract In recent years， with the continuous improvement of the education system， accreditation evaluation has become an important way to ensure the quality of professional education in colleges and universities. In view of the disadvantages of the traditional teaching of Chemical Engineering Principles and the requirements of IEET certification， this paper focuses on how to cultivate students ability to master chemical process development， solve complex engineering problems and work safety awareness， and explores new ideas for curriculum construction， so as to provide constructive suggestions for the realization of the core competence of the course and the cul-tivation of talents.

Key words IEET engineering education certification; chemical en-gineering principles; educational reform; virtual simulation course

1 前言

工程教育是我國高等教育的重要組成部分，對支撐和促進國民經(jīng)濟建設具有重要意義。我國工程教育認證主要采用兩種模式：一種是教育部或住建部等部門組織的專業(yè)評估認證，另一種是IEET工程及科技教育認證。兩種評估體系雖然對學生的能力和素質(zhì)等方面的要求存在差異，但主要是以成果導向為培養(yǎng)核心[1]。以學生成果導向的培養(yǎng)模式打破以教師為中心的傳統(tǒng)教學理念，對教學過程影響深遠。根據(jù)工程教育認證相關(guān)要求，專業(yè)建設和課程設置要以教育目標、培養(yǎng)學生核心能力為重心，確保教學質(zhì)量，讓學生所有所得、學以致用。

福建工程學院化學工程與工藝專業(yè)于2019年3月首次通過IEET工程及科技教育認證，為該專業(yè)的長遠發(fā)展奠定了良好的基礎。新的培養(yǎng)模式和教育理念對課程教學提出深刻問題：如何組織和設計教學過程以培養(yǎng)滿足工程教育認證的合格畢業(yè)生？因此，基于IEET工程教育認證的課程教學研究和改革具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

化工原理是福建工程學院化學工程與工藝專業(yè)IEET認證的核心課程，該課程主要介紹流體流動、過濾、精餾和吸收等化工基本單元操作的原理、設備設計構(gòu)造和計算方法[2]。隨著化學工業(yè)的快速發(fā)展，化工原理的基本理論在現(xiàn)代工業(yè)及相關(guān)領域的應用越來越廣泛。該課程在IEET工程教育認證中主要培養(yǎng)學生掌握以下四個方面的核心能力：

1）化工過程開發(fā)、過程優(yōu)化及工藝設計的能力;

2）綜合運用專業(yè)知識解決現(xiàn)場復雜工程問題的能力;

3）熟悉危險化學品管理、環(huán)境保護及安全生產(chǎn)等方面的法律法規(guī);

4）了解化工行業(yè)技術(shù)標準，以及新工藝、新技術(shù)與新材料的發(fā)展動態(tài)。

為滿足工程認證標準，培養(yǎng)學生以上能力，根據(jù)化工原理課程的性質(zhì)和特點，提出從以下幾個方面進行課程改革與實踐：

1）通過虛擬仿真，培養(yǎng)學生化工過程開發(fā)、過程優(yōu)化及工藝設計的能力;

2）通過實際案例教學，提升學生對復雜化工生產(chǎn)過程的原理進行分析的能力;

3）結(jié)合工藝，分析生產(chǎn)過程安全隱患，建立生產(chǎn)安全意識;

4）建立課外閱讀知識庫，滿足學生了解化工行業(yè)技術(shù)標準，以及新工藝、新技術(shù)與新材料發(fā)展動態(tài)的需求。

通過以上階段的系統(tǒng)學習和鍛煉，相信可以有效提升學生對常見的化工單元操作基本知識的掌握，學會解決復雜分離過程問題，了解法律法規(guī)和前沿進展，最終達成工程教育專業(yè)認證對該課程的要求。

2 以虛補實，強化虛擬仿真

往屆學生在學習化工原理基本理論和設備構(gòu)造時，受時間、空間等條件的限制，感覺知識比較抽象，也缺乏對實際生產(chǎn)操作過程的直觀了解，因此很難培養(yǎng)化工過程開發(fā)及工藝設計的能力、綜合運用專業(yè)知識解決現(xiàn)場復雜工程問題的能力。為彌補課堂教學的短板，通過建立典型的化工原理虛擬仿真項目，學生可以自主安排項目學習的時間，并且可以針對感興趣的仿真內(nèi)容進行自主學習，實際動手解決復雜工藝操作設計等相關(guān)問題，最終有效地提高工程思維能力。虛擬仿真課程內(nèi)容建設主要從以下幾個方面展開。

1）與課堂教學內(nèi)容有機結(jié)合，制作典型化工單元操作工藝或設備動畫及模型，提高學生學習積極性，強化教學效果。以過濾章節(jié)為例，學生在學習板框壓濾機設備結(jié)構(gòu)及分離原理的過程中，主要對以下兩個問題存在疑惑：

①設備中過濾路線和洗滌路線的特點和區(qū)別;

②過濾板和洗滌板結(jié)構(gòu)的差異。

在傳統(tǒng)教學中，教師主要通過平面圖片展示介紹，需要學生自己建立過濾過程的三維立體想象能力，影響教學進度。此外，過濾板和洗滌板結(jié)構(gòu)非常相似，學生經(jīng)?；煜?。為解決以上問題，通過制作過濾板和洗滌板三維立體動畫、過濾和洗滌過程液體流動動畫，將抽象的內(nèi)容具體化、可視化，學生可以清晰觀察到板框過濾機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加強對過濾知識的理解和應用。

2）要培養(yǎng)學生化工過程開發(fā)、過程優(yōu)化及工藝設計的能力，關(guān)鍵還是要動手練。在線虛擬仿真是近年來鍛煉工科學生動手能力的有效手段[3]，通過在線虛擬操作，可以使學生真正動手操作或計算化工單元設備，并輸出仿真結(jié)果進行分析。以流體輸送機械中的離心泵仿真項目為例，學生首先通過課堂知識學習離心泵設備的原理和結(jié)構(gòu)，在離心泵液體輸送虛擬仿真軟件環(huán)境中完成離心泵設備的拆裝和調(diào)試、液體輸送工藝的設計和操作等環(huán)節(jié)。通過以上過程，學生可以完成整個流體輸送過程的實際操作，有效地提高過程開發(fā)和解決復雜工程問題的實踐能力。

3 面向工程，突出案例教學

案例教學能使學生更加真實地認識化工生產(chǎn)過程，為今后從事化工行業(yè)工作打下基礎[4]。課程案例教學主要從以下幾個方面建設。

建立教學案例平臺? 進行案例教學之前，首先設計并制作案例資源，以滿足教學和學生學習的需要。為保證案例教學的有效實施，逐步建立和完善在線課程案例庫系統(tǒng)。以吸收單元為例，本章主要建立了氯化氫吸收制鹽酸、合成氨工業(yè)中碳酸鉀化學吸收二氧化碳等教學案例。

案例教學的設計與組織? 如何開展化工原理案例教學，是教學設計過程中需要解決的關(guān)鍵問題。案例教學的主要目的是把學生帶到“復原”的工藝現(xiàn)場進行分析，了解實際工業(yè)生產(chǎn)工藝和解決具體復雜問題的能力。以氯化氫吸收法生產(chǎn)鹽酸為例，簡要介紹案例教學的實施過程。工業(yè)中鹽酸的生產(chǎn)原料主要來自液氯工段中產(chǎn)生的廢氯氣和電解過程中產(chǎn)生的氫氣，兩種氣體在鐵合成爐內(nèi)燃燒生成氯化氫;氯化氫經(jīng)散熱器和石墨冷卻器降溫后進入膜吸收塔，用稀酸溶液吸收氯化氫氣體[5]。在當學生學完吸收單元理論知識后，課堂上給出氯化氫吸收法生產(chǎn)鹽酸工程案例及工藝流程圖，接下來組織學生以2～3人一組的形式進行討論，分析生產(chǎn)工藝過程。討論完生產(chǎn)工藝流程后，通過問題引導學生進行案例分析，例如：生產(chǎn)過程中哪些因素會影響吸收效果（即出塔鹽酸溶液濃度或尾氣濃度）？從哪些角度可以進一步改善工藝方案？學生在對知識點進行梳理和吸收后，分析如下：

1）氯化氫氣體純度問題，即前一工段可能燃燒不充分;

2）氯化氫氣體流量下降或吸收劑（水）流量過高;

3）設備堵塞或其他因素影響傳質(zhì)效果。

制訂幾種解決方案，讓學生分組討論可行性和經(jīng)濟性，并提出最合適的解決方案。

4 結(jié)合生產(chǎn)，培養(yǎng)安全意識

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，化工行業(yè)逐漸進入快速發(fā)展時期。與其他行業(yè)相比，化工行業(yè)大多具有高溫、高壓、有害等特點，危險系數(shù)較高。大多數(shù)學生畢業(yè)后在化工生產(chǎn)一線工作，培養(yǎng)學生的安全意識非常重要。因此，在化工原理課程教學過程中，不僅要讓學生掌握設備技術(shù)知識，還應熟悉危險化學品的管理和設備工藝的安全操作。以傳熱過程為例，化工生產(chǎn)中常見的換熱器包括預熱器、冷凝器和再沸器。換熱器的安全問題主要來自以下幾個方面[6]：

1）不按標準使用換熱器，加熱溫度過高或時間過長，可能導致材料燃燒或設備爆炸;

2）換熱器長期使用會產(chǎn)生污垢，增加傳質(zhì)和傳熱阻力，甚至引發(fā)安全事故。

因此，為了保證換熱器的長期正常運行，必須正確操作和使用換熱器，把安全意識放在首位。

在傳熱理論教學過程中，主要從以下幾個方面培養(yǎng)學生的安全意識：

1）定期檢查換熱器殼體有無變形，相關(guān)閥門有無泄漏;

2）在操作過程中觀察物料溫度是否異常，如有明顯變化，應及時采取相應措施;

3）定期維護和清潔換熱設備，保證設備正常運行。

5 與時俱進，擴展前沿知識

傳統(tǒng)教學往往以教師為中心，采取照本宣科的教學模式，學生不能夠及時了解學科前沿，知識面窄。在化工原理教學中，可以在介紹課本經(jīng)典知識的同時適當引入最新的設備制造技術(shù)，保持教學內(nèi)容的前沿性和創(chuàng)新性。以引進精餾塔為例，傳統(tǒng)塔板主要有泡罩塔板、浮閥塔板、篩板等，但隨著技術(shù)的發(fā)展和更新，出現(xiàn)復合斜孔塔板、垂直篩板、立體傳質(zhì)塔板等多種新型高性能塔板[7]，為精餾塔設備的設計開發(fā)提供了新的思路。此外，傳統(tǒng)精餾塔的設計與計算主要依靠學生手工計算，隨著化工計算方法的發(fā)展，利用Aspen等仿真軟件可以快速完成復雜的精餾過程操作設計問題。因此，在教學中引入這些前沿知識，有利于開拓學生的創(chuàng)新思維，節(jié)約學習時間成本。

6 結(jié)語

在IEET工程教育認證指引下，化工原理課程從虛擬仿真項目建設、工程案例庫建設以及安全責任意識培養(yǎng)等方面進行教學內(nèi)容改革，通過教學實踐，有效促進學生對常見的化工單元操作知識的掌握，學會解決復雜分離工程問題，了解法律法規(guī)和前沿進展，最終達成工程教育專業(yè)認證對該課程的要求。

參考文獻

[1]陳國鐵，王健.臺灣地區(qū)IEET工程教育專業(yè)認證的現(xiàn)狀及啟示[J].中國建設教育，2014（1）：50-54，61.

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[3]劉金強，劉獻明.地方高校新工科建設中化工仿真實踐體系的構(gòu)建[J].河南教育（高教版），2019（2）：75-77.

[4]魏剛.化工分離過程與案例[M].北京：中國石化出版社，2013.

[5]鹿存房，王洪，李綱，等.工程案例在本科教學中的應用分析[J].山東化工，2018（24）：110-111.

[6]崔克清.化工單元運行安全技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[7]董軍，李建波.塔板技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與研究展望[J].石油煉制與化工，2007（11）：46-51.