專業(yè)認(rèn)證背景下《化工過程模擬實踐》課程改革探討

潘高峰，付 強(qiáng)，王 犇，劉艷杰，魏奇業(yè)

(吉林化工學(xué)院 石油化工學(xué)院,吉林 吉林 132022)

國家推動專業(yè)認(rèn)證目的是使中國高等工程教育快速與國際接軌，實現(xiàn)超越發(fā)展，從而全面提升工程教育質(zhì)量，為實現(xiàn)中國工程教育強(qiáng)國夢夯實基礎(chǔ)。專業(yè)認(rèn)證基于《華盛頓協(xié)議》框架，以成果導(dǎo)向教育為理念引領(lǐng)，遵循國際實質(zhì)等效原則，覆蓋專業(yè)人才培養(yǎng)全過程[1-3]。我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)自2009年以來連續(xù)兩次通過教育部認(rèn)證協(xié)會組織的工程教育專業(yè)認(rèn)證，并且始終關(guān)注認(rèn)證動態(tài)和發(fā)展變化，在專業(yè)建設(shè)中一直在不斷地進(jìn)行改革和嘗試，持續(xù)完善專業(yè)人才培養(yǎng)體系和培養(yǎng)模式等。課程建設(shè)與改革一直是認(rèn)證過程中的聚焦點，也是專業(yè)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的重點和著眼點?！痘み^程模擬實踐》是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門重要實踐類課程，主要支撐培養(yǎng)學(xué)生在解決專業(yè)復(fù)雜工程問題中學(xué)會運用先進(jìn)技術(shù)工具，適應(yīng)專業(yè)發(fā)展，提高工作效率的專業(yè)畢業(yè)要求，在課程教學(xué)設(shè)計中以Aspen Plus化工過程模擬軟件為現(xiàn)代典型工具，針對具體化工過程工藝(設(shè)計)要求，運用化工單元操作的基本理論知識，選擇單元設(shè)備進(jìn)行工藝組合，建立工藝流程并實施運行模擬，獲得可行的工藝方案和設(shè)計過程數(shù)據(jù)。Aspen Plus軟件是一種集成多學(xué)科知識的一種過程模擬工具，軟件不僅內(nèi)嵌化工“三傳一反”和過程系統(tǒng)工程專業(yè)基本知識架構(gòu)，還賦予了智能引導(dǎo)調(diào)配模塊，利用功能豐富、操作便利的工作界面為用戶提供全新的學(xué)習(xí)和應(yīng)用模式，賦予了本課程的廣泛的專業(yè)知識內(nèi)容和解決工程問題的實踐功能[4-5]。

課程是畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，如何發(fā)揮課程在專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的作用，課程教學(xué)改革是最直接的手段[6-7]。因此，對課程進(jìn)行全面分析，發(fā)現(xiàn)課程建設(shè)中存在的問題，以先進(jìn)教育理念為引領(lǐng)，在教學(xué)中不斷探索、嘗試和總結(jié)，推動課程改革，促進(jìn)課程建設(shè)持續(xù)改進(jìn)非常必要。

一、課程現(xiàn)狀及存在問題

《化工過程模擬實訓(xùn)》是一門必修實踐課程，在第四學(xué)期后半學(xué)期開設(shè)，目前該課程按照教學(xué)大綱要求在兩個教學(xué)周內(nèi)完成，主要包括四項實踐內(nèi)容，即簡單物理單元過程模擬、反應(yīng)過程模擬、精餾分離單元模擬和工藝流程模擬與優(yōu)化。由于課程課時有限，注重知識體系學(xué)習(xí)時間占比較大，有針對性的能力訓(xùn)練占用的時間不充分，真正解決實際問題能力訓(xùn)練略顯不足[8-9]，隨著高等教育改革的推進(jìn)，課程在專業(yè)課程體系中的支撐作用沒有有效體現(xiàn)出來，比如在后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計、化工生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)實施過程中，過程模擬的思維和處理問題的能力滯后，不足之處可以總結(jié)出以下幾個方面。

(一) 課程內(nèi)容設(shè)計方面

按照教學(xué)大綱的要求，課程注重對模擬軟件(Aspen Plus為例)的認(rèn)知引導(dǎo)、軟件操作方法的學(xué)習(xí)，側(cè)重基本單元練習(xí)，通過混合、流體輸送、換熱、精餾幾個基本單元的模擬訓(xùn)練，實現(xiàn)以點帶面，達(dá)到對模擬軟件的內(nèi)涵理解的強(qiáng)化和針對具體問題進(jìn)行由已知到未知的模擬計算與優(yōu)化，提升利用現(xiàn)代先進(jìn)工具解決專業(yè)問題的能力。課程實施過程中，教學(xué)和實踐內(nèi)容過多強(qiáng)調(diào)知識的記憶和理解，訓(xùn)練和練習(xí)內(nèi)容多采用指導(dǎo)書中的例題和案例，多集中于操作順序內(nèi)容；系列化的模擬實踐訓(xùn)練，輸入條件和未知求解缺少變化，面對工況改變對應(yīng)的工藝條件變化有限；注重單元過程模擬的系列化，忽視了單元和系統(tǒng)模擬的密切聯(lián)系，尤其是針對各種工況的改變的適應(yīng)性關(guān)聯(lián)，種種原因，使課程在內(nèi)容安排上弱化了能力的培養(yǎng)。問題的直接體現(xiàn)就是在后續(xù)理論和實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生很難將模擬軟件應(yīng)用于具體的實踐中，比如在生產(chǎn)實習(xí)中，針對工廠生產(chǎn)裝置實際進(jìn)行模擬驗證，在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的實踐中，針對具體設(shè)計要求，在規(guī)定的時間內(nèi)正確完成對工藝過程的設(shè)計和模擬內(nèi)容；在參加全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽中，針對具體的工程設(shè)計要求，還必須花大量時間重新進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，才能應(yīng)對工程設(shè)計任務(wù)等。

(二) 教學(xué)方式方法方面

鑒于該課程屬于實踐課程，目前采用的教學(xué)方法是老師集中講授與指導(dǎo)示范，然后學(xué)生針對老師提前布置的實踐任務(wù)，按照參考書中模擬案例自己進(jìn)行模擬操作練習(xí)，過程中教師隨機(jī)指導(dǎo)，完成自己的實踐任務(wù)。從整個教學(xué)環(huán)節(jié)來看，運用的教學(xué)方法相對單一，尤其面對兩個班級近80人的學(xué)習(xí)環(huán)境，隨機(jī)指導(dǎo)的教學(xué)指導(dǎo)方法略顯不足，無法在規(guī)定時間內(nèi)顧及全體學(xué)生，尤其是對個體學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果的不足無法及時發(fā)現(xiàn)，個別學(xué)生提出問題和質(zhì)疑的機(jī)會有限，相應(yīng)的學(xué)習(xí)主動性在一定程度上被逐漸弱化，引導(dǎo)學(xué)生正確和快速思維的教學(xué)目的打了折扣，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不能有效地體現(xiàn)出來，學(xué)生的積極主動性也不能有效發(fā)揮出來。

(三) 課程考核評價方面

按照現(xiàn)教學(xué)大綱的要求，該課程的成績評定采用教師直接評分方式，評價內(nèi)容包括三個部分：平時成績，具體考核內(nèi)容為遵守課堂紀(jì)律和課堂學(xué)習(xí)態(tài)度，占比20%；實訓(xùn)報告，主要考核學(xué)生完成實訓(xùn)報告的質(zhì)量，占比60%；最后答辯，考查學(xué)生對課程的深入理解和表述能力，占比20%。從考核內(nèi)容上看，似乎評價覆蓋了教學(xué)全過程，但課程教師實施過程中，過于側(cè)重模擬實踐報告，平時考核也過于范范，和答辯一樣都缺少得力的抓手。在學(xué)生提交的實踐作品中反映出了許多問題，諸如作品的雷同率高，過多的模擬內(nèi)容截圖粘貼，缺少對模擬過程的深入理解和解釋等等；平時的考核只考查了學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，代替了考查學(xué)生真正的學(xué)習(xí)態(tài)度和對應(yīng)的學(xué)習(xí)效果；另外答辯環(huán)節(jié)更多表現(xiàn)出對模擬過程的敘述，對軟件的深刻認(rèn)知和理解相對不足。

二、課程要求及目標(biāo)

為了實現(xiàn)“面向生產(chǎn)、管理一線現(xiàn)代工程師”的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，專業(yè)確定了具體的畢業(yè)要求，其中“使用現(xiàn)代工具”的要求規(guī)定學(xué)生畢業(yè)時能夠針對化工相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對化工復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。結(jié)合課程對“能使用合適的現(xiàn)代工程工具對化工領(lǐng)域相關(guān)復(fù)雜工程問題解決方案進(jìn)行檢驗、預(yù)測和模擬，并理解其局限性”畢業(yè)要求觀察點的支撐要求，專業(yè)提出采用Aspen Plus過程模擬軟件完成基本化工過程的模擬和設(shè)計任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生將專業(yè)系統(tǒng)知識與先進(jìn)專業(yè)工具的運用聯(lián)系起來，解決復(fù)雜化工過程開發(fā)過程中涉及的各種問題，并為學(xué)生樹立正確的大化工專業(yè)安全觀，履行化工專業(yè)責(zé)任和使命擔(dān)當(dāng)?shù)於ɑA(chǔ)，最后整合成該課程，并通過了專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會的論證和認(rèn)可。

根據(jù)課程的能力、素質(zhì)要求，課程組通過研討最終確定該課程目標(biāo)，即通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備如下的能力及素質(zhì)：能樹立化工專業(yè)觀；能認(rèn)知理解Aspen Plus過程模擬軟件，包括軟件內(nèi)嵌工程知識架構(gòu)、軟件功能與局限和操作方法等；能運用Aspen Plus軟件對主要化工單元及簡單工藝過程進(jìn)行模擬與目標(biāo)優(yōu)化。任課教師將其作為課程內(nèi)容組織安排和教學(xué)實施的成果達(dá)成目標(biāo)。

三、課程教學(xué)改革方向

課程組一方面以立德樹人為根本遵循，將思政理念融入課程，同思政課程協(xié)同作用，為學(xué)生的知識和技能的作用發(fā)揮起到引領(lǐng)作用；另一方面以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，以課程目標(biāo)達(dá)成為目的，從課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā)，改革教學(xué)方式方法，加強(qiáng)教學(xué)過程考核與管理，使學(xué)生的學(xué)習(xí)成果對畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)起到支撐作用，具體從以下幾個方面進(jìn)行了改革嘗試。

(一) 完善課程內(nèi)容

課程內(nèi)容構(gòu)建以立德樹人為根本原則，注重知識、能力和素質(zhì)的統(tǒng)一，以實現(xiàn)課程目標(biāo)為導(dǎo)向，采用反向設(shè)計方法，完善課程內(nèi)容，即從簡單到復(fù)雜，從單元到系統(tǒng)逐漸深入，引導(dǎo)學(xué)生了解過程模擬軟件(Aspen Plus為例)的基本使用方法，然后從簡單的單元過程模擬入手，理解軟件內(nèi)的化工相關(guān)基本原理的關(guān)聯(lián)、待解決問題和條件輸入的相互關(guān)系，進(jìn)而掌握單元過程(物理過程和化學(xué)反應(yīng))的模擬基本方法，重點以精餾過程為對象，系統(tǒng)地完成流程模擬實踐，包括模型的選擇、流程的建立、過程定量化計算，工藝過程的優(yōu)化，內(nèi)容自成體系，支撐課程目標(biāo)的實現(xiàn)。

1.引入大化工專業(yè)觀

化工專業(yè)以服務(wù)于化學(xué)工業(yè)為主，拓展到化工相關(guān)過程工業(yè)，為其培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的合格專業(yè)人才，因此在人才培養(yǎng)過程中，必須重塑熱愛化工、學(xué)習(xí)化工和奉獻(xiàn)化工的專業(yè)精神，從而建立起吉林化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)的專業(yè)大局觀、安全觀、責(zé)任觀。專業(yè)大局觀要求將化工行業(yè)發(fā)展和國家發(fā)展結(jié)合起來，建立正確的大局意識；專業(yè)安全觀要求將化工行業(yè)中危險的特殊性和安全預(yù)防規(guī)范關(guān)聯(lián)起來，建立正確的安全意識；專業(yè)責(zé)任觀要求將職業(yè)規(guī)劃和工程師職業(yè)道德聯(lián)系起來，建立為化工奉獻(xiàn)的使命意識。在課程內(nèi)容調(diào)整上，將大化工專業(yè)觀與課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來，從專業(yè)層面逐漸細(xì)化為課程層面，在模擬概述中結(jié)合模擬軟件內(nèi)部知識功能架構(gòu)、單元模塊計算、系統(tǒng)過程模擬與優(yōu)化等內(nèi)容提出設(shè)計過程對工藝實施的重要性，各設(shè)計參數(shù)的協(xié)調(diào)作用，以及學(xué)生作為設(shè)計者必須具有正確的工作態(tài)度；完成模擬設(shè)計任務(wù)后，內(nèi)容中要求學(xué)生針對自我的實踐過程，從大化工專業(yè)觀方面闡述學(xué)習(xí)心得，加深認(rèn)知。

2.注重課程間銜接緊密

在最近一輪專業(yè)人才培養(yǎng)方案修訂中將《化工過程模擬實踐》調(diào)整到第六學(xué)期，并建議安排在第10周以后，此時學(xué)生已經(jīng)掌握了《化工原理》中的單元操作基本理論知識和《化工熱力學(xué)》中的物性計算模型及方法，在《化工單元設(shè)計》和《化工認(rèn)識實習(xí)》實踐環(huán)節(jié)中對化工生產(chǎn)過程有了基本認(rèn)知，對單元設(shè)備的設(shè)計內(nèi)容及程序有了深刻的理解，為該課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定了的理論和實踐基礎(chǔ)；與《化學(xué)反應(yīng)工程》《化工分離工程》等專業(yè)理論課程和《化工單元設(shè)計》《化工認(rèn)識實習(xí)》等實踐環(huán)節(jié)同步進(jìn)行，實現(xiàn)基本理論知識實時學(xué)習(xí)和充實，知識強(qiáng)化和實踐能力的協(xié)同提升。另外《化工熱力學(xué)》第五學(xué)期已經(jīng)開課，在該課程中已經(jīng)講述了狀態(tài)方程和活度系數(shù)模型計算方法及相平衡理論知識，并介紹了Aspen Plus過程模擬軟件的基本功能和使用方法，將理論基礎(chǔ)與軟件應(yīng)用聯(lián)系起來，并已經(jīng)培養(yǎng)了大部分學(xué)生學(xué)習(xí)和運用軟件的興趣。

3.體現(xiàn)課程內(nèi)容層次清晰

本課程要求通過完成一個系統(tǒng)工藝模擬任務(wù)來實現(xiàn)課程目標(biāo)，組成系統(tǒng)的單元可以在物料輸送、混合、加熱或冷卻、反應(yīng)、分離等單元過程中根據(jù)需要進(jìn)行選取和組合，因此課程內(nèi)容按照先單元過程模擬練習(xí)、再單元過程組合模擬練習(xí)、最后針對課題建立系統(tǒng)工藝并進(jìn)行模擬與優(yōu)化的層次進(jìn)行設(shè)置，模擬練習(xí)中將單元過程落實到具體的單元設(shè)備，如流體輸送泵、換熱器、精餾塔等，按照從簡單到復(fù)雜的層次進(jìn)行安排，體現(xiàn)出知識的學(xué)習(xí)、技術(shù)的運用和能力的培養(yǎng)的邏輯關(guān)系，也勾勒出解決工程問題的思路。課題來源以典型工程案例為主，課題數(shù)量決定于物系的不同和已知參數(shù)不同，在任務(wù)中指定的單元過程，明確運用單元過程組成工藝系統(tǒng)，關(guān)于單元設(shè)備的組合和操作工藝參數(shù)的優(yōu)化由學(xué)生自主確定，能讓學(xué)生體會出工藝設(shè)計中已知設(shè)計參數(shù)和工藝操作參數(shù)區(qū)別和聯(lián)系，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生去獲取設(shè)計物性數(shù)據(jù)，構(gòu)建出化工過程的思維導(dǎo)圖。

(二) 優(yōu)化教學(xué)方法

教學(xué)方法是完成教學(xué)任務(wù)和實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要手段。在教學(xué)過程中，堅持“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念[10]，發(fā)揮大化工專業(yè)觀的引領(lǐng)作用，實行課程組教學(xué)負(fù)責(zé)制，強(qiáng)化教學(xué)全程化管理，積極探索先進(jìn)教學(xué)方式方法，多措并舉，注重學(xué)習(xí)實效，對傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行不斷優(yōu)化，以提高課程教學(xué)效果。

課堂集中教學(xué)嘗試課程組集體教學(xué)方式，即主講教師集中講授和輔導(dǎo)教師實時指導(dǎo)相結(jié)合，課后采用線上配合線下跟蹤輔導(dǎo)方法。課程組針對每個授課班級配備三名教師，其中一名教師主講，另外兩名教師負(fù)責(zé)隨機(jī)輔導(dǎo)，授課方式采用教師講授和案例引導(dǎo)方式進(jìn)行，在教學(xué)中主要采用在軟件界面教師講解和學(xué)生認(rèn)知理解、教師演示和學(xué)生操作訓(xùn)練、學(xué)生自主練習(xí)和教師隨機(jī)指導(dǎo)等相結(jié)合的方式。以完成具體實踐任務(wù)為導(dǎo)向，講做結(jié)合、自主練習(xí)和全程輔導(dǎo)結(jié)合，注重從簡單到復(fù)雜的學(xué)習(xí)規(guī)律，學(xué)生領(lǐng)會循序漸進(jìn)展開模擬訓(xùn)練，鼓勵學(xué)會學(xué)生相互交流和分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗，輔導(dǎo)教師隨時察覺學(xué)生學(xué)習(xí)中存的問題，及時進(jìn)行糾正和指導(dǎo)，針對個別學(xué)生存在學(xué)習(xí)困難進(jìn)行單獨指導(dǎo)。

(三) 強(qiáng)化課程考核

鑒于本課程屬于實踐類課程，考核方向主要集中在對實踐過程和實踐報告質(zhì)量的考核上。依據(jù)課程目標(biāo)要求，具體的考核內(nèi)容落實到學(xué)生對課程支撐大化工專業(yè)的認(rèn)知態(tài)度、課內(nèi)模擬訓(xùn)練的認(rèn)真態(tài)度、撰寫實踐報告的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，對模擬過程內(nèi)容、程序、模擬準(zhǔn)確定的掌握水平，完成模擬實踐報告的質(zhì)量等幾個方面，覆蓋了課程教學(xué)的全過程。結(jié)合教學(xué)大綱規(guī)范要求，確定了通過平時(50%)和模擬實踐(50%)兩大考核模塊，其中平時考核包括學(xué)習(xí)態(tài)度(10%)、課內(nèi)測驗(15%)和課內(nèi)總結(jié)(25%)三個項目，學(xué)習(xí)態(tài)度主要考核學(xué)生對大化工專業(yè)觀的理解和認(rèn)識，測驗和總結(jié)是為了更加側(cè)重過程考核；模擬實踐主要檢測模擬過程結(jié)果的質(zhì)量和學(xué)生對模擬軟件的應(yīng)用能力，細(xì)化為工藝流程建立(15%)、工藝計算(20%)、過程優(yōu)化(15%)和結(jié)合過程考核針對模擬任務(wù)的口頭答辯(20%)，并確定了嚴(yán)格細(xì)致的考核標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)具有真正意義上的全過程考核。根據(jù)學(xué)生的最終各項目成績，課程組完成課程的課程質(zhì)量報告，實現(xiàn)考核和評價的統(tǒng)一，促進(jìn)課程持續(xù)改進(jìn)。

四、結(jié) 語

在專業(yè)認(rèn)證背景下，課程改革是高水平專業(yè)建設(shè)的有力抓手。經(jīng)過吉林化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)《化工過程模擬實踐》課程改革探索，課程改革應(yīng)以目標(biāo)為導(dǎo)向，著重加強(qiáng)課程內(nèi)容的整合與優(yōu)化、改進(jìn)教學(xué)方法、完善課程過程考核等方面進(jìn)行頂層設(shè)計，在教學(xué)過程中有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，全面提高專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量，有效支撐畢業(yè)要求的達(dá)成和培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)，為工程教育系列改革提供示范。