基于工程教育認(rèn)證的化工過(guò)程分析與合成示范課程建設(shè)

熊金鈺 , 李伏虎 , 焦發(fā)存

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 , 安徽 淮南 232001)

0 前言

近年來(lái),安徽省教育廳在全省普通高校開(kāi)展“基層教學(xué)組織”和“基本教學(xué)活動(dòng)”標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和示范創(chuàng)建工作,示范課是探討教學(xué)規(guī)律、研究教學(xué)方法、推廣教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的一種教學(xué)組織形式,也是教師課堂教學(xué)水平自我提升的重要途徑。

化工過(guò)程分析與合成列入我國(guó)工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的必修課程,是化學(xué)工程與工藝專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心課程之一。本課程注重基本概念、原理、方法和策略的論述,結(jié)合工程實(shí)際與研究項(xiàng)目,貫穿系統(tǒng)、整體的觀點(diǎn)和全局優(yōu)化的思想進(jìn)行過(guò)程系統(tǒng)的操作分析與設(shè)計(jì)。采用系統(tǒng)的方法論,把研究的對(duì)象系統(tǒng)和研究過(guò)程看作一個(gè)整體,把系統(tǒng)中可調(diào)的部分調(diào)節(jié)到“能獲得最優(yōu)性能”的檔位上,這就需要建立過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,描述出系統(tǒng)中每一部分及總體性能,并給以評(píng)價(jià),應(yīng)用過(guò)程集成技術(shù)、人工智能技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對(duì)過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化。

按照國(guó)家工程教育認(rèn)證要求,基于OBE理念修訂課程教學(xué)大綱,確定課程教學(xué)目標(biāo),通過(guò)課程學(xué)習(xí),要求學(xué)生掌握化工過(guò)程系統(tǒng)模擬與分析的基本概念、基礎(chǔ)理論,掌握化工過(guò)程中換熱和分離單元的綜合和優(yōu)化理論,了解化工過(guò)程系統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域的有關(guān)發(fā)展前沿,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法研究化工過(guò)程系統(tǒng)模擬、分析、優(yōu)化和合成的基本能力,從系統(tǒng)工程的角度分析和解決實(shí)際化工過(guò)程問(wèn)題的能力,增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí),以適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求[1]。

1 課程內(nèi)容與要求

化工過(guò)程分析與合成課程教學(xué)內(nèi)容共六章,包括緒論、單元過(guò)程模擬、過(guò)程系統(tǒng)模擬、夾點(diǎn)技術(shù)基本理論、換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合、分離序列綜合,根據(jù)大綱要求逐一展開(kāi),這些內(nèi)容共同形成了本課程完整的知識(shí)體系[2]。在教學(xué)中盡量避免過(guò)多講授繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程,從化學(xué)化工角度,以物理化學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)等前導(dǎo)課程的知識(shí)作為切入點(diǎn),運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí),由淺入深地講解本課程的知識(shí)點(diǎn),并確定學(xué)習(xí)目標(biāo),從而培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)的能力。

在教學(xué)中將課程目標(biāo)具體落實(shí)到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),合理設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié),形成符合學(xué)生邏輯思維、知識(shí)和能力遞進(jìn)的教學(xué)活動(dòng)。以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力為中心,注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用基本理論,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,綜合地分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。在示范課教學(xué)過(guò)程中,堅(jiān)決貫徹三條標(biāo)準(zhǔn)。①嚴(yán)要求,講規(guī)范。教學(xué)上始終堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求,按專業(yè)學(xué)習(xí)發(fā)展需要規(guī)范教學(xué),嚴(yán)格按照教學(xué)大綱和授課計(jì)劃落實(shí)教學(xué)任務(wù),及時(shí)記錄學(xué)生的課堂表現(xiàn),整理平時(shí)作業(yè)情況,綜合學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果,不斷完善授課內(nèi)容,改進(jìn)教學(xué)方法。②重視基礎(chǔ)理論與其他課程的聯(lián)系。該課程需要數(shù)學(xué)、化工原理、物理化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工分離工程的相關(guān)知識(shí)作基礎(chǔ),為強(qiáng)化學(xué)生接受新知識(shí)和信息的能力,培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力,要求適量練習(xí),鞏固基本理論的應(yīng)用,重點(diǎn)章節(jié)后留置課后作業(yè)強(qiáng)化練習(xí),需要建立試題庫(kù)。③強(qiáng)調(diào)改革。在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、教學(xué)手段、教學(xué)方法理念及成績(jī)?cè)u(píng)定等方面嘗試一些改革。課程結(jié)束進(jìn)行課程目標(biāo)達(dá)成度分析、畢業(yè)要求達(dá)成度分析。通過(guò)多種評(píng)價(jià)方法,綜合評(píng)判教學(xué)效果,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),力爭(zhēng)下一次教學(xué)有所提高。

2 教學(xué)方法與考核模式

教學(xué)方法包括教師教的方法和學(xué)生學(xué)的方法兩大方面,高效的教學(xué)方法是教授方法與學(xué)習(xí)方法的統(tǒng)一,是師生共同努力的結(jié)果。目前,大多數(shù)專業(yè)理論課程采用講授法,教師通過(guò)口頭語(yǔ)言向?qū)W生傳授知識(shí)。在講授過(guò)程中,會(huì)按一定的教學(xué)要求提問(wèn)學(xué)生,通過(guò)問(wèn)答形式引導(dǎo)學(xué)生獲取或鞏固知識(shí)。有時(shí)候,也會(huì)根據(jù)專題開(kāi)展一些討論,針對(duì)教材中的基礎(chǔ)理論或主要疑難問(wèn)題,讓學(xué)生獨(dú)立思考后,與同學(xué)們分享見(jiàn)解,可以全班進(jìn)行,也可以分組進(jìn)行。但是,這些過(guò)程中,多數(shù)學(xué)生仍處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)。根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔(見(jiàn)圖1),可知這種以教師為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式,學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容留存率較低[3]。被動(dòng)學(xué)習(xí),學(xué)生缺乏自信,創(chuàng)造性被壓制,因此,需要改革教學(xué)方式,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),提倡啟發(fā)式、探究式、討論式等多種教學(xué)方式相結(jié)合,為學(xué)生創(chuàng)建獨(dú)立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)氛圍,促進(jìn)學(xué)生全方位發(fā)展[4]。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同特點(diǎn),選擇合適的教學(xué)方式,讓學(xué)生清楚自己既是教學(xué)的客體,又是學(xué)習(xí)的主體,要積極思考,主動(dòng)獲取知識(shí)。在化工過(guò)程分析與合成教學(xué)示范課建設(shè)中,嘗試以下教學(xué)方法。

圖1 學(xué)習(xí)金字塔

2.1 通過(guò)案例啟發(fā)學(xué)生思考

在“換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合”教學(xué)之初,引入最簡(jiǎn)單的工藝過(guò)程,乙烯裂解氣甲烷化流程如圖2所示,讓學(xué)生從感性上認(rèn)識(shí)換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合的必要性。

圖2 乙烯裂解氣甲烷化流程

通過(guò)此工藝,學(xué)生認(rèn)識(shí)到:將氫氣從30 ℃預(yù)熱到310 ℃進(jìn)入反應(yīng)器,需要消耗大量的燃料,同樣,將粗產(chǎn)物從303 ℃降溫至21 ℃,又需要大量的冷卻介質(zhì),燃料、冷卻介質(zhì)的消耗意味著操作費(fèi)用的增加。這時(shí),學(xué)生很容易想到:用粗產(chǎn)物預(yù)熱氫氣。通過(guò)一臺(tái)換熱器回收過(guò)程熱量,即使兩股物流(氫氣、粗產(chǎn)物)沒(méi)達(dá)到目標(biāo)溫度,也會(huì)距目標(biāo)溫度更近,從而節(jié)省燃料、冷卻介質(zhì)的用量,進(jìn)而節(jié)省支出費(fèi)用。那么,讓冷、熱物流經(jīng)過(guò)換熱器回收多少熱量,才能使燃料、冷卻介質(zhì)的消耗量最少?這就引出了冷熱物流換熱匹配問(wèn)題。結(jié)合前期夾點(diǎn)理論的學(xué)習(xí),學(xué)生知道夾點(diǎn)匹配換熱可以回收最多的熱量。在講解圖解法確定夾點(diǎn)時(shí),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解夾點(diǎn)處傳熱溫差是最小的,離開(kāi)夾點(diǎn)傳熱受限減少,夾點(diǎn)匹配回收的熱量最多。這時(shí),再提出問(wèn)題,增大ΔTmin,回收的熱量肯定減小,公用工程用量增加,那么,公用工程熱負(fù)荷的增加量與冷負(fù)荷的增加量有何關(guān)系?引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)討論,從溫-焓圖中得到的不同過(guò)程系統(tǒng)最大回收熱量、最小公用工程加熱量和最小公用工程冷卻量進(jìn)行分析,啟發(fā)學(xué)生提出合理 ΔTmin的確定思路與方法,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,并幫助學(xué)生建立設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)方案的概念。

講解夾點(diǎn)法換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合的過(guò)程中,通過(guò)案例教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生將夾點(diǎn)處物流匹配的可行性原則和經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的理論知識(shí)用于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合過(guò)程,特別在如何分支流股滿足夾點(diǎn)處物流匹配的可行性原則上,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合講授結(jié)束,留置復(fù)習(xí)題結(jié)合前期所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),圍繞不同理論得到的初步換熱器網(wǎng)絡(luò),闡述換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合的優(yōu)化目標(biāo)。熟練掌握理論知識(shí)后,來(lái)個(gè)練手作業(yè),從實(shí)際的工藝過(guò)程抽象出一個(gè)兩組熱物流和兩組冷物流匹配的熱量回收問(wèn)題。這種“先期老師主導(dǎo)、后期學(xué)生主導(dǎo)”的師生呼應(yīng)的教學(xué)過(guò)程,確保學(xué)生掌握化工過(guò)程中換熱單元分析與優(yōu)化的理論和方法,實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)能夠運(yùn)用工程基礎(chǔ)知識(shí)在過(guò)程系統(tǒng)能量、質(zhì)量的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求下,對(duì)換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合提出優(yōu)化方案,支撐畢業(yè)要求能夠進(jìn)行化工單元集成,進(jìn)行系統(tǒng)和工藝流程的設(shè)計(jì),對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化,體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)的達(dá)成。

2.2 讓學(xué)生參與講授過(guò)程

學(xué)習(xí)金字塔理論表明:不同的學(xué)習(xí)方式得到的學(xué)習(xí)效果差別很大,位于塔尖的是學(xué)生聽(tīng)老師講授,效果最差;位于塔底的是學(xué)生主動(dòng)參與、給別人講授,效果最好[3]。通過(guò)教授給他人,學(xué)習(xí)內(nèi)容平均留存率可達(dá)90%。

2.3 設(shè)計(jì)多層次考評(píng)體系

本課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)組成,設(shè)計(jì)了多層次考評(píng)體系,綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。評(píng)價(jià)內(nèi)容由課堂表現(xiàn)(15%)、課后作業(yè)(15%)、結(jié)課考試(70%)三部分組成,其中課堂表現(xiàn)包括出勤、課堂提問(wèn)、隨堂測(cè)驗(yàn)和課堂討論的參與情況,課后作業(yè)包括完成與否、完成質(zhì)量。課堂測(cè)試是在課堂教學(xué)過(guò)程中,根據(jù)進(jìn)度適時(shí)、隨機(jī)以客觀題的形式檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的掌握程度,一般5～10 min提交結(jié)果。課后作業(yè)要求學(xué)生獨(dú)立完成,收回后及時(shí)批閱,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié),找出出錯(cuò)較集中的題目,請(qǐng)掌握較好的學(xué)生講評(píng)作業(yè)。

2.4 融入課程思政元素

在示范課程教學(xué)過(guò)程中,融入課程思政元素,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)生為振興民族化工事業(yè)獻(xiàn)身的熱情。鼓勵(lì)學(xué)生搜集我國(guó)科學(xué)家在化工過(guò)程系統(tǒng)領(lǐng)域的研究成果,幫助學(xué)生樹(shù)立正確的認(rèn)知,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)、求實(shí)創(chuàng)新的工作作風(fēng)。

3 總結(jié)

課程建設(shè)是提高高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要搞好課程建設(shè),需要樹(shù)立全新的課程觀,發(fā)揮示范課程的引領(lǐng)作用,革新教學(xué)方法和手段。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn),探索了以學(xué)生為中心的教學(xué)過(guò)程,同時(shí)通過(guò)多種方式加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握。通過(guò)案例分析和討論課,引導(dǎo)學(xué)生把握問(wèn)題本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。