过程设备优化设计课程教学改革浅析

2018-12-28来永斌李雪斌周毅钧

科技视界 2018年29期

王龙来永斌王成伍广李雪斌周毅钧

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

《过程设备优化设计》课程主要运用优化技术对过程控制相关设备进行优化分析，降低成本，提高工作效率。《过程设备优化设计》课程含有优化概念的认识、优化计算公式推导、计算方法等。考虑到大四学生虽已学习过专业课，但解决实际工程问题能力尚欠缺，学生在学习过程设备优化设计常常会感到疑惑。本文通过列出过程设备优化设计课程教学过程中常见的若干问题，对《过程设备优化设计》教学改革进行分析，结合课程积累的若干教学经验提出未来需要改变的方向。

1 多利用现代教学技术

一般来说，《过程设备优化设计》教材中均以优化后的设备作为引入点来说明优化过程，是否能正确理解优化设计过程会影响学生学习过程设备优化设计积极性。以前的教学过程多是授课教师以黑板板书讲解化工设备的优化过程，由于此过程中的优化多是枯燥的数学公式的推导与计算，大多数学生对其不感兴趣。随着智能手机的普及，刻板枯燥的教学方式使学生对优化过程缺乏进一步认识和理解，学生的学习效率进一步降低。

如果在《过程设备优化设计》课堂上多应用多媒体课件，通过制作一些优化设计零部件的Flash 动画演示把优化步骤及过程形象地展示在课堂，辅以图文解释说明流程，使学生可以直观地接触化工设备各个零部件的优化设计，通过改进教学展示内容，可以改善相对枯燥的教学过程，创造出较为主动启发式的教学环境，若果可以激发大部分学生的学习兴趣，则可调动其积极性。

其次，《过程设备优化设计》教材中涵盖的基本概念、原理及公式推导等，据统计大量的数学公式推导时间占课堂总时间比例较多，这就会造成在大纲规定的课时内完成无法完成相应的教学内容，教学效率下降。

图1 过程设备优化设计教学手段模型

在《过程设备优化设计》教学中，把繁琐耗时的推导公式过程利用PPT 多媒体技术展示出来，为使学生较好地把所学应用到工程中，还可以适当加入某些公式的应用环境及所提出的背景需求。一旦达到上述教学过程，那么在大纲要求的学时内必将可圆满地完成教学任务，达到较好的教学效果。

此外，《过程设备优化设计》教学中对多媒体的使用多集中于压力容器的优化设计、换热器的优化设计、化工塔设备的优化设计、风机与泵的优化设计等。

在实际课堂教学中应用上述教学手段，对同一学期采用不同教学手段模型的班级的考试成绩分析，发现一旦过程设备优化设计课程采用改良后的教学方法，其考试结果的优秀率及班级平均分数均比以前高出约10%左右。

最后，由于多媒体教学在单位时间内其包含知识信息较多[1]，合理分配教学时间及学生理解PPT 涵盖内容对教师的教学能力也是一个挑战。一旦整个教学过程利用不停转动的PPT 幻灯片来传递复杂的教学难点及重点，与电影画面不同，学生需要一定时间来思考及吸收所学内容，这种‘填鸭’式教学会阻碍学生对其学习内容接受与理解，扼杀了学生创作的机会[2]。

2 合理调整教学内容

以《过程设备优化设计》课程的教学大纲作为参考，同时借鉴世界发达国家对过程设备优化设计课程的改革经验。对教材内容进行相应调整与规划。以优化设计为主线，将课本教学内容相互结合、相互统一，形成有机的整体，如图2 所示。

图2 过程设备优化设计课程体系

课程主体由三个部分组成：第一部分是优化设计概念及示例，主要讲述优化设计的基本概念与如何利用其技术完成相关化工设备的优化结果。第二部分是优化设计数学知识，使学生掌握多元函数的泰勒展开及一维搜索的最优化方法，对多维无约束最优化方法及多维约束最优化方法有定性的认识，考虑到Matlab工具箱的广泛应用，上述方法均可利用Matlab 进行编程实现，因此其实现过程不是学生掌握的重点。第三部分是化工设备优化设计，该内容实际上是工程应用问题的解决过程及结果。从该内容难度及学生对其理解的程度来看，完全掌握其方法是可以达成的，但学生能独立解决该问题则是一个比较困难的问题。如果本章内容采用动态演示辅以教学互动环节实现教学过程，视频播放中可以增加每个部件在优化过程中的逐步实现过程，使学生可以了解过程设备优化设计计算中每一步迭代所对应的物理过程，达到培养学生学习优化设计的目的。

3 利用实验手段提高学生认知能力

《过程设备优化设计》实验可以作为是学生理解优化过程的补充手段，其实现方式可以是学生上机实现的数值计算结果。所涉及到一维搜索的最优化方法，多维约束最优化方法等都可以通过计算机数值运算得到[3]。通过选取典型的优化设计方法，让学生自主动手采用相关编程语言实现其计算过程获取结果。通过学生自身展示实验结果，了解优化过程。教师在指导过程设备优化设计实验中可对相关实验环节进行改进，可增加相关优化设计实验。