基于工程教育认证的"化工过程分析与合成"教学探讨

晋 梅,安 良,吴宇琼,邹琳玲

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

为了适应新世纪化工类专业人才培养的需求， “化工过程分析与合成”列入化学工程与工艺专业人才培养方案中的核心课程之一，同时也列入我国《工程专业认证标准》中的必修课程[1]。“化工过程分析与合成”是将系统工程的思想、方法和策略用于解决化工过程系统中复杂的化学工程问题。学生通过本课程学习，能运用系统工程的观点和方法对化工过程系统进行系统分析、过程系统模拟与优化，实现化工过程系统在开发、设计、操作以及管理等各个层面达到单个或多个目标的最优化[2]。

结合工程教育专业认证，在教学过程中，引入“以学生为中心，以成果为导向”的OBE教学理念，对课程目标、课程考核方式和评价体系进行教学设计，优化教学内容；引入思维导图，培养学生自主学习能力；采用研讨式、启发式和问题导向的复合式教学方法，培养学生分析和解决问题能力；应用Aspen Plus流程模拟软件进行课程实践教学，提高学生创新实践能力和工程实践能力。

1 OBE教学理念贯穿课程教学设计和教学过程

表1 基于OBE理念的“化工过程分析与合成”课程内容和要求

Spady等人在1981年提出成果导向教育，简称OBE，已成为美国、英国、加拿大等国家教育改革的主流理念，被工程教育专业认证采纳。OBE教学理念是将传统的“以教师为中心”、“以课本为中心”的教学理念转变成四个较为具体的问题：“我们想让学生取得的学习成果是什么？”“为什么要让学生通过本课程的学习取得这样的学习成果？”“如何有效的通过课程学习取得这些学习成果？”“如何知道学生在课程学习结束后已经取得了这些学习成果？”[3]。为了更好的贯彻OBE教学理念，将上述四个问题转化为课程教学内容、学生通过学习后所能达到的毕业要求、学生的能力培养要求和课程的考核方式等具体的课程目标，如表1所示。

通过“化工过程分析与合成”教学内容的设计，学生可获得三个课程目标的学习成果，以满足学生能达到的毕业要求，三个课程目标分别与学生毕业后“问题研究能力、设计/开发方案能力以及使用现代工具的能力”相关，另外，通过平时作业、结课考试、上机实践以及提交课程报告等考核学生是否满足课程的教学目标，最后通过计算课程目标达成度，对学生达成情况进行分析评价，为持续改进提供思路。

2 思维导图的应用培养学生自主学习和问题分析的能力

思维导图是英国托尼巴赞在1970年提出的一种发散性思考可视化工具，模拟人脑的工作方式，充分运用左右脑的技能，让左半脑和右半脑在思维过程中协同运作，以树形分支延伸出去，形成一种树状思维。

在教学过程中，为了强化学生自主学习能力和教会学生“如何学习”，在章节或知识点学习结束后，引入思维导图，帮助学生系统性的掌握知识，培养学生自主学习能力和形成自己的学习方法。如，在过程系统稳态模拟方法讲解完之后，引入如图1所示的思维导图，帮助学生将所学的内容按照逻辑关系梳理所学的知识点以及梳理各知识点之间存在的关联。通过思维导图，一方面，培养学生对所学知识的分析、总结能力，另一方面，培养学生自主学习的能力，提高学习的主观能动性。

图1 过程系统稳态模拟方法的思维导图

3 复合式教学模式培养学生设计/开发解决方案的能力

在教学中，采用问题导向、启发式、研讨式和案例式的复合式教学模式[4]，既把学生当做教学的客体，又把学生当成学习的主体，让学生更主动的获取知识，调动学生积极思维的能力。

在“图解法确定夹点”教学过程中，引导学生对不同ΔTmin下温-焓图中所得到的不同过程系统最大热回收、最小公用工程加热和最小公用工程冷却量进行讨论，启发和引导学生提出确定合理ΔTmin的思路和方法，培养学生发现问题和解决问题的能力，并帮助学生建立设计/开发方案的概念。

在换热网络综合教学过程中，结合前期所学的传热学和热力学的理论知识，讨论换热网络综合的优化目标，并对不同理论所得到的初步换热网络进行讨论。在夹点法换热网络综合的教学过程中，通过案例教学，培养学生将夹点处物流匹配的可行性原则和经验性规则的理论知识用于换热网络综合过程，尤其在如何拆分流股满足夹点处物流匹配的可行性原则上，培养学生分析和解决问题的能力以及设计/开发方案的能力。在分离序列综合教学中，引导学生将分离序列综合的优化目标进行合理简化，并采用案例教学方法，让学生学会应用有序直观推断法提出初步分离序列设计方案，培养学生设计/开发方案的能力。

4 Aspen Plus流程模拟软件培养学生使用现代工具的能力

Aspen Plus软件是美国麻省理工学院在20世纪70年代开发的化工模拟软件，可用于单元过程和完整工艺流程模拟，是应用最为广泛的大型通用稳态模拟软件和功能最全面的过程工程软件，在化工设计院、研究院、企业和高校教学中具有普遍应用。

为了加强学生工程实践能力的培养，在课程实践教学过程中引入Aspen Plus软件进行某体系精馏塔的模拟与优化、某产品的生产工艺流程模拟与优化、并将Aspen Plus和Aspen Energy Analyzer关联使用[5-6]，在流程模拟的基础上对过程系统的换热网络夹点进行分析，并提出换热网络设计方案。

将Aspen Plus流程模拟软件应用于化工过程分析与合成的教学中，不但培养了学生应用计算机应用能力，也让学生了解了实际工程案例在软件中模拟和优化中的应用，使课程紧密联系化工生产实际过程，提高学生的自主创新能力和工程实践能力。另外，通过化工过程的模拟，也让学生了解软件在实际工程问题中的使用局限性，培养学生学会分析模拟软件计算结果的可靠性和正确性。

5 小结

在中国工程教育专业认证体系下，建立“以学生为中心”、“以成果为导向”的OBE教学理念，同时，在教学过程中引入思维导图，培养学生自主学习能动性和学会"如何学习"；采用复合式教学方法，培养学生自主分析问题、解决问题的能力，并培养学生设计/开发方案的能力；基于Aspen Plus流程模拟软件进行工程实践问题的模拟与优化，将工程实践和理论相结合，引导学生合理选择模拟软件并能认识到软件在使用过程中局限性，提高学生的综合专业素质。