基于IEET工程教育认证的化工原理课程教学改革

代立波 丁翠翠 龚凌诸 郑志功

摘  要 近年来随着教育体系的不断完善，认证评估成为保障高校专业办学质量的重要方式。针对化工原理课程传统教学存在的弊端，结合IEET工程教育认证要求，围绕如何培养学生掌握化工过程开发、解决复杂工程问题的能力以及如何培养学生的安全生产意识，探索课程建设的新思路，为该课程核心能力的达成以及人才培养提供建设性意见。

关键词 IEET工程教育认证;化工原理;教学改革;虚拟仿真课程

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：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

工程教育是我国高等教育的重要组成部分，对支撑和促进国民经济建设具有重要意义。我国工程教育认证主要采用两种模式：一种是教育部或住建部等部门组织的专业评估认证，另一种是IEET工程及科技教育认证。两种评估体系虽然对学生的能力和素质等方面的要求存在差异，但主要是以成果导向为培养核心[1]。以学生成果导向的培养模式打破以教师为中心的传统教学理念，对教学过程影响深远。根据工程教育认证相关要求，专业建设和课程设置要以教育目标、培养学生核心能力为重心，确保教学质量，让学生所有所得、学以致用。

福建工程学院化学工程与工艺专业于2019年3月首次通过IEET工程及科技教育认证，为该专业的长远发展奠定了良好的基础。新的培养模式和教育理念对课程教学提出深刻问题：如何组织和设计教学过程以培养满足工程教育认证的合格毕业生？因此，基于IEET工程教育认证的课程教学研究和改革具有重要的理论和现实意义。

化工原理是福建工程学院化学工程与工艺专业IEET认证的核心课程，该课程主要介绍流體流动、过滤、精馏和吸收等化工基本单元操作的原理、设备设计构造和计算方法[2]。随着化学工业的快速发展，化工原理的基本理论在现代工业及相关领域的应用越来越广泛。该课程在IEET工程教育认证中主要培养学生掌握以下四个方面的核心能力：

1）化工过程开发、过程优化及工艺设计的能力;

2）综合运用专业知识解决现场复杂工程问题的能力;

3）熟悉危险化学品管理、环境保护及安全生产等方面的法律法规;

4）了解化工行业技术标准，以及新工艺、新技术与新材料的发展动态。

为满足工程认证标准，培养学生以上能力，根据化工原理课程的性质和特点，提出从以下几个方面进行课程改革与实践：

1）通过虚拟仿真，培养学生化工过程开发、过程优化及工艺设计的能力;

2）通过实际案例教学，提升学生对复杂化工生产过程的原理进行分析的能力;

3）结合工艺，分析生产过程安全隐患，建立生产安全意识;

4）建立课外阅读知识库，满足学生了解化工行业技术标准，以及新工艺、新技术与新材料发展动态的需求。

通过以上阶段的系统学习和锻炼，相信可以有效提升学生对常见的化工单元操作基本知识的掌握，学会解决复杂分离过程问题，了解法律法规和前沿进展，最终达成工程教育专业认证对该课程的要求。

2 以虚补实，强化虚拟仿真

往届学生在学习化工原理基本理论和设备构造时，受时间、空间等条件的限制，感觉知识比较抽象，也缺乏对实际生产操作过程的直观了解，因此很难培养化工过程开发及工艺设计的能力、综合运用专业知识解决现场复杂工程问题的能力。为弥补课堂教学的短板，通过建立典型的化工原理虚拟仿真项目，学生可以自主安排项目学习的时间，并且可以针对感兴趣的仿真内容进行自主学习，实际动手解决复杂工艺操作设计等相关问题，最终有效地提高工程思维能力。虚拟仿真课程内容建设主要从以下几个方面展开。

1）与课堂教学内容有机结合，制作典型化工单元操作工艺或设备动画及模型，提高学生学习积极性，强化教学效果。以过滤章节为例，学生在学习板框压滤机设备结构及分离原理的过程中，主要对以下两个问题存在疑惑：

①设备中过滤路线和洗涤路线的特点和区别;

②过滤板和洗涤板结构的差异。

在传统教学中，教师主要通过平面图片展示介绍，需要学生自己建立过滤过程的三维立体想象能力，影响教学进度。此外，过滤板和洗涤板结构非常相似，学生经常混淆。为解决以上问题，通过制作过滤板和洗涤板三维立体动画、过滤和洗涤过程液体流动动画，将抽象的内容具体化、可视化，学生可以清晰观察到板框过滤机的内部结构，加强对过滤知识的理解和应用。

2）要培养学生化工过程开发、过程优化及工艺设计的能力，关键还是要动手练。在线虚拟仿真是近年来锻炼工科学生动手能力的有效手段[3]，通过在线虚拟操作，可以使学生真正动手操作或计算化工单元设备，并输出仿真结果进行分析。以流体输送机械中的离心泵仿真项目为例，学生首先通过课堂知识学习离心泵设备的原理和结构，在离心泵液体输送虚拟仿真软件环境中完成离心泵设备的拆装和调试、液体输送工艺的设计和操作等环节。通过以上过程，学生可以完成整个流体输送过程的实际操作，有效地提高过程开发和解决复杂工程问题的实践能力。

3 面向工程，突出案例教学

案例教学能使学生更加真实地认识化工生产过程，为今后从事化工行业工作打下基础[4]。课程案例教学主要从以下几个方面建设。

建立教学案例平台  进行案例教学之前，首先设计并制作案例资源，以满足教学和学生学习的需要。为保证案例教学的有效实施，逐步建立和完善在线课程案例库系统。以吸收单元为例，本章主要建立了氯化氢吸收制盐酸、合成氨工业中碳酸钾化学吸收二氧化碳等教学案例。

案例教学的设计与组织  如何开展化工原理案例教学，是教学设计过程中需要解决的关键问题。案例教学的主要目的是把学生带到“复原”的工艺现场进行分析，了解实际工业生产工艺和解决具体复杂问题的能力。以氯化氢吸收法生产盐酸为例，简要介绍案例教学的实施过程。工业中盐酸的生产原料主要来自液氯工段中产生的废氯气和电解过程中产生的氢气，两种气体在铁合成炉内燃烧生成氯化氢;氯化氢经散热器和石墨冷却器降温后进入膜吸收塔，用稀酸溶液吸收氯化氢气体[5]。在当学生学完吸收单元理论知识后，课堂上给出氯化氢吸收法生产盐酸工程案例及工艺流程图，接下来组织学生以2～3人一组的形式进行讨论，分析生产工艺过程。讨论完生产工艺流程后，通过问题引导学生进行案例分析，例如：生产过程中哪些因素会影响吸收效果（即出塔盐酸溶液浓度或尾气浓度）？从哪些角度可以进一步改善工艺方案？学生在对知识点进行梳理和吸收后，分析如下：

1）氯化氢气体纯度问题，即前一工段可能燃烧不充分;

2）氯化氢气体流量下降或吸收剂（水）流量过高;

3）设备堵塞或其他因素影响传质效果。

制订几种解决方案，讓学生分组讨论可行性和经济性，并提出最合适的解决方案。

4 结合生产，培养安全意识

随着我国经济的快速发展，化工行业逐渐进入快速发展时期。与其他行业相比，化工行业大多具有高温、高压、有害等特点，危险系数较高。大多数学生毕业后在化工生产一线工作，培养学生的安全意识非常重要。因此，在化工原理课程教学过程中，不仅要让学生掌握设备技术知识，还应熟悉危险化学品的管理和设备工艺的安全操作。以传热过程为例，化工生产中常见的换热器包括预热器、冷凝器和再沸器。换热器的安全问题主要来自以下几个方面[6]：

1）不按标准使用换热器，加热温度过高或时间过长，可能导致材料燃烧或设备爆炸;

2）换热器长期使用会产生污垢，增加传质和传热阻力，甚至引发安全事故。

因此，为了保证换热器的长期正常运行，必须正确操作和使用换热器，把安全意识放在首位。

在传热理论教学过程中，主要从以下几个方面培养学生的安全意识：

1）定期检查换热器壳体有无变形，相关阀门有无泄漏;

2）在操作过程中观察物料温度是否异常，如有明显变化，应及时采取相应措施;

3）定期维护和清洁换热设备，保证设备正常运行。

5 与时俱进，扩展前沿知识

传统教学往往以教师为中心，采取照本宣科的教学模式，学生不能够及时了解学科前沿，知识面窄。在化工原理教学中，可以在介绍课本经典知识的同时适当引入最新的设备制造技术，保持教学内容的前沿性和创新性。以引进精馏塔为例，传统塔板主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛板等，但随着技术的发展和更新，出现复合斜孔塔板、垂直筛板、立体传质塔板等多种新型高性能塔板[7]，为精馏塔设备的设计开发提供了新的思路。此外，传统精馏塔的设计与计算主要依靠学生手工计算，随着化工计算方法的发展，利用Aspen等仿真软件可以快速完成复杂的精馏过程操作设计问题。因此，在教学中引入这些前沿知识，有利于开拓学生的创新思维，节约学习时间成本。

6 结语

在IEET工程教育认证指引下，化工原理课程从虚拟仿真项目建设、工程案例库建设以及安全责任意识培养等方面进行教学内容改革，通过教学实践，有效促进学生对常见的化工单元操作知识的掌握，学会解决复杂分离工程问题，了解法律法规和前沿进展，最终达成工程教育专业认证对该课程的要求。

参考文献

[1]陈国铁，王健.台湾地区IEET工程教育专业认证的现状及启示[J].中国建设教育，2014（1）：50-54，61.

[2]夏清，贾绍义.化工原理[M].2版.天津：天津大学出版社，2012.

[3]刘金强，刘献明.地方高校新工科建设中化工仿真实践体系的构建[J].河南教育（高教版），2019（2）：75-77.

[4]魏刚.化工分离过程与案例[M].北京：中国石化出版社，2013.

[5]鹿存房，王洪，李纲，等.工程案例在本科教学中的应用分析[J].山东化工，2018（24）：110-111.

[6]崔克清.化工单元运行安全技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[7]董军，李建波.塔板技术的发展现状与研究展望[J].石油炼制与化工，2007（11）：46-51.