工程教育专业认证背景下提高化工产业人才工程设计与应用能力的教学实践

毛 磊 雷 杨 范宝安 俞丹青 梁文懂 颜家保

(武汉科技大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430081)

中国工程教育专业认证协会在工程教育本科层次人才培养的通用标准中，对学生毕业时应该掌握的知识和能力提出了12条要求，其中第3 条要求“设计/开发解决方案”具体内容为：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。专业认证对工程能力提出更高的要求，工程设计能力是衡量一名工程师是否合格的重要标志。在工程设计中对“现代工程工具和信息技术工具”的熟练运用，也是专业认证通用标准第5条要求“使用现代工具”的主要内容。

化工专业开设的化工原理、化学反应工程等专业核心课程和课程设计、毕业设计等各种实践环节，对培养工程设计能力起到了重要作用，但实际教学过程中对于工程设计能力的培养还存在理论与实际结合不足，教学手段需要升级等问题。学生对许多设备的内部结构和工作原理只有表观认知，部分设计计算不会利用软件包而局限于手算，缺少工程设计和实践的经历，因此理论与实践相互融合的脱节、学生工程素质欠缺、使用现代工具的能力不足等问题日益凸显。

针对这些问题，各高校提出了自己的改革措施。三峡大学根据地域优势面向行业办学，提出 “工程设计”为核心的工程教育培养模式[1]，为地方经济服务。内蒙古工业大学基于成果导向教育理念对课程设计教学体系进行系统化层次划分，提出多维度学习的模式[2]。合肥工业大学[3]系统地优化了教学体系，实施以工程设计向实践能力递进为核心的化工设计系列实践课程群。桂林理工大学按照大课程布局[4]建立了化工设计类课程教学体系。

本文以化学工程与工艺专业核心课程的课堂教学以及各类工程设计实践活动为依托，从理论教学出发，注重培养工程观点，采用课程项目(project)培养基础工程设计能力；将课程设计选题与科研实际相结合，强调工程设计理念，结合基础知识进行综合设计；在毕业设计和设计竞赛环节进一步接近专业工程设计内涵，逐步形成对化工产业人才工程设计与应用能力培养的教学实践模式，保证专业教育质量和专业教育活力。

1 理论与实践相结合的教学体系构建

遵循以人为本、由浅入深、循序渐进、潜移默化的教学规律，将工程设计训练贯穿于理论教学与实践，从化工原理、化学反应工程和分离工程等课程的理论教学到课程设计、毕业设计和设计竞赛等各实践环节，构建以培养基础工程设计能力为目标的课堂教学，以运用基础知识实现综合设计的课程设计，以及接近专业工程设计水平能力培养的毕业设计与设计竞赛的三层次工程设计与应用能力培养体系。

1.1 教学模式

课堂教学中，注重对设计原理的理解，采用课程项目模式，掌握单个设备的设计程序，打下扎实的基础；对课程设计，系统运用所学知识，在各单元设备设计的基础上，采用综合的流程设计模式；毕业设计与设计竞赛，应用全局设计模式，对经济与社会环境效益的总体进行评估，体现专业工程设计水平。

1.2 设计计算/工程制图工具的掌握

完成复杂的工程设计，需要掌握相关的现代化工具以提高优化设计能力和综合分析能力。培训学生熟练使用相关软件设计包，了解工业设计模式，与实际工业设计模式接轨，为达到专业工程设计人员水平奠定基础。化工设计中，Excel和Origin可用于基本的数据处理；Polymath、Matlab、Java语言编程等可进行数值积分计算；AutoCAD、Visio用于绘制设备装配图、流程图；Cuptower进行塔设备设计与校核；应用Aspen Plus对换热器、吸收精馏塔设备、反应器等进行模拟设计与优化计算。

2 重基础的课程项目设计

在课堂教学中，以基本原理为导向，采用课程项目模式，培养学生进行设计并校核单台设备的能力。

化工原理课程项目基于单元操作内在的三传理论基础，根据流体力学原理进行管路系统的设计；根据传热原理进行换热器的选型与核算；根据传质过程的相平衡原理进行填料吸收塔填料层设计、板式精馏塔理论塔板设计；依据流体水力学性能与传质性能的气液传质设备结构优化。基于化学反应工程的化学反应动力学原理以Matlab为计算工具进行理想反应器选型与尺寸计算；以单一反应的体积最小为目标进行组合反应器的优化设计。分离工程通过典型的二元精馏过程的模拟计算、设计及优化，深入理解精馏过程各参数之间的关系，提高学生使用Aspen Plus软件的综合能力；进一步基于三传理论进行多组分分离方法选择，实现多元精馏过程设计。

3 重综合的课程设计

课程设计是运用化工单元操作知识进行综合设计的一次工程设计实践。

3.1 选题的工业应用背景

在化工原理课程设计的选题当中，结合学生实际能力和完成水平，在保证具有普遍指导意义的设计题目的同时，赋与工业应用的大背景及结合科研前沿理论与技术开发，强调理论与实际相结合。如，来源于科研项目的设计案例“克劳斯尾气、高炉煤气、电厂烟气的脱硫”、“精苯废酸再生工艺”、“焦化蒸氨废水中氨的解吸”等；具有学科前沿理论和一定深度的设计项目如反应精馏、加盐精馏、化学吸收、高浓度气体吸收等。学生在常规的设计案例基础上，必须获取额外的必要信息(如体系的平衡数据，吸收剂的特性参数等)，并且要求了解其他的相关前沿技术和工业应用案例，融入自己的工艺流程设计。

3.2 注重综合运用知识进行工程设计能力的培养，为毕业设计及工程设计打下基础

课程项目训练中已对填料塔、板式塔、换热器、流体输送机械等各种化工行业最普遍的典型设备进行过单独的理论设计，在此基础上，课程设计进一步完善整个工艺、设备结构设计与优化，撰写技术文件和工程制图，培养基本的工程设计能力，为顺利进行毕业设计和工程设计奠定坚实的基础。

3.3 提倡创新思维，更新设计思路

在课程设计中，除规定一些必要的设计参数，鼓励学生勇于尝试不同的设计工艺，选择新型填料、新型塔板，设计中一定要有不同于其他同学的设计特色，避免雷同。组织学生互相交流，相互之间不同的设计方案、设计思路进行对比、分析、评价。同组可以比较不同设计参数的选取，不同小组对比处理量、产品质量要求等工艺条件的变化对设计结果的影响。

4 重应用的毕业设计与设计竞赛

在毕业设计与设计竞赛中，从资料收集与综合、技术路线与设计参数的选择、编程或利用现有软件进行工艺及典型设备的选型和计算、工艺流程图及设备布置图纸的绘制等方面规范设计全过程，并全面考虑工程与社会、环境与可持续发展等应用因素，从全局观培养卓越工程师应具备的基本素质。

目前国内规模最大、影响最广的全国大学生化工设计竞赛涵盖了可研分析、单元操作设备与反应器的设计和优化、流程模拟、方案对比和经济评估等各方面内容，极富创造性和挑战性。参与设计竞赛是对现有教学环节的延续、深化、综合、提升，可以帮助学生全方位理解化工过程的基本原理与化工设计的主要步骤，依靠自己的分析判断解决复杂工程问题，体验接近实际工程设计的过程。

5 结语

本文从课堂理论教学出发，夯实基础，以此在课程设计中运用基础知识实现综合设计，通过毕业设计和化工设计竞赛等实践环节获得接近专业工程设计水平能力培养。经历这样一个教学渐进过程，以基本设计理论为基础，侧重使学生熟练掌握使用现有设计工具，从理论基础提升到知识应用的层次，综合求解复杂工程问题，由单一性知识训练到综合性知识应用，实现课程内容与应用能力培养相适应。对学生的工程设计与应用能力培养方面应更注重延续性，教学与实践多环节相互关联与补充，特别是充分利用先进的现代化工具实现优化设计，锻炼工程应用能力。