专业认证背景下《化工过程模拟实践》课程改革探讨

潘高峰，付 强，王 犇，刘艳杰，魏奇业

(吉林化工学院 石油化工学院,吉林 吉林 132022)

国家推动专业认证目的是使中国高等工程教育快速与国际接轨，实现超越发展，从而全面提升工程教育质量，为实现中国工程教育强国梦夯实基础。专业认证基于《华盛顿协议》框架，以成果导向教育为理念引领，遵循国际实质等效原则，覆盖专业人才培养全过程[1-3]。我校化学工程与工艺专业自2009年以来连续两次通过教育部认证协会组织的工程教育专业认证，并且始终关注认证动态和发展变化，在专业建设中一直在不断地进行改革和尝试，持续完善专业人才培养体系和培养模式等。课程建设与改革一直是认证过程中的聚焦点，也是专业进行持续改进的重点和着眼点。《化工过程模拟实践》是化学工程与工艺专业的一门重要实践类课程，主要支撑培养学生在解决专业复杂工程问题中学会运用先进技术工具，适应专业发展，提高工作效率的专业毕业要求，在课程教学设计中以Aspen Plus化工过程模拟软件为现代典型工具，针对具体化工过程工艺(设计)要求，运用化工单元操作的基本理论知识，选择单元设备进行工艺组合，建立工艺流程并实施运行模拟，获得可行的工艺方案和设计过程数据。Aspen Plus软件是一种集成多学科知识的一种过程模拟工具，软件不仅内嵌化工“三传一反”和过程系统工程专业基本知识架构，还赋予了智能引导调配模块，利用功能丰富、操作便利的工作界面为用户提供全新的学习和应用模式，赋予了本课程的广泛的专业知识内容和解决工程问题的实践功能[4-5]。

课程是毕业要求和培养目标实现的基础，如何发挥课程在专业人才培养过程中的作用，课程教学改革是最直接的手段[6-7]。因此，对课程进行全面分析，发现课程建设中存在的问题，以先进教育理念为引领，在教学中不断探索、尝试和总结，推动课程改革，促进课程建设持续改进非常必要。

一、课程现状及存在问题

《化工过程模拟实训》是一门必修实践课程，在第四学期后半学期开设，目前该课程按照教学大纲要求在两个教学周内完成，主要包括四项实践内容，即简单物理单元过程模拟、反应过程模拟、精馏分离单元模拟和工艺流程模拟与优化。由于课程课时有限，注重知识体系学习时间占比较大，有针对性的能力训练占用的时间不充分，真正解决实际问题能力训练略显不足[8-9]，随着高等教育改革的推进，课程在专业课程体系中的支撑作用没有有效体现出来，比如在后续的化学反应器设计、化工生产实习、毕业设计等实践环节实施过程中，过程模拟的思维和处理问题的能力滞后，不足之处可以总结出以下几个方面。

(一) 课程内容设计方面

按照教学大纲的要求，课程注重对模拟软件(Aspen Plus为例)的认知引导、软件操作方法的学习，侧重基本单元练习，通过混合、流体输送、换热、精馏几个基本单元的模拟训练，实现以点带面，达到对模拟软件的内涵理解的强化和针对具体问题进行由已知到未知的模拟计算与优化，提升利用现代先进工具解决专业问题的能力。课程实施过程中，教学和实践内容过多强调知识的记忆和理解，训练和练习内容多采用指导书中的例题和案例，多集中于操作顺序内容；系列化的模拟实践训练，输入条件和未知求解缺少变化，面对工况改变对应的工艺条件变化有限；注重单元过程模拟的系列化，忽视了单元和系统模拟的密切联系，尤其是针对各种工况的改变的适应性关联，种种原因，使课程在内容安排上弱化了能力的培养。问题的直接体现就是在后续理论和实践环节中，学生很难将模拟软件应用于具体的实践中，比如在生产实习中，针对工厂生产装置实际进行模拟验证，在毕业设计环节的实践中，针对具体设计要求，在规定的时间内正确完成对工艺过程的设计和模拟内容；在参加全国大学生化工设计竞赛中，针对具体的工程设计要求，还必须花大量时间重新进行强化学习，才能应对工程设计任务等。

(二) 教学方式方法方面

鉴于该课程属于实践课程，目前采用的教学方法是老师集中讲授与指导示范，然后学生针对老师提前布置的实践任务，按照参考书中模拟案例自己进行模拟操作练习，过程中教师随机指导，完成自己的实践任务。从整个教学环节来看，运用的教学方法相对单一，尤其面对两个班级近80人的学习环境，随机指导的教学指导方法略显不足，无法在规定时间内顾及全体学生，尤其是对个体学生的学习状态和学习效果的不足无法及时发现，个别学生提出问题和质疑的机会有限，相应的学习主动性在一定程度上被逐渐弱化，引导学生正确和快速思维的教学目的打了折扣，导致学生学习效果不能有效地体现出来，学生的积极主动性也不能有效发挥出来。

(三) 课程考核评价方面

按照现教学大纲的要求，该课程的成绩评定采用教师直接评分方式，评价内容包括三个部分：平时成绩，具体考核内容为遵守课堂纪律和课堂学习态度，占比20%；实训报告，主要考核学生完成实训报告的质量，占比60%；最后答辩，考查学生对课程的深入理解和表述能力，占比20%。从考核内容上看，似乎评价覆盖了教学全过程，但课程教师实施过程中，过于侧重模拟实践报告，平时考核也过于范范，和答辩一样都缺少得力的抓手。在学生提交的实践作品中反映出了许多问题，诸如作品的雷同率高，过多的模拟内容截图粘贴，缺少对模拟过程的深入理解和解释等等；平时的考核只考查了学习的现象，代替了考查学生真正的学习态度和对应的学习效果；另外答辩环节更多表现出对模拟过程的叙述，对软件的深刻认知和理解相对不足。

二、课程要求及目标

为了实现“面向生产、管理一线现代工程师”的专业培养目标，专业确定了具体的毕业要求，其中“使用现代工具”的要求规定学生毕业时能够针对化工相关领域复杂工程问题开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对化工复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。结合课程对“能使用合适的现代工程工具对化工领域相关复杂工程问题解决方案进行检验、预测和模拟，并理解其局限性”毕业要求观察点的支撑要求，专业提出采用Aspen Plus过程模拟软件完成基本化工过程的模拟和设计任务，引导学生将专业系统知识与先进专业工具的运用联系起来，解决复杂化工过程开发过程中涉及的各种问题，并为学生树立正确的大化工专业安全观，履行化工专业责任和使命担当奠定基础，最后整合成该课程，并通过了专业教学指导委员会的论证和认可。

根据课程的能力、素质要求，课程组通过研讨最终确定该课程目标，即通过本课程学习，使学生具备如下的能力及素质：能树立化工专业观；能认知理解Aspen Plus过程模拟软件，包括软件内嵌工程知识架构、软件功能与局限和操作方法等；能运用Aspen Plus软件对主要化工单元及简单工艺过程进行模拟与目标优化。任课教师将其作为课程内容组织安排和教学实施的成果达成目标。

三、课程教学改革方向

课程组一方面以立德树人为根本遵循，将思政理念融入课程，同思政课程协同作用，为学生的知识和技能的作用发挥起到引领作用；另一方面以OBE理念为指导，结合工程教育专业认证要求，以课程目标达成为目的，从课程内容结构优化出发，改革教学方式方法，加强教学过程考核与管理，使学生的学习成果对毕业要求和培养目标起到支撑作用，具体从以下几个方面进行了改革尝试。

(一) 完善课程内容

课程内容构建以立德树人为根本原则，注重知识、能力和素质的统一，以实现课程目标为导向，采用反向设计方法，完善课程内容，即从简单到复杂，从单元到系统逐渐深入，引导学生了解过程模拟软件(Aspen Plus为例)的基本使用方法，然后从简单的单元过程模拟入手，理解软件内的化工相关基本原理的关联、待解决问题和条件输入的相互关系，进而掌握单元过程(物理过程和化学反应)的模拟基本方法，重点以精馏过程为对象，系统地完成流程模拟实践，包括模型的选择、流程的建立、过程定量化计算，工艺过程的优化，内容自成体系，支撑课程目标的实现。

1.引入大化工专业观

化工专业以服务于化学工业为主，拓展到化工相关过程工业，为其培养德智体美劳全面发展的合格专业人才，因此在人才培养过程中，必须重塑热爱化工、学习化工和奉献化工的专业精神，从而建立起吉林化工学院化学工程与工艺专业的专业大局观、安全观、责任观。专业大局观要求将化工行业发展和国家发展结合起来，建立正确的大局意识；专业安全观要求将化工行业中危险的特殊性和安全预防规范关联起来，建立正确的安全意识；专业责任观要求将职业规划和工程师职业道德联系起来，建立为化工奉献的使命意识。在课程内容调整上，将大化工专业观与课程教学内容结合起来，从专业层面逐渐细化为课程层面，在模拟概述中结合模拟软件内部知识功能架构、单元模块计算、系统过程模拟与优化等内容提出设计过程对工艺实施的重要性，各设计参数的协调作用，以及学生作为设计者必须具有正确的工作态度；完成模拟设计任务后，内容中要求学生针对自我的实践过程，从大化工专业观方面阐述学习心得，加深认知。

2.注重课程间衔接紧密

在最近一轮专业人才培养方案修订中将《化工过程模拟实践》调整到第六学期，并建议安排在第10周以后，此时学生已经掌握了《化工原理》中的单元操作基本理论知识和《化工热力学》中的物性计算模型及方法，在《化工单元设计》和《化工认识实习》实践环节中对化工生产过程有了基本认知，对单元设备的设计内容及程序有了深刻的理解，为该课程的进一步学习奠定了的理论和实践基础；与《化学反应工程》《化工分离工程》等专业理论课程和《化工单元设计》《化工认识实习》等实践环节同步进行，实现基本理论知识实时学习和充实，知识强化和实践能力的协同提升。另外《化工热力学》第五学期已经开课，在该课程中已经讲述了状态方程和活度系数模型计算方法及相平衡理论知识，并介绍了Aspen Plus过程模拟软件的基本功能和使用方法，将理论基础与软件应用联系起来，并已经培养了大部分学生学习和运用软件的兴趣。

3.体现课程内容层次清晰

本课程要求通过完成一个系统工艺模拟任务来实现课程目标，组成系统的单元可以在物料输送、混合、加热或冷却、反应、分离等单元过程中根据需要进行选取和组合，因此课程内容按照先单元过程模拟练习、再单元过程组合模拟练习、最后针对课题建立系统工艺并进行模拟与优化的层次进行设置，模拟练习中将单元过程落实到具体的单元设备，如流体输送泵、换热器、精馏塔等，按照从简单到复杂的层次进行安排，体现出知识的学习、技术的运用和能力的培养的逻辑关系，也勾勒出解决工程问题的思路。课题来源以典型工程案例为主，课题数量决定于物系的不同和已知参数不同，在任务中指定的单元过程，明确运用单元过程组成工艺系统，关于单元设备的组合和操作工艺参数的优化由学生自主确定，能让学生体会出工艺设计中已知设计参数和工艺操作参数区别和联系，进而引导学生去获取设计物性数据，构建出化工过程的思维导图。

(二) 优化教学方法

教学方法是完成教学任务和实现教学目标的重要手段。在教学过程中，坚持“以学生为中心”的教学理念[10]，发挥大化工专业观的引领作用，实行课程组教学负责制，强化教学全程化管理，积极探索先进教学方式方法，多措并举，注重学习实效，对传统教学方法进行不断优化，以提高课程教学效果。

课堂集中教学尝试课程组集体教学方式，即主讲教师集中讲授和辅导教师实时指导相结合，课后采用线上配合线下跟踪辅导方法。课程组针对每个授课班级配备三名教师，其中一名教师主讲，另外两名教师负责随机辅导，授课方式采用教师讲授和案例引导方式进行，在教学中主要采用在软件界面教师讲解和学生认知理解、教师演示和学生操作训练、学生自主练习和教师随机指导等相结合的方式。以完成具体实践任务为导向，讲做结合、自主练习和全程辅导结合，注重从简单到复杂的学习规律，学生领会循序渐进展开模拟训练，鼓励学会学生相互交流和分享学习经验，辅导教师随时察觉学生学习中存的问题，及时进行纠正和指导，针对个别学生存在学习困难进行单独指导。

(三) 强化课程考核

鉴于本课程属于实践类课程，考核方向主要集中在对实践过程和实践报告质量的考核上。依据课程目标要求，具体的考核内容落实到学生对课程支撑大化工专业的认知态度、课内模拟训练的认真态度、撰写实践报告的严谨态度，对模拟过程内容、程序、模拟准确定的掌握水平，完成模拟实践报告的质量等几个方面，覆盖了课程教学的全过程。结合教学大纲规范要求，确定了通过平时(50%)和模拟实践(50%)两大考核模块，其中平时考核包括学习态度(10%)、课内测验(15%)和课内总结(25%)三个项目，学习态度主要考核学生对大化工专业观的理解和认识，测验和总结是为了更加侧重过程考核；模拟实践主要检测模拟过程结果的质量和学生对模拟软件的应用能力，细化为工艺流程建立(15%)、工艺计算(20%)、过程优化(15%)和结合过程考核针对模拟任务的口头答辩(20%)，并确定了严格细致的考核标准，从而实现具有真正意义上的全过程考核。根据学生的最终各项目成绩，课程组完成课程的课程质量报告，实现考核和评价的统一，促进课程持续改进。

四、结 语

在专业认证背景下，课程改革是高水平专业建设的有力抓手。经过吉林化工学院化学工程与工艺专业《化工过程模拟实践》课程改革探索，课程改革应以目标为导向，着重加强课程内容的整合与优化、改进教学方法、完善课程过程考核等方面进行顶层设计，在教学过程中有效调动学生学习主动性，全面提高专业课程教学质量，有效支撑毕业要求的达成和培养目标的实现，为工程教育系列改革提供示范。