“三步走”法全面提高化工专业学生的工程素养

曾 嵘，汪 坤，梁嘉琪，刘建文，龙华丽，王 凯

（湖北大学化学化工学院，湖北武汉430062）

传统的化工类专业的教学模式，主要是通过理论课程、实验课程的教学以及实习来培养和锻炼学生的工科思维、工程意识及工程素养。对于化工及相关专业，如石油、制药、轻工、食品以及材料等，“化工原理”既是一门重要的工程学科，也是一门重要的技术基础课。“化工原理”综合运用化学、数学、物理等基础知识解决在化学单元操作以及生产过程中出现的问题，它是连接学生纯理论知识和工程实践的重要桥梁，为学生日后的工作实践夯实理论基础。

学生工程素养的培养离不开实验教学。在传统的教学模式中，学完“化工原理”理论课程后，都会安排实验，以培养学生的动手操作能力。“化工原理”实验是继“化工原理”理论课后辅助学生树立正确的工程意识的又一门工程学科，是理论课教学的补充和深化，也是培养和锻炼学生工科思维的重要组成部分。“化工原理”实验主要包括一些基础的化工单元操作实验，如萃取、精馏、干燥、管道阻力的测定以及离心泵性能的测定等。这类操作实验的特点都较为相似：对操作的要求严格、步骤繁琐、数据处理复杂，并且要求学生的协调控制能力强，否则如果实验过程中前后环节不一致，容易导致操作失误，损坏设备，造成人力、物力、时间的浪费。但是，随着现代信息技术的发展，化工单元操作的自动化程度越来越高，传统的教学模式已不能满足社会综合型人才的需求，此时，顺应时代发展的仿真实验/实习训练系统也悄然而生。

仿真实验/实习训练系统以计算机模拟技术为基础，结合现代化工企业的基本生产装置、生产流程以及操作过程开发出来的一套虚拟仿真系统。最早于1987年由北京化工大学仿真中心成功开发出我国第一套计算机化工仿真培训系统，并随着现代科技的发展及系统的逐渐完善，仿真实验/实习训练系统已在各大高校、化工、炼油等企业中广泛应用。仿真实验/实习训练系统运用数学建模的方法将理论研究和实训实践有机结合，不仅揭示了化工生产过程中学生难以了解的系统结构、内在联系和动态变化规律，还提高了学生对生产过程的系统协调控制能力。现在国内有很多高校都采取了这种训练系统，但是任何事物都具有两面性，仿真实验/实习训练系统也不例外。因为仿真实验操作终究是模拟的操作，离实际生产过程还有一定距离，例如：在控制燃烧炉温度时，有的同学可能利用系统的漏洞，温度高时停止燃烧加热，温度降下来后再开始燃烧加热，这在实际生产过程中显然是不允许的。

当然，现在也有很多高校采取仿真实习和现场实习结合的方式培养学生的工程观，但是由仿真实习直接到化工企业实习的跨度太大，学生不易适应，并且现场实习一直存在如下问题：操作过程危险，为了保障安全，学生只能远观，听讲解；加上现场嘈杂，注意力不易集中，听进去的知识少之又少；大多只知道装置的外形，而管路的流向、反应装置的相互联系一概不知。因此，为了培养满足社会需要且基本功扎实的化工人才，我们在原有的“化工原理”教学改革的基础上，不断深化改革，在“化工原理”课程教学过程中增加了中试装置实训这一环节，并提出了“理论及实验教学、仿真实验/实习训练、中试装置实训”三步走的方法，有效地提升了化工专业学生的工程素养。

1 第一步：“化工原理”理论及实验教学

在教学过程中要注重对学生进行工程意识的熏陶，培养学生的工科思维，强化工程理念，不断加深学生对课程内容学习的同时，才能够实现灵活应用。此外，还要提醒学生在课外也要养成用工科思维思考问题的习惯，让学生形成初步的“工程”概念，逐步锻炼综合能力，不仅掌握课本知识，还要把知识运用到实践中，具备“走出实验室”的工程实践能力。

二十一世纪是素质教育的时代，“化工原理”理论及实验课的教学内容也要顺应时代的步伐而不断推陈出新，应涵盖当前化工领域的新理论、新技术和新设备。二十一世纪也是大众教育的时代，各高校的招生规模均有所增加，教学场所拥挤的问题随之而生。在化工领域中，现代化的实验设备设施功能越齐全，体积也越庞大，实验平台及装置设施明显不足的问题尤为突出，例如：实验时多名同学共用一套装置合作完成实验，导致不是每位同学都能有动手操作的机会。此种情形下，仿真实验/实习训练教学可作为传统教学的有效补充，因此我们提出培养化工专业学生工程素养“三步法”中的第二步。

2 第二步：仿真实验/实习训练教学

仿真实验/实习训练教学系统以计算机模拟技术为基础，结合现代化工企业的基本生产装置、生产流程以及操作过程开发出来的一套虚拟仿真系统，是紧跟现代教育步伐的教学理念的体现。为了进一步培养化工专业学生的工程素养，弥补因实验平台及装置台套数不足的缺陷，我院于2017年从东方仿真（集团）购进了一套化工仿真实验/实习训练教学系统软件，安装于学生实训大楼计算机房，确保每位同学在教学期间有一台计算机使用，以便进行仿真实训的相关操作。该系统在内容上由浅入深，包括化工单元操作仿真以及合成氨工艺仿真两个模块。

第一模块为化工单元操作仿真，其内容密切贴合“化工原理”实验教学。该模块包含了吸收-解吸工艺、精馏塔工艺、管式加热炉工艺、换热器单元、液位控制系统等“化工原理”实验教学内容以及锅炉单元、间歇反应釜工艺、固定床反应器工艺、流化床反应器等拓展的化工单元操作工艺。学生仅需在电脑上操作就能将“化工原理”实验中涉及到的单元操作再熟悉一遍，不但可以弥补在“化工原理”实验时，不是每位同学都能动手操作的缺陷，而且还可以锻炼学生自主操作化工生产设备运行的能力，是充分发挥个人能力及展示自己的舞台。

在熟练掌握化工单元操作模块的运行后，学生可进行第二模块合成氨工艺的仿真操作训练。该模块的训练将分散的化工单元操作转变为系统的合成氨工艺的操作，将单一的简单操作升级为复杂系统的联锁操作，工艺过程的复杂程度高，流程长，操作的难度随之提高，能有效地锻炼学生对生产过程的协调控制能力。

在仿真系统界面中的设备不仅会随着学生操作的进行而发生与实际过程相同的变化，还会伴随着出现一些与之相关的连锁现象。例如：当储液罐中的液位上升到一定高度后，会向其他的储罐输送液体；换热器中的物料温度发生变化，对后续相关的反应设备也会带来影响等。这些都需要学生提前预判，并加以统筹协调，能让学生深刻体验到自动化操作带来便捷的同时，不断提高他们对复杂化工生产过程动态运行的分析和控制能力。

此外，伴随着学生操作过程的进行，系统会自动进行评分及错误解析，学生可以随时查看自己的得分情况以及操作失误的地方，并将操作失误的步骤进行系统存盘和事故重演，以避免类似情况的再次发生。

仿真实习虽然可以保证每个同学都能动手参与，但同样也存在不足之处。这主要是因为仿真实习操作终究还是模拟操作，离实际生产过程还有一定距离，且由仿真实习直接过渡到化工企业实习存在着跨度大、学生不易适应等问题。因此，为了系统而全面地培养学生的工程素养，我院购置了两套中试装置专门用于学生实践环节的训练，这也是我们提出的培养化工专业学生工程素养的“三步法”中的第三步。

3 第三步：中试装置实训教学

为进一步提高我校化工专业的本科教学质量，增强教学效果，我院在“化工原理”实验室购置并安装了两套带有分散式控制系统（DCS）的中试规模试验装置：洗衣液和生物柴油生产装置。主要设备：釜式搅拌器、酸中和罐、水洗罐、油水分相器、精馏塔、计量仪表、冷却系统、温度控制系统、原料与成品储罐以及加料泵等。大量的阀门排列和错综复杂的管路安装，构成了这套中试规模的生物柴油制备装置。它的运行与工业上放大后的实际生产装置十分接近，所提供的实验数据也较为可靠，对强化学生的工程素养以及理解和掌握实际工业生产过程的控制大有裨益。

因这两套中试装置均搭载了（DCS）分散式控制系统，故可利用DCS的组态能力进行多种控制实验，使学生的工艺控制能力得到全面的锻炼与提升。此外，还可进行故障诊断的相关工程训练。例如：若开启电源开关的指示灯不亮，并且没有交流接触器的吸合声时，可能是保险坏了或电源线没有接好；如果开启仪表的开关时指示灯不亮，并且没有继电器的吸合声时，则可能是保险坏了，或是存在接线有脱落的地方，均可让学生进行自行检查并排除故障。

在中试装置实训结束之后，通过收集学生对教学情况的反馈，我们了解到学生经过上述的实训操作以后，不仅将之前学习的“化工原理”理论和实验知识得以实际运用，强化了对于分散式控制系统（DCS）的操作能力；加深了学生们对工业装置的整体印象，使他们对各装置间的相互连接以及内在联系有了深入的了解，工程素养得到进一步提高，这对他们今后去工厂进行现场实习将会有极大的帮助。

4 结论

二十一世纪是素质教育的时代，“化工原理”及实验课的教学内容也应顺应时代的步伐而不断推陈出新。为适应当今化工行业日新月异的变化和发展，需要不断提升化工专业学生的工程素养，为此，我们提出了“三步走”的改革方法。针对“化工原理”课程教学中的不足，本文分别从“化工原理”课程的理论及实验教学、仿真实验/实习训练、中试装置实训三个方面，系统地论述了如何分阶段提高化工专业学生的工程素养。通过学生反馈的情况来看，这种教学模式不仅加深了学生对基础理论的理解，还提高了他们的动手能力和解决实际问题的能力。但是，另一方面，由于“化工原理”教学改革的深入推进，以及提高本科生的工程素养是一项长期而又艰巨的课题，还需要教师们在今后的教学实践中不断摸索、学习和创新。