融合化工设计竞赛内容的《化工原理》课程教学改革的探索与实践

王巍 吴伟 肖林飞

（黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

一、化工原理课程教学现状

近年来，面对日新月异的科技进步以及复杂多变的国际形势，培养具有工程实践能力和创新能力的高层次专业人才，为国家工业领域自主创新和产业升级提供后备力量成为我国高校工程专业教育的首要目的。基于这一目的，在《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020 年）》的基础上，教育部于2010 年制定了“卓越工程师教育培养计划”并于2011 年开始推行“工程教育专业认证”工作，旨在促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国，鼓励各高校对现有工程教育模式进行改革和突破，抓住工程教育的本质，创新工程人才的培养模式。

化学工业作为技术密集型产业，一直是我国国民经济的重要支柱，对我国发展科学技术和改善人民生活起着重要的推动作用。化工原理课程是化学工程与工艺专业的主干专业基础课，旨在通过讲授动量传递、热量传递、质量传递理论知识和经典单元操作设备的结构原理，培养学生运用所学知识分析和解决化工生产过程的工艺和技术问题的能力，是理论和实践并重的一门核心课程。然而化工原理课程的传统教学内容仍以讲授基础理论和公式推导及计算为主，教学手段仍以语言文字描述为主，课堂教学仍表现为老师大量讲授而学生被动接受的情况。另一方面，化工原理课程面向大二或大三学生开设，这部分学生虽然已经完成了通识基础课和化学基础课的学习，但缺乏化工生产实践经验，过于偏重理论知识的讲解让学生缺乏对化工工艺流程的整体了解，缺乏对单元操作设备的直观感受，缺乏对生产实际问题的深刻认知，导致学生理论联系实际能力不足。同时，枯燥的教学过程也降低了学生对化工原理课程的重视程度和学习兴趣，限制了学生的创新思维。

基于此，我们以黑龙江大学化工原理课程为研究对象，以将学生培养成既掌握扎实的理论知识又具有设计能力和创新思维的复合型化工专业人才为目的，将指导学生参加全国大学生化工设计竞赛等专业实践内容有机地融入化工原理课程教学的实践环节之中，进行化工原理课程教学改革的尝试与探索。

二、融合化工设计竞赛内容的《化工原理》课程教学改革的探索与实践

（一）更新教学内容

教学内容是化工原理课程的核心，是实现教学目的和人才培养目标的必备条件。虽然化工原理的知识体系已经相对成熟，但随着化学工业生产领域相关技术和设备近年来不断更新，现有的大部分化工原理教材的知识内容仍相对滞后，且多偏向于公式应用与理论计算，容易导致理论和实践相脱节，不能满足化工专业人才的培养和化工设计竞赛的要求。因此，在教材经典内容的基础上，教师需要采用案例式教学的模式，将理论与实践有机结合，并将历年竞赛中出现的新技术或新设备的设计理念和改进方案适当的融入课本中，开阔学生的视野和思路，培养学生的创造性思维和解决实际生产问题的能力。教学内容的更新重点在于将化工设计竞赛的相关内容与化工原理的课程知识有机结合，帮助学生深入理解所学内容。例如在课堂上讲解热量传递及换热器操作时，重点在于如何计算传热面积或换热量，但在化工设计竞赛中，不仅需要学生确定换热器的选型和换热介质，还需要绘制换热网络图并进行优化，以实现节能降耗的目的。因此，在改革实践过程中，当讲解热量传递内容时，不仅要讲明教材中的公式推导及应用技巧，还要适当补充换热介质的选择、热量如何回收、换热网络图如何优化等内容，让学生具备利用所学知识解决实际问题的能力。同时，在化工原理教材经典单元设备的基础上，还将向学生适当介绍化工设计竞赛中出现的新设备或新技术，例如新型的分隔壁精馏塔，只在传统精馏塔中加入一段垂直放置的隔板，既采用与传统精馏塔完全相同的设计公式和计算过程，又能实现三组分的精馏分离并节能降耗。因此，适当引入新设备和新技术的设计应用知识，可以拓宽学生的视野和思路，培养学生的创造性思维和创新能力。

（二）丰富教学手段

化工原理课程教学已经实现了多媒体辅助教学，但目前的多媒体电子教案仍主要是大量文字和少量图片相结合的传统模式，学生们在课程中了解的设备、管道、阀门仍是纸面上独立的图形，缺乏对化工生产技术工艺的整体把握和不同设备在工艺中发挥作用的具体认知。因此，教师应该进一步有效利用多媒体教学手段，可以适当将工艺设计思路、流程模拟动画以及竞赛现场讲解等内容以视频等形式展示给学生，让学生直观的了解化工生产及工艺设计的内涵和要求，在丰富教学内容的同时，激发学生的学习兴趣。针对传统课堂教学重公式应用而轻设备介绍，重文字描述而轻直观展示的问题，需要在改革实践过程中加入更多的动画或影像展示内容，让学生直观地了解从厂房、车间到反应器、精馏塔以及相应的管道配置和阀门控制等诸多实际情况。例如关于化工厂的整体布局及设备分布，学生以往只能在绪论或每章的引言中通过文字或照片有所了解，但化工设计竞赛要求参赛队伍必须通过3D Plant 软件构建全厂区三维模型并进行视频展示。因此，将这些视频于课堂上播放，学生可以在短短几分钟直观了解实际化工厂的布置情况，明确不同单元之间的位置排布，管道输送及物料运输等一系列配置布局等。再如化工设计竞赛还要求制作设备装配图并注明控制系统的运行方式。因此，将这部分内容通过PPT 动画展示，也可以帮助学生更好的学习单元设备的设计原理及操作过程。同时，在教学过程中要更多地采用案例式教学和启发式教学，适时提出一些简单的设计问题，激发学生的探索兴趣，促进学生的独立思考。例如学习精馏塔分离原理及设计后，可以简单介绍新型的分隔壁精馏塔的设备构造，让学生结合所学知识思考分隔壁精馏塔如何实现三组分分离，并进行几分钟的课堂讨论，从而加深学生对相关知识的理解，活跃课堂教学气氛。

（三）拓展课程实践

化工原理课程教学以学生为主体，以教师为主导，因此教师在讲授教学大纲规定的内容之外如何激发学生的学习兴趣并引导学生进行自学，以掌握参加化工设计竞赛所需要的知识是提高学生学习和实践能力的关键。全国大学生化工设计竞赛是具有综合性、创新性和实践性的国家级大型赛事，涉及所有化工专业主干课程知识的应用以及Aspen Plus 工艺模拟软件、Auto CAD 制图软件和3D Plant 厂区设计软件等诸多工具软件的操作，是对教师与学生知识储备和综合素质的集中考验。因此，在指导学生开展课程实践的同时教师也需进一步提高理论和实践的教学水平，并提高开展科学研究的能力，同时熟练操作各种工具软件。理论知识方面要积极参加化工原理实验及生产实习实践教学工作，全方位了解单元操作设备的工作原理及整体生产工艺的流程与布局，学习化工设计、化工机械、化工安全等其他化工专业课程知识，建立起满足指导化工设计竞赛要求且全面覆盖化工专业基础知识的理论基础。科学研究方面要继续加强文献调研，实时掌握化工领域最新发展动态，深化与化工企业合作，着重研究整体工艺流程创新与单元操作和设备改进之间的关系，实现教师自身知识系统与时俱进。操作软件方面，除熟练掌握并且能指导学生学习使用Aspen Plus、Auto CAD 和3D Plant 等设计基础软件外，还应学习诸如反应器设计软件COMSOL、三维配管软件CADWorx、换热器选型软件换热器大师等其他软件的使用技巧，确保可以在实际操作方面为学生及时答疑解惑。

（四）完善考核机制

化工原理课程目前的考核方式是期末卷面考试结果占总成绩的80%，平时作业成绩占20%。在改革实践过程中，教师可以适当提高平时成绩在总成绩中的占比至30%，将学生的课堂讨论和过程表现情况记入平时成绩中。同时可以适当增加课后设计或工艺模拟等内容，以团队形式采用软件或手画的方式绘制简单的工艺流程图或设备装配图，锻炼学生的绘图能力和团队意识。此外，在期末考试试题中可以适当增加开放式题目，例如在确定输送介质和输送流量的前提下，让学生自行选择两种适宜管道尺寸及型号并计算相应的设备和输送成本，考查学生利用相关动量传递公式解决实际生产问题的能力，实现培养掌握理论知识且具有设计能力的复合型化工专业人才的教学目标。

三、结语

通过此课题的实施，将全国大学生化工设计竞赛的相关内容融合于化工原理课程的教学实践内容中，完善现有的教学模式，培养学生的创新能力和运用专业知识解决实际问题的能力。同时实现以学助赛，提高学生参加化工设计竞赛的热情，为学生在本科阶段开展对小型化工厂工艺设计工作的探索和尝试提供实践的机会，为学生的择业及毕业后在工作岗位运用专业知识解决生产实际问题奠定坚实的基础。