从现代技术视角探讨卓越化工人才教育培养目标

刘慧敏，李敏，刘改焕

（西南石油大学 化学化工学院，四川 成都）

随着现代技术时代的到来，我们现有的认知、工作和生活正随之改变。大学工科教育，作为整个高等教育系统的重要组成部分之一，也因现代技术的介入，推动着教学理念的升级，促进着教育课程的变革，引发了人才培养目标和理念的更新。而目前的“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》和《国家中长期人才发展规划纲要》的重大改革项目，也是促进我国迈向工程教育强国的重大举措，旨在培养造就具有较强新能力、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才。而培养目标是教育目的最直接的回答，那么卓越化工人才的培养目标应秉持传承与创新相统一的思路，对学生进行工程应用创新意识和工程伦理理念的培养[1-2]。

“卓越工程师教育培养计划”其中重要的实践部分是“全国大学生化工设计竞赛”（以下简称“化工设计竞赛”），是以学生为主体，以工程项目为导向，以培养学生的工程创新能力为目标，旨在培养和考察学生对理论知识的综合运用能力[3]。其是由中国化工学会、中国化工教育协会主办，自2007年起，每年一届，属于国内大学生竞赛类顶级赛事类，于2019年列入高校竞赛评估排行榜，纳入高校学科评估体系，是国内最具影响力的学科竞赛之一。化工设计竞赛是一条连接理论知识和实际工程的桥梁，采用设计作为载体把理论知识应用到了实际工程。在现代技术时代的背景条件下，以化工设计竞赛为载体展望卓越化工应用人才的培养目标——应秉持传承和创新相统一的思路，坚守基础素养教育、能力为本、终身发展的基本取向，促使培养出来的卓越化工应用人才能掌握现代技术，在利用现代技术进行化工行业创新的同时，还要具有工程伦理理念和协作意识的强大工程专业能力，且具有可持续发展理念的高素质化工人才。

一 现代技术介入化工设计竞赛的方式

化工设计竞赛直接对口的课程是化工设计和软件应用。其中的化工设计是一门应用性的课程，集化工专业很多基础课程的知识为一体，例如化工原理、化工热力学、分离工程、化工设备基础、反应工程、化工环保与安全、技术经济及项目管理、化工制图等课程，将其整合并综合地转化成应用型知识，再利用应用型知识进行系统化、目标化的化工过程设计[4]。而另一门课程——软件应用则是现代技术在化工领域的体现，利用搭载人工智能的现代设计软件，对工艺流程进行仿真模拟，对各项参数进行优化，对生产过程进行动态模拟、安全分析、噪音分析等等实际工程需求的技术评价[5]。西南石油大学自2012年开始参加化工设计竞赛，连续获得全国一等奖，同时获得全国二等奖、三等奖以及西南赛区奖项60余次。

化工设计竞赛任务是要求学生综合运用所学的化工知识，以创新为驱动，坚持绿色发展，紧贴国内急缺的化工产品为前提，为某大型化工总厂设计分厂，设计作品包含项目可行性报告、初步设计报告、设备设计、工艺流程设计、分厂总体平面设计、车间布置设计、优化设计、环境保护、安全生产操作评价、经济评价分析等内容。竞赛作品评分标准由现代设计方法、工程图纸、设计文档以及现场答辩四部分组成，总分100分，每部分的权重分别为20%、20%、20%和40%。其中，现代设计方法部分就是对参赛学生对设计大赛使用的工艺和设备的模拟计算软件的能力进行考核，除此以外，工程图纸也是利用了现代设计的智能绘图软件进行绘制，设计文档中的工艺和设备也是利用了工艺流程和设备计算的结果。从化工设计竞赛的方面看，现代技术的应用主要体现在以模拟仿真软件来代替传统人工手动计算和评估。

（一） 工艺流程模拟与优化

从过程模拟与优化层面来看，常用的软件如表1所示。对于化工竞赛，工艺流程是主干、是龙头，那么工艺模拟就是工艺流程的奠基石，因此Aspen Plus软件就成了设计竞赛最关键现代设计方法之一。作为实际工程设计的核心技术，该软件可以进行全工艺流程稳态模拟，让设计人员在进行各种方案的讨论和工艺参数的确定上获得最大的自由度。Aspen Energy Analyzer则可以对整个换热网络进行优化和完善，最大程度地减少㶲损，实现能量的逐级利用，这是物料以及热量平衡过程中的关键一环。对于最优化设计，不仅可以利用Aspen Plus内置的优化模块——灵敏度分析工具，也可以利用现代的编程软件，Matlab或者Python来对分离过程的参数进行最优化的设计。

表1 工艺流程模拟与优化设计软件

以异丙醇—水—甲基异丁基酮的混合物分离为例。其中异丙醇和水要形成共沸物，而甲基异丁基酮的含量很低。对于这样的三元混合物，存在三种的分离序列，可以先用矩阵法对子群进行划分，选出可行性分离方案，利用Aspen Plus软件大致模拟各个分离方案的能耗，在满足产品质量要求的基础上，进行灵敏度分析，以工艺流程的总体能耗最小目标进行优化，经过优化后确定先分离甲基异丁基酮然后再对异丙醇和水的混合物进行分离这样的分离顺序为最优方案。对于异丙醇和水共沸混合物的分离方法，有萃取精馏、共沸精馏和变压精馏等工艺，如何在短时间内，选择出最优的方案？如果此时仍采用最基本的手动建模计算的方法，需要很长的时间，而采用Aspen Plus模拟软件则可以在相对较短的时间内得到物料衡算数据结果，从而确定最优的分离工艺，进行最优化设计。

（二） 设备设计与优化

化工竞赛要求对反应器、塔、换热器进行详细的设计和校核，是工艺流程在关键设备层面上的详细化部分，设备是实现工艺流程的最基本的元素。从设备设计与优化的常用的软件见表2。精馏塔的结构参数和负荷性能可以通过Aspen Plus来进行校核和优化，比如降液管液位高度/板间距、降液管停留时间、板式塔的液泛因子、填料塔的能力因子以及负荷性能图等。Aspen EDR则是全世界范围内最为广泛应用的换热器设计和校核软件，其不仅提供完善的热力学参数，还有完善的计算模型，使得换热器工程设计这部分变得更快捷、准确和可靠。

表2 设备设计与优化设计软件

（三） 安全、环境风险评价

工艺本质安全设计是整个工程设计的安全保障，是实现主动安全防护的屏障，本质安全设计通过采取重大危险辨识、量化风险评估、本质安全审查、合理控制风险等措施，尽可能地主动消除和避免人为失误、设备失效等导致的化工过程风险，实现本质安全最大化和工程风险最小化。实际工程中采用的安全、环境风险评估的软件见表3。

表3 安全、环境风险评价软件

（四） 工程制图与三维建模

工程制图也是设计竞赛中一个重要的组成部分，利用智能绘图软件，绘制工艺流程图（PFD）、工艺管道仪表流程图（P&ID）、车间（装置）平竖面布置图、分厂总图、三维建模等，主要使用软件见表4。

表4 工程制图与三维建模

（五） 作为意识形态的现代技术

工程需要设计来实现，化工设计很大程度上依托现代设计方法，现代设计方法仅是现代技术作用于化工领域的一个部分的展现，可以看出现代技术已经以一种意识形态的方式，全面融入化工领域的方方面面[6]。而现代设计方法在化工竞赛中的应用，不仅实现了人机的零距离互动，还同时强化了学生分析思维、判断思维以及自主学习能力的养成。就化工专业教育而言，其本质就是要培养出有丰富的知识、有较强的能力、有清晰思维、同时满足工程伦理教育要求的卓越化工应用人才[7]。当现代设计方法越来越广泛地应用到了化工的领域，我们就越要冷静地思考，这样的现代设计方法带给我们什么，影响我们什么，可能会让我们忽视什么等一些问题。如果一味地强调现代技术至上，那么就会导致学生对现代设计方法产生依赖性，成为现代技术的附庸，从而失去了教育本质的意义。所以作为意识形态的现代技术启示我们，在教育中，在发挥现代技术的长处和优势的同时，要加强基础、传统的知识教育和素质教育，这样才能培养出全面发展的卓越化工应用人才[8]。

二 卓越化工人才培养目标

从现代技术的视角探讨卓越化工应用型人才培养目标，会面临如何处理适应性和前瞻性相统一的问题。所谓适应性，就是要求卓越化工人才培养目标要符合目前化工领域的需要，体现当前的人才要求，培养出来的化工人才才能顺应现实化工生产的需要；所谓前瞻性，就是指化工人才的培养目标应基于未来化工领域的发展趋势，对目前实际人才需求情况要有一定的超出性，要体现人才培养满足化工领域未来的需要[9]。

（一） 适应性和前瞻性相统一

培养目标的适应性和前瞻性相统一非常的重要，其主要原因有：第一，人才培养自身就有一定的滞后性，因为一位卓越化工人才至少需要四年的高等教育，而在培养过程中，化工行业的变化可能是瞬息万变的，有的可能是来自化工行业本身的变化，有的也可能是被其他行业推动着变化；第二，如果培养目标仅考虑当前的适应性，会导致培养的短视，可能不能培养出合格的前瞻性人才，即使能满足当前的用人需求，也会降低所培养出来的人才对未来化工发展的适应能力和应对意识，对未来发展挑战缺乏充分的准备，也难激发其内在的发展潜能以及赋予其未来发展的有力导向；第三，只有将适应性和前瞻性统一起来，才能培养出既适合行业要求又具有前瞻性和可发展性的人才。化工行业的生产工艺流程和生产工艺设备都是在不断地改进和创新，不停地向着绿色化工的方向发展。化工设计竞赛也紧跟化工行业发展的步伐，在竞赛中强调绿色化工的理念，要求结合清洁生产工艺技术和设备的革新，开发新型绿色化工产品，把环境污染和能源、资源消耗降到最低，寻求一个经济上、技术上、伦理上都可以被接受的最佳方案，那么卓越化工人才的培养也要紧随其后，跟上化工行业的绿色发展目标[10]。

（二） 传承和创新的关系

所谓传承就是培养目标适应性的体现，准确把握与充分认识现状，并以此为前提进行专业素质教育，维持专业基础课和专业应用基础课的教授，强调学术性的重要性。对化工工程专业的基础课，比如化工原理、化工热力学、分离工程、以及反应工程需要继续进行基础夯实，不断堆积认知知识，并能在多学科环境中应用。知识目标仍然需要处于主导的地位，理论课程的门类、课时数始终要位列课程方案的首位，教师要实现学科知识体系的完整传递。所谓创新旨在建立起学生的大视野和大格局，不仅要考虑在化工专业上已经有的沉淀，更要充分体现和反映化工行业和外部行业的发展和变化，要以推动化工行业可持续性发展为根本，既要满足现行国家对化工行业的需求，同时要提升站位，跳出传统的认识，要从行业发展的高度，紧密地去追踪现代技术等发展的新趋势，准确地捕捉这些新趋势、新发展，从而有效体现适应性和前瞻性的统一。

教育教学常以一棵树和一片树林的关系来比喻学生的学习和教师的教，强调教师要教给学生一棵树，自己必须要有一片树林。伴随现代技术时代的到来，学生不仅能从教师那里学到一棵树，借助于现代技术，学生自己还可以获得一片树林，甚至可以把树林变成茂密的森林。因此，在现代技术逐渐介入下，教师更应该侧重于发展学生的自学理念，培养学生更强的学习能力，推动学科知识和实践相结合，培养出传承和创新集于一体的卓越化工应用人才。以传承和创新为培养目标的基本思路，在这个现代技术日益发达的时代，培养目标既要传承当前培养目标中的优势和特色，同时也要从现代技术，从行业发展趋势出发，推动教育人才的创新能力和前瞻能力。教师作为知识分子群体的代表，自动地扮演着社会发展进步代言人的角色，走在社会发展的前列，因此，教师应该具备相应的现代技术的素养，才能成为社会发展的优势知识占有者。

现在使用广泛的现代设计工具和设计方法是一把双刃剑，运用好可以充分实现理论知识和实际应用，运用不好就可能成为学生的负担和累赘，可能导致学生对这些现代设计方法产生依赖性，从而逐渐失去对基础知识学习的重视，变成了知其然而不知其所以然。作为化工行业未来的人才，一定要学会现代技术，学会利用现代的设计方法来模拟实际的工艺流程和解决化工实际操作的问题，而掌握现代设计方法是以相应的化学和化工的基础知识和原理、使用伦理和使用方法为基础和提前的，只有这样，培养出来的工程师们在面对复杂的实际情况以及很多可选择的现代技术时，才能做出合理选择并进行恰当的应用[11-12]。

三 从化工设计竞赛看传承和创新

（一） 竞赛中的理论知识和创新意识

在化工设计竞赛中，Aspen Plus模拟软件是其中最重要的现代设计方法之一，该软件在化工领域中的使用也是非常广泛，其兼具形象直观、工程重现性强、操作简单等特点，在经过工程实际经验参数的修订后，模拟出的数据准确度高，更贴近实际生产。为了更直观地学习，西南石油大学化工专业开设了该门软件模拟学习课程，很大程度上促进了学生对化工过程模拟的兴趣，具体化、实物化了原本抽象的工艺流程的范畴，而化工设计竞赛，则更进一步的给予了Aspen Plus的实际教学平台，可以让学生在设计过程中将所学的专业理论基础知识和Aspen Plus的应用更系统性、逻辑性地结合起来，更积极、更充分地去考虑问题、解决问题，培养学生对复杂化工工程问题的处理和解决能力。

从Aspen Plus软件与化工热力学课程知识在化工设计竞赛的应用为例，该门课程在化工专业的课程中来说，是最抽象的课程之一，而通过Aspen Plus对工艺流程的模拟，使学生不仅对化工热力学的范畴有了形象的了解，还对热力学基础知识的应用有了直观的感受。比如对于近沸物体系的分离，如果采用液液萃取工艺，选择合适的热力学方程是关键点，若按照常规选择Wilson方程，由于该方程几乎没有考虑相平衡方程中的交互参数的要求，其得到的模拟结果就与实际的数值就会产生较大的误差，只有结合化工热力学的基础知识和Aspen Plus的模拟结果对比，最终采用NRTL热力学方程代替常用的Wilson方程，因为其适用于液体分层物系的计算；同时Aspen Plus软件也能对热力学中的有效能㶲的计算有了很直观的展示，软件能直接模拟出工艺流程中每一个物流的物理㶲、化学㶲和其他㶲，以此计算整个过程的㶲损失，找出最大的损失点，有针对性地进行工艺或者设备的优化创新，以此提高整个系统的㶲利用率。在朱世平教授撰写的《化工之歌》一文中讲到，从知识的角度上讲，学生能掌握和理解化工专业基础知识，这个是知识的积累、沉淀和传承；而从应用的角度上讲，化工本来就是一种创新，其需要运用化学的基础知识解决问题、采用现代设计方法建立工艺流程、利用现代设计方法和人工智能做设计和优化、依靠控制系统实现整个过程，这个过程是一个从无到有的过程，这是创新。学生在掌握、理解基础知识的前提下，在查阅现有的工艺技术的基础上，利用现代设计方法，将基础知识合理应用，基于现有工艺技术进行优化、改进和完善，并用于实际的工程中，这就是传承和创新相结合在化工领域中的展现[13-14]。

（二） 竞赛中的绿色化和智能化

传统化工的现状是高能耗，并且产生对环境不友好的具有污染性、高排放的副产品，一定程度上还会对人类健康造成威胁，并且随着互联网+时代的到来，随着人工智能和现代技术的逐渐深入，为了打造更加安全、高效的工作模式，化工行业也在积极地向信息化、智能化方向转型，这是化工行业的发展趋势，化工设计竞赛也紧跟发展潮流[15]。在安全要求中，要求在设计中坚决贯彻安全第一的指导思想，从提高装置的本质安全性出发，尽量采用新的安全技术和安全装备；在环境要求中，要求尽量采用清洁生产技术，从本质上减少对环境的不利影响，对可能造成环境污染的副产物提出合理的处理方案；在设计过程中，要求采用现代设计方法对分厂进行全面整体的设计和环境、安全评价。这些要求说明如何使用节能环保的工艺、绿色催化剂以及环保安全的原料会成为竞赛的重点也是创新点，这些要求需要学生不仅要有基础的理论知识，更要有环保意识、节能意识和工程伦理，具有创新性和前瞻性的思维和理念。

四 结语

现代技术已经逐步深入化工行业，绿色化、智能化的化工时代终将到来，与现代技术的时代相匹配、相适应的卓越化工应用人才培养目标应秉持传承与创新相统一的思路，做到适应性和前瞻性相统一，以此推动化工类课程和教学模式的改革，驱动基础课程与教学实践环节的融合，在加强理论知识、培养工程实践能力的同时，增强学生的自主学习的能力，激发学生的创新思维能力，树立学生的工程应用意识和工程伦理理念，培养出具有可持续发展理念的高素质化工人才，其应该具有如下特征：具有扎实的基础理论知识和基本素养、具有现代技术方法的熟练使用能力、具备较强的自学、开发能力以及具备理论基础知识和现代技术方法以及人工智能的综合应用能力。