基于创新理论的化工设计教学改革初探*

徐环斐，高 扬，卜秋祥

(1 青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042；2 山东三维石化工程股份有限公司青岛分公司，山东 青岛 266071；3 青岛科技大学教务处课程中心，山东 青岛 266061)

习近平总书记在2021年5月28日出席中国科学院和中国工程院院士大会上指出：“高水平研究型大学要把发展科技第一生产力、培养人才第一资源、增强创新第一动力更好结合起来，发挥基础研究深厚、学科交叉融合的优势，成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军。”因此，高等学校应当勇于担当此重大使命，从最基础的教学为落脚点之一，发挥创新理念指导高等学校教学的优势，促进高质量本科生教育和高水平科技创新联动发展，为实现打好核心技术攻坚战以解决“卡脖子”科技难题夯实高等教育对人才培养过程中教学环节的坚实基础。

1 化工与化工设计简介

化工行业是涉及到国家战略发展和人民日常生活的重要行业[1]。化工产品从各领域为国民经济提供了重要支持。化工产品的生产具有一定的专业特点，因为涉及到特定的反应条件和特定的试剂助剂催化剂等，因此对化工产品生产的场所的设计优化也就是化工厂设计优化在推动整个行业发展的进程中起到至关重要的作用。化工设计按照不同的角度可以划分为不同的类别；在化工设计这门课程中，重点讲授如何进行新建工厂的设计。从撰写各类设计文案如项目建议书、可行性研究报告等学习化工设计的基本流程；从厂址选择开始到投产试运行到技术经济指标分析学习化工设计的具体环节；具体包括了生产方法的选择、生产工艺流程、化工计算、设备的选型和设计、车间布置设计、管道布置设计、非工艺专业设计、技术经济分析等内容。

化工设计这门专业课的名字是有两部分组成的，其中一部分是化工，一部分是设计。设计二字带有创作的含义；在学术界，“设计”的概念多被概括为对某一事物的构想和规划，并将脑海中的构思输出变成现实。设计本身是具有创造性的活动，是需要创新思维的。而化工二字将设计进行了限定，表示此设计内容必须要符合化工行业的规范，化工领域的标准。因此，如何在化工行业基本要求下，进行创造性的设计，以提供优质的化工厂设计方案是本门课程的教学难点和痛点。基于创新理论的化工设计教学改革将尝试解决这一难题。

2 基于传统创新方法的化工设计教学改革

创新作为一种理论[2-3]，可追溯到著名的哈佛大学教授熊彼特在《经济发展理论》中提出的一句话，“创新是指把一种新的生产要素和生产条件的‘新结合’引入生产体系”。创新理论逐步发展壮大，形成不同的创新方法[4-5]。在本章节以传统创新方法中的和田十二法、奥斯本检验法、5W1H法等与化工设计课程相结合，进行教学改革探索。

2.1 基于和田十二法的教学改革

和田十二法，又叫“和田创新法则”或者“和田创新十二法”；是我国学者许立言、张福奎在奥斯本检验法问题表基础上，借用其基本原理，加以创造而提出的一种创新思维方法。由于其首先在和田路小学进行了实践运用，因此成为和田十二法。其具体内容是“加一加、减一减、扩一扩、缩一缩、变一变、改一改、联一联、学一学、搬一搬、反一反、定一定”。

以化工设计中的管道布置为例进行此方法与教学的结合。化工厂中的管道布置具有重要意义，化工厂的管道就如同人身体的血管，人体的血管联通各个器官，化工管道联通化工厂的各个设备，是重要的物料输送能量输送方式。学生可通过和田十二法进行定向深入分析：比如某车间某工段工序的管道能否加一加，即是否需要加高、加厚、增加性能模块，如防腐蚀、隔热层等。化工管道能否减一减，即能否缩减此处管道的总长度、能否缩减管道上的阀门数量、能否缩减管道上的某些自动化调控数量等。管道的布置涉及到物料的具体特性，易燃易爆的管道能否缩一缩，能否压缩数量体积或者微型化处理。管道的安全阀门、防爆膜、阻火器、水封等能否变一变。现有管道是否存在不足，能否改一改更加合理和高效。通过联一联思路，管道和设备之间的联系，以及管道和管道之间的联系能否产生创新性的设计。通过模仿别的结构特点，进行学一学的管道结构和功能创新。管道容易出现气袋、口袋和盲肠等问题，因此在设计初期能否根据反一反的思路进行逆向思维，从另外一个角度去思考管道设计问题进行创新性设计。采用代一代的指导思想，引导学生思考某部分管道能否采用别的设备的一部分进行替代、某几个管道能否用别的管道进行替代保证原有功能。采用搬一搬思路引导学生考虑目前管道能否移作他用，能否产生新的效应和技术。管道设计有行业内的标准，比如化工装置管道布置设计规定，在案例分析过程中，采用定一定的思路，引导学生思考为什么需要遵循管道设计的标准或者规定，如果不遵循某条行业规定，可能会出现什么样的后果。

2.2 基于奥斯本检验法的教学改革

上述和田十二法是根据奥斯本检验法延伸形成的。奥斯本检验法或者称为奥斯本检验表法是以该方法的发明者奥斯本的名字命名的。该方法在创新领域非常受欢迎，被称为创新方法之母。它强制人去思考，有利于突破一些人不愿提问题或不善于提问题的心理障碍。提问，尤其是提出有创见的新问题本身就是一种创新。具体包括以下九部分内容：能否改变、能否借用、能否他用、能否扩大、能否缩小、能否替代、能否调整、能否颠倒、能否组合。

以化工设计中的发展用地为例进行此方法与教学的结合。发展用地可以简单的理解为在化工厂的总图设计中，平面区域并不完全被占满，预留出一片空地，此空地用于未来化工厂的发展，因此叫做发展用地。在发展用地设计的过程中引导学生采用此方法思考发展用地能否进行以下九部分内容的调整。发展用地能否改变，更详细一些，发展用地能否改变功能，能否改变形状，能否改变具体位置等。发展用地能否借用，更具体一些，发展用地能否被用作暂时储存空间，能否被工艺管道借用通过其上方空间或者地下空间，能否被公用工程管道借用穿过其区域。发展用地能否扩大，更深入一些，发展用地的面积能否扩大或者缩小，扩大或者缩小后整个厂区的总图布置发生了怎么样的改变，对技术经济指标的影响是什么，如果面积能扩大或者缩小，具体采用哪种长宽比的扩大方式，和周围车间和管道的位置关系有无需要调整的地方。发展用地能否替代，换个角度说，能否在化工厂里面没有发展用地，或者别的车间替代其功能。发展用地能否调整和颠倒，发展用地能否调整比例，能否颠倒位置、颠倒作用等。发展用地能否组合，是设计一个位置的发展用地还是设计多个位置的发展用地，这些不同的发展用地能否集中成一个，或者一个位置的能否分散成多个发展用地，他们之间的相互关系如何确立等。在学生利用此方法回答以上问题的过程中，督促了学生进行主动思考，有助于学生探究发展用地的设计初衷，并强化了学生对发展用地知识点的掌握和理解。

2.3 基于5W1H法的教学改革

5W1H法又称为六个为什么方法，或者六何方法。是一种深度剖析问题的创新方法。其中5W1H分别是why、what、where、when、who和how的首字母。这个方法可以用一句话来总结，即是对选定的项目、工序或操作，都要从原因、对象、地点、时间、人员、方法等六个方面提出问题进行思考。

以化工设计中的事故水池为例进行此方法与教学的结合。事故水池又称为事故应急水池，是化工企业在发生事故、检修等特殊情况下，暂时贮存排除废液的水池。是化工厂设计过程中需要注意的具有消防、防腐、防洪功能的应急区域。按照5W1H创新方法，引导学生们进行创新性思考，解决六个为何问题。(1)解决这个事故水池的what问题，即这个水池是处理具体什么事情的，事故发生之后化工厂会有什么情况，化工厂存在事故水池和没有事故水池有什么区别或者后果，并让同学们举例进行说明。(2)解决这个事故水池的where问题，即这个事故水池需要放置在化工厂的具体什么位置，需要靠近什么车间，具体需要靠近的车间有什么特点；化工厂的区域分为平面和立面，平面这个水池需要占地多少面积，立面这个水池需不需要进行溢流堰的设置，如果需要，溢流堰需要设置多高。(3)解决这个事故水池的when问题，即这个水池在什么时候起到作用，既然称为事故应急水池，起作用的时候和不起作用的时间占比大约是多少，在没有发生事故的时候，这个水池有没有其他的作用，这个作用是否影响其位置的确定。(4)解决这个事故水池的who问题，即这个水池是为谁服务的，是为紧急事故废水服务的，服务的这个废水特点是什么，可能具有什么物化性质，可能具有怎样的流量速度和总量，这些是否和废水来源的设备或者管道有关系。(5)解决这个事故水池的why问题，即这个水池为什么需要这个技术参数，为什么非要这样设计，换个别的设计形式行不行。(6)解决这个事故水池的how问题，即这个水池怎么设计，怎么设计效果更好，怎么设计效率最高，怎么设计最省人力物力财力，怎么设计最有利于这个化工厂的总的技术经济指标，怎么设计能避免失败，怎么设计能最大限度的发挥价值。

2.4 基于信息交合法的教学改革

信息交合法，又可以称为“要素标的发明法”，或称为“信息反应场法”。信息交合法是一种在信息交合中进行创新的思维技巧，即把物体的总体信息分解成若干个要素，让这些要素进行两两相交使得不同的信息进行联系，将孤立的零散的信息形成网状结构，可以发散思维，进行创新设计。

在化工设计课程内容中，设备的选型和设计是非常重要的一个环节，特别是针对具体的反应条件、反应热效应、反应物产物的物理化学性质，核心反应设备有时不能通过选型完成而是需要自行设计。可以通过信息交合法引导学生进行设备的设计。比如将分散的设备需求点进行交合，整合成为具有多种功能的集成设备；设备需要比表面积大、换热好、混合均匀、分离效果好等需求点，在此方法的指导下，学生将有目的地去思考能否采用换热器、混合器、反应器、控制器等集成在一起的微反应器实现？具体怎么操作，是选择错流还是逆流；怎么实现单位体积的高通量操作；如何通过调整形状实现设备内部比表面积的增加；如何实现微反应器内的装置的联通等，在此方法引导下，学生选择重要的要素进行两两相交获得不同的信息关联，最终为化工厂的特定反应设计具有集成功能的微反应器。

3 结 语

创新是发展的灵魂所在，在高等学校专业课教学中培养学生的创新思维具有重要的意义。化工学科专业课化工设计是一门基于专业背景的设计课程，培养学生在化工行业标准和规范下进行具有创新性思维的创造有助于提高学生的化工工程师素养。将创新理论和化工设计课程有机结合，进行基于创新理论的化工设计教学改革初探能够提高教学水平，更好地达到教学目标。