化工相关专业“化工分离工程”课程的教学思考与实践*

2023-08-21张誉腾王帝淞杨春华

云南化工 2023年8期

吕楠，郑胜，张誉腾，王帝淞，杨春华，李强

(东北电力大学化学工程学院能源化学工程专业，吉林 132012)

2019年，新工科建设进入越来越多高校的视野，树立学生中心，产出导向，持续改进的理念，对化工专业人才培养提出了更高要求[1-2]。课程是人才培养的核心要素，是实现学生培养目标和毕业要求的依据和载体，是保障和提高教育教学质量的关键。化工分离工程是化工类专业的核心专业课程，具有较强的综合性和工程应用性，在化工专业人才培养中占有重要地位。化工分离工程课程内容综合性强，要求具备“物理化学”“化工原理”“化工热力学”等多学科基础知识，同时公式多、计算量大，要求具备一定的高等数学基础。因此，在传统教学方式下，化工分离工程课程存在着教学理念陈旧、教学方法与教学内容不匹配、考核评价方式单一等多方面问题[3-5]。

本课题以能源化学工程专业的必修课“化工分离工程”为研究对象，结合“新工科”建设的要求，讨论“化工分离工程”教学方法改革对以学生为中心和成果为导向的积极作用和效果。在“新工科”建设的新要求下，结合实践经验，针对分离工程课程特点与教学中存在的问题，从课程内容、教学形式等方面，对课程教学改革进行了探索，提出了建设线上教学平台、理论与实践相结合等教学改革措施，培养学生工程能力和工程素养，提高学生的知识运用与创新能力。

1 注重工程实践能力培养，修订课程教学大纲

1.1 课程目标的制定与修订

在能源化学工程专业最新修订的培养方案中，更加注重工程实践能力的培养，调整了化工分离工程课程与毕业要求指标点的支撑关系。根据课程对毕业要求的支撑关系制定化工分离工程课程的具体课程目标，以毕业要求达成情况作为主要的修订依据，课程组基于课程目标评价报告结果进行持续改进。

“化工分离工程”的三个具体课程目标为：①能够应用所学的相关知识，进行泡点、露点和闪蒸计算，掌握单元和装置的设计变量的分析方法，能够对化工生产实际中复杂物系中的分离和提纯过程中的组分组成、回流比、塔板数、进料级等相关的问题的进行计算与分析；②根据具体的分离要求，结合目前分离技术的现状，运用化工分离工程的基本原理，能够进行工艺流程的设计，并能够对不同设计方案进行分析与比较；③能够根据具体的实验要求，运用化工分离工程的基本原理，选择合理的研究路线，设计实验方案，能正确地采集实验数据并处理分析。课程目标与毕业要求指标点的支撑关系，如表1 所示。

表1 支撑毕业要求指标点的课程目标

1.2 课程内容与考核方式

1.2.1 课程内容重新解构，建立知识体系框架

教学内容是整个教学活动的主体部分，反思教学内容是对理论知识的重新思考和把握，在保证教学内容是以培养目标和毕业要求为导向，符合教学目标和教学大纲的基础上，对课本上的理论知识重新解构，构架逻辑关系，建立跨章节衔接顺畅的知识体系。化工分离工程课程由于公式多，计算量大，讲授时应该注重由浅入深，由点到面，帮助学生建立课程知识整体框架。例如，由简单的单级平衡过程引入，让学生掌握相平衡的理论，相平衡常数、泡点、露点和闪蒸计算等，再进行多组分分级分离过程中单元和装置的设计变量的分析；之后利用所学的基础理论和计算方法进行多组分多级过程的分析和计算，从简单的清晰分割假设引入，让学生掌握芬斯克公式计算最少平衡级数，再进行芬斯克公式反用使学生们轻松掌握全回流下非关键组分分配。课程内容由简入繁，帮助学生建立自己的课程知识框架和体系，只有真正掌握才能够综合应用。同时，及时更新案例，选择鲜活、饱满的教学案例，进行重点知识内容衔接，使学生对解决复杂问题产生兴趣。最后总结提炼精华，给学生以启发。帮助同学们建立一套具有科学性、时代性的课程知识内容体系。

根据课程目标进行详细的教学内容安排，化工分离工程课程分为理论教学和实验教学两部分。总学时为 32学时，其中理论 28学时，课内实验 4学时。

理论教学分为 5 个单元，分离过程的基本概念、分类和特征及展望 (2学时)、单级平衡过程及相关计算(6学时)、多组分多级分离过程分析与简捷计算(8学时)、多组分多级分离的严格计算(8学时)和分离设备的性能和效率(4学时)。实验教学分为 2个实验项目，分别为：反应精馏制备乙酸乙酯(2学时)，超纯水制备中的分离工艺(2学时)。具体的教学内容和教学方式如表2所示。

表2 知识内容与教学方式

表3 课程目标与评价依据占比关系表

1.2.2 课程考核及评价方式多元化

多元化考核，增加挑战度，建立完善的过程性考核与结果性考核有机结合的课程考核制度，是人才培养的关键一环。从考核与学习评价来说，强调过程性考核，制定严格的过程考核指标，考核难度逐渐增强。随堂测试及时监测学生对基础理论的掌握情况；设计报告考核，体现学生自主学习能力和创新能力；实验成绩，考察学生的理论结合实践的动手操作能力；期末试卷着重考察学生的分析和解决复杂工程问题能力。最终，以综合成绩对学生的能力进行全面的评价，随堂测试占比10%，实验成绩占比20%，专题报告占比15%，期末成绩占比55%，全方位对学生的工程实践能力进行评价。

增加课程考核方式和内容审核环节，课程的教学大纲中需包含课程考核方式、内容与课程目标审核表，以确保课程评价面向产出，即课程评价依据合理。评价审核考核方式、内容与课程目标是否符合，化工分离工程课程的课程评价指标如表4所示。

表4 考核方式、内容与课程目标审核表

2 化工分离工程课程教学模式的改革与探索

针对化工分离工程课程特点与教学中存在的问题，对教学设计、教学方法等方面进行探索，采用 “线下与线上相结合” “理论与实践相结合” 等方式促进知识、能力、素质有机融合来培养学生解决复杂工程问题的综合能力。

2.1 线下与线上混合教学模式

现代信息技术的发展为线上教学的发展提供了宝贵的机遇。基于学校数字化教学平台，在超星网络平台建立化工分离工程在线网络课程。相较于传统的线下课堂，一方面，线上课堂可以提供更加丰富的课程资源，如课程大纲、教材、老师录制的知识点视频，习题库等，不仅可以帮助学生查漏补缺，还可以满足学生个性化的学习需求。另一方面，线上教学可以帮助教师高效开展教学工作。课前，可以通过线上课堂布置预习视频任务点，线上课程可以实时统计学生观看学习的数据，帮助教师进行高效的管理。线上课程的随堂测试功能，可以及时考察学生课上基础知识的掌握情况，第一时间反馈学生的学习情况，为后续有针对性的复习和差异化教学提供参考。通过“线下与线上相结合”的教学形式，显著提高了学生对基础知识的掌握。

2.2 多元化教学策略设计

化工分离工程课程的特点是内容综合性强，涉及多学科基础知识，同时公式多、计算量大，学生在学习过程存在着一定的畏难情绪，根据教学内容合理地设计教学策略，可以帮助学生适应由易到难的学习过程。例如，化工分离过程的分类、特征等基本概念，可以采用多媒体教学，提供更多的素材，激发学生对课程的学习兴趣。对于分离过程的基本理论内容，如单级过程是多组分多级分离过程的基础，可以采用多媒体与板书结合。对相平衡常数的计算、泡露点的计算采用板书公式逐级推导，帮助学生打好基础。单元装置设计变量计算可以采用讲解+互动提问式教学，由浅入深，帮助学生建立自信。多组分多级分离过程则需要案例逐一讲解，培养学生分析复杂工程问题的思维，加强习题练习，学以致用，培养解决复杂工程问题的能力。建立“案例库”，紧跟前沿，以问题为导向，激发学生的求知欲。利用分组讨论和翻转课堂，激发和鼓励学生的创造性思维。

2.3 理论与实践相结合，注重实践能力培养

采用 “理论+实践”的教学模式，建设“高阶性”课堂。多组分多级分离的严格计算是解决实际复杂工程问题的关键，是培养学生工程实践能力的基础，也是化工分离工程课程的难点。除了掌握计算方法，更重要的是能够进行复杂工程问题的严格计算。但是，由于多组分多级分离的严格计算的计算步骤繁琐，人工运算难度大，实际工程中采用系统稳态模拟软件Aspen Plus进行计算。为了加强学生实践能力的培养，将Aspen Plus软件引入课堂教学，让学生利用Aspen软件进行工艺计算，培养学生利用现代化工具和手段解决工程实际问题的意识和工程实践能力，为后续的课程设计、毕业设计，以及未来从事相关行业打下良好的基础。同时，开展反应精馏制备乙酸乙酯实验和超纯水制备实验，培养学生的动手能力和综合实践能力。

2.4 鼓励自主学习，锻炼创新能力

随着生产技术的发展，现代分离技术的发展和更新是必然的趋势。随着分离要求越来越高，需要不断进行分离工艺流程的设计，探索新的分离原理和开发新的分离技术。培养学生以发展的眼光看待行业，培养学生自主学习和终身学习的意识，是化工分离工程课程的两个素质目标。通过设定分离要求，让学生自主选择分离过程，进行分离工艺流程的设计。学生通过查阅文献了解目前分离技术的研究进展和动向，如膜分离、超滤和微滤、反渗透、电渗析等新型分离技术的国内外研究现状和发展前沿，能够根据具体的分离要求，运用化工分离工程的基本原理，进行工艺流程的设计，并能够对不同设计方案进行分析与比较，培养学生创新意识和终身学习能力。