化工原理课程设计教学内容和模式探索与实践

２０１３５第１期（总第１２９期）ｐ摹奄哮耘｛｝化工原理课程设计教学内容和模式探索与实践＊

肖武，李祥村，贺高红，吴雪梅，都健，董宏光，潘艳秋，韩志忠，王瑶，孙力

（大连理工大学化工学院，辽宁大连１１６０２４）

［摘要］本文针对化工原理课程设计存在的题目单一、物系和案例库不完善、考核方式过于简单、工程能力和创新能力训练不理想、抄袭严重等问题，对课程设计的教学内容、教学模式和考核方式等方面提出了改进措施。我校的实践表明，这些改进措施有效地提高了课程设计教学质量。［关键词］化工原理；课程设计；教学模式

ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｎｔｈｅＴｅａｃｈｉｎｇＣｏｎｔｅｎｔａｎｄＭｏｄｅｏｆＤｅｓｉｇｎＣｏｕｒｓｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＰｒｉｎｃｉｐｌｅ

ＸｉａｏＷｕ，ＬｉＸｉａｎｇｃｕｎ，ＨｅＧａｏｈｏｎｇ，ＷｕＸｕｅｍｅｉ，ＤｕＪｉａｎ，Ｄｏｎｇ

Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ，

ＰａｎＹａｎｑｉｕ，ＨａｎＺｈｉｚｈｏｎｇ，Ｗａｎｇ

Ｙａｏ，ＳｕｎＬｉ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｗｅｈａｖｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｒｅｆｏｒｍｍｅａｓｕｒｅｓｉｎｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍｄｅｓｉｇｎ，ｔｅａｃｈｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔ，

ｔｅａｃｈｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅａｓｅｒｉｅｓｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｅｄｏｒｉｇｉｎａｌｌｙｉｎＣｈｅｍｉｃａｌ

Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｕｂｊｅｃｔｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅ

ｈａｓｇｒｅａｔｌｙｒａｉｓｅｄｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｈｅｍｉｃａｌＰｒｉｎｃｉｐｌｅ；Ｄｅｓｉｇｎｃｏｕｒｓｅ；Ｔｅａｃｈｉｎｇｍｏｄｅ

教育部“卓越工程师教育培养计划”的一个主要特点是强化培养学生的工程能力和创新能力，而化工原理系列课程作为化学工程技术的基础课程，在培养学生树立工程观念，培育卓越能力方面起到了至关重要的作用ｏ［１Ｊ化工原理课程设计是学生实践并检验所学化工原理知识的重要环节，其在提高学生的综合素质、培养创新精神、解决实际问题的能力上具有独特的优势。心１因此，有必要按照卓越工程师的培养目标，重视和加强化工原理课程设计教学内容和教学模式的改革，提高其在培养和训练学生工程观念、设计能力、创新精神和团队合作能力方面的重要作用。目前，我校课程设计的主要教学方式是通过２～３天的集中授课，学生参考相关资料和教学课件，按照一定的模板和步骤，单独进行基础物性数据查阅、工艺过程计算和校核、设备设计计算和校核、工艺流程及主要设备工艺条件图的绘制等工作。总结目前教学内容和体系存在的问题，大致

［作者简介］肖武（１９７７一），男，副教授，博士。＊基金项目：大连理工大学教育教学改革基金（ＭＳ２０１１４３）和大连理工大学研究生教学改革与研究基金（ＪＧｌｌａ２）。

万方数据３６化工原理课程设计教学内容和模式探索与实践有如下几点：［３－７］１．课程设计题目长期不变，且案例较少，学生可从同学或上届学生处获得模板，难以避免抄袭现象；２．涉及相关课程知识点较多，学生难以在２周内复习好并应用到设计中，有的同学直到交设计任务书的时候，才刚刚进入状态，苦于没有时间，只能草草结束。３．刚开始的时候，很多学生都很茫然，感觉云里雾里，不知如何下手，因此经常是第一周不在状态，第二周开始熬通宵，一定程度上导致了抄袭现象的发生。４．单纯依据学生的设计说明和图纸质量进行检查课程设计考核，评价方法太简单，缺乏科学性、准确性和公正性。５．为了减少学生的工作量，设计题目中通常给定了一些需要通过优化确定的参数，学生只能在指导教师给定条件下进行验证性设计，从而限制了创意的产生，设计结果常常千篇一律，弱化了学生的工程概念和创新意识的培养。以上化工原理课程设计存在的问题影响了教学效果，使得学生基础理论知识掌握较好，而工程实践能力较差，创新意识薄弱。近年来，我们为了有效提高化工原理课程设计质量，适应我校卓越工程师培养计划的要求，面对存在的问题，进行了一些有益的改革和实践。一、课程设计案例库建设要实现课程设计多层次、多模式教学方法的改革，建设设计案例库至关重要。针对课程设计题目陈旧单一的不足，结合化工生产实际，我们对化工原理课程设计的案例内容进行研究，提出了多种不同物系、不同特点和不同要求的设计案例，以提高学生的学习兴趣，满足不同学生的培养目标的需求，对避免学生之间的抄袭现象也起到了一定的作用。为此，我们基于参与企业工程项目设计工作的实践，结合我校学生的特点，从设计物系案例库建设和教学模式改革出发，对课程设计的案例库进行了相应的调整和改革。首先，除了保留我校经典的课程设计案例乙烯一乙烷和丙烯一丙烷物系分离之外，增加了乙醇一水、苯一甲苯、苯一氯苯、丙烯一环氧丙烷物系共４个分离物系，计划最终要达到１０个物系左右。对于乙烯一乙烷、丙烯一丙烷和丙烯一环氧丙烷物系来说，需要加压操作，其挥发度的计算不能采用安托因方程，而其他３个物系，是常压操作，但乙醇一水是产生共沸物的非理想体系，其相对挥发度不能用平均挥发度进行计算，需要学生自行查阅资料，以锻炼其对实际问题的思考方式和基础理论应用能力。下一步，我们还拟增设减压精馏或吸收过程的物系和案例。另外，对于同一物系，变化基础设计的参数，形成了多个不同的设计案例。例如，选择不同进料组成、不同生产规模和不同塔型，即可组合成多种案例。同时，案例库的建设需要密切结合生产实践，尽可能选择石油化工过程中的经典案例，如乙烯一乙烷等。结合工程项目经验，我们提出了可行的有特色的物系和案例，如丙烯一环氧丙烷物系的案例就来自笔者曾参与设计和开车的一个工程项目，该物系分离的压力选择、回流比优化是十分关键和典型的。另外，分析物系分离的特点，考虑到以往只有高压分离案例，现增加了常压或减压操作的物系和案例，如乙醇一水、苯一甲苯等。而且，我们利用化工流程模拟软件和设备设计软件，对各个案例进行严格的模拟和设计，并给出模拟结果和设备设计结果报告，以便于检查、审阅和比较方案，确定最终设计基础参数，如处理量、产品要求和操作条件等，从而形成最终的案例库。设计结果也提供给指导教师进行参考，以使老师在讲课和答疑之前，胸有成竹，有的放矢。二、课程设计教学内容和模式改革课程设计教学方法有课堂教学启发式、全面开放式和放开指导式。［７３而现阶段各高校最常采用的方法是课堂教学启发式，即教师通过课堂讲授，给出每一步设计步骤和框架，并在设计过程中进行跟踪答疑，让学生按提出的框架去进行设计。这种方法的优点是学生完成设计比较顺利，出现错误较少，但是没有充分发挥出主观能动性，抑制了创新性思维，与目前我国卓越工程师的培养目标不一致。另外，在课程设计教学过程中，教师给定了过多的设计限制条件，而这些限制条件在实际过程中通常都需要通过具体物系、分离要求和技术经济的分析和计算获得，从而使得学生的设计过程和实际的设计过程之间存在较大的距离，学生没有体会设计的工程概念，不利于独立思考和创新能力的培养。例如，我校的乙烯一乙烷的设计任务中，给定的设计基础条件有：进料流量、进料乙烯含量、塔顶和塔底分离要求、塔顶操作压力以及回流比系数。而在实际设计过程中，塔的操作压力和回流比系数需要进行物系物性的具体分析，并结合技术经济核算，才能最终确定。因此，

万方数据化工原理课程设计教学内容和模式探索与实践３７

基于紧密联系实际的出发点，笔者对课程设计教学模式和内容提出了一些改革措施。一方面，增加了最优回流比的确定部分。这需要学生在一定的回流比范围内，计算不同回流比下精馏塔的投资费用和操作费用，绘制总费用和回流比的关系图，通过经济核算确定最优的回流比。同时增加了压力的选择，学生需要根据分离物系的性质，选择适宜的操作压力，并给出选择的依据和计算分析。最后还增加了ＡｕｔｏＣＡＤ制图的工作量，学生须完成包括带控制点的工艺流程图，精馏塔、塔板结构和再沸器工艺条件图。另一方面，考虑到设计内容的增加，而且我校化工相关专业的学生没有学过ＡｕｔｏＣＡＤ制图软件，因此，我们安排２人为一组，自由组队，分工协作，但要求了解和审核全部内容（通过最后的答辩考核方法来检查）。部分学生成绩优异的学生，可以选择独立完成，教师在成绩评定的时候会适当倾斜。三、课程设计成绩评定方法改革我校以往的课程设计成绩主要以说明书和图纸的质量为评定依据，教师在译阅的过程中，不可能逐项去进行核算和检查，而且对于学生通过抄袭往届学生或者同学的设计结果的情况，教师很难准确把握和了解，这些情况使得教师很难合理和公正地给出成绩。同时，随着以上课程设计内容和教学模式的改革，成绩的评定方式方法也需要进行必要的改革，以使其更科学、更准确和更公平，且便于推广和实施。成绩评定方法改革后的成绩由以下３部分组成。１．平时成绩分（１０分）。我们从前期的授课出勤情况、课程设计过程中表现的学习态度、学习能力和创新能力等多个方面评价学生。对于出勤情况好、提问积极、问题深入且有创新思想的学生，明确表示适当加分。另外借助助课研究生，我们对设计教室内的学生进展状态进行定期检查和了解，掌握进度，能够按任务计划进展好的学生，也会在平时成绩中获得加分。２．答辩成绩分（３０分）。为了甄别学生是否独立完成设计任务，理解并掌握了过程设计的方法和步骤，减少抄袭现象，进行公开答辩是一种行之有效的方法。具体可以采用个人答辩、小组答辩或集体答辩等不同方式。为了激发学生的兴趣和参与感，可以让学生参与提问和评分，学生评分可以占到一定比例。如果学生人数较少，建议进行个人答辩，以充分了解学生的知识掌握情况。学生人数过多，教师没有足够的精力应对，也可以采用几个学生同时答辩的方式，且对于同一问题，答辩学生之间可以相互补充或纠错。３、说明书和图纸的质量分（６０分）。按照教学大纲考核要求，我们重点考察学生对基本概念、原理的掌握和应用。同时关注学生是否具有工程概念、是否提出了创新想法、工艺参数的正确性、设计方案结果分析的合理性和经济性、图纸的排版是否正确规范、设备图示以及尺寸标注是否正确等，从多个方面进行全面评价。四、教学改革的实践和成效从提出以上的课程设计改革内容以来，笔者在我校学生中进行了一定范围的实践。２０１１年，我们在环境专业共３个班级（８９人）中进行了改革，设计涉及４个物系，每一个物系又拓展为４０个案例，通过自由组合方式，２人一组分工合作完成任务，有部分学生独立完成。２０１２年推广到４个化工英语强化班。强化班学生由于基础较好，因此大部分学生独立完成。由于可选案例远大于学生数，所以学生之间可供抄袭的概率大大减低，而且不同的物系在设计方法上（例如相对挥发度的计算、理论板数的计算等）会有较大差别。班级同学相互讨论交流，能了解更多的相关设计知识，扩展知识面，增强工程实践能力的锻炼。由于增加了平时成绩和答辩成绩的考量，学生的出勤情况变得非常好，抄袭的现象大大减少，答疑的同学增加了，提出的问题也更体现出对设计的深入理解。学生的创新意识被大大激发出来了。例如，有同学提出能量集成、利用余热等新的措施，并给出了基本的想法和流程，有同学对不同压力下的流程进行了经济性分析，以进行操作压力的优化……学生在课程设计的体会摘录如下：“确定方案，选择流程，查找资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计，初步体会到了工程设计的概念。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践”；“与其说这是一次作业，不如说这是一项挑战、一次竞赛、一次团队合作……完成这样一项工程不仅需要个人努力，还需要团队精神，在一次次（下转第５３页）