化工原理课程建设与改革的几点经验和体会.pdf

2006年第1期(总第87期)作者简介王振芳(19622),女,副教授,硕士；陆维玮(19572),女,副教授；任晓红(19622),女,副教授,硕士；张长桥(19572),男,教授,博士,副院长,山东大学课程建设与改革立项课题负责人。化工原理课程建设与改革的几点经验和体会王振芳,陆维玮,任晓红,张长桥(山东大学化学与化工工程学院,山东济南250011)摘要本文介绍了化工原理课程建设和改革的几点经验和体会。我们认为在课堂教学中突出工程观点培养,在课程设计中强调优化设计概念,在实验教学中利用计算机辅助实验教学,是培养现代化化工人才重要的三个方面。关键词化工原理；课程建设；CAI课件化工原理课程是化工类及相近专业的一门主干课程,还是化工类硕士研究生入学考试必考的一门专业基础课,因此有整个化工类教学体系“牛耳”之称。在教学安排上,一般高校安排了174学时,它包括理论教学(118学时)、课程设计(30学时)以及实践与实验(36学时)三个教学环节。当今社会科学技术的发展突飞猛进,知识更新速度越来越快,对人才的素质要求也越来越高。作为化工类王牌课程的化工原理,理应在化工高等教育课程建设和改革上充分适应这种变化。因此,我们从1998年开始,对化工原理课程的建设和改革进行了初步的探索,并取得了一定的成绩。一、化工原理课程理论教学中注重工程观点的培养传统的化工原理课程理论教学模式为:以大学一、二年级的基础理论课程作为基础,采用从书本到书本的方式过渡到专业基础课,学生在整门课程的学习中,基本不涉及工程实际。但是,化工原理是工程学科的专业基础课,它有着很深的工程背景,如何在有限的教学时间内向学生最大限度地传授具有工程观点的理论知识,是这门课程教学的重点和难点。近年来,国内许多高校探索了化工原理课程教学的改革。我们在努力学习兄弟院校先进经验的基础上,根据自己的实际条件和特点,对化工原理这门课程的理论教学也进行了一系列的建设和改革。我们在化工原理的课堂教学中,主要从以下两方面突出工程观点:1.在学生进入本课程学习的初始,我们首先给学生一个大工程概念,使学生从感性上认识到这门课程在整个化学工业中是解决什么问题的。侧重两个方面:一是化学工业过程是由哪几个部分组成的?这几个部分对应着化工原理那几个章节?二是这些化工过程是如何联系的?教材中各章节又是如何体现这种联系的?我们采用华东理工大学研制的“化工过程工业科普软件”给学生以大工程背景知识,来达到上述要求。在学生每学完一个章节后,我们还组织学生进行“工程实际专题软件”的学习,以加强书本知识与工程实际之间的联系,培养学生的工程观点。目前主要有下列几个专题:流体流动与设备(华东理工大学)、非均相分离与设备(华东理工大学)、精馏塔浮阀塔的工艺设计与过程控制(天津大学)、吸收过程的641994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.设计与应用(北京化工大学)、传热过程设计与干燥应用(华东理工大学)等。2.教师是教学之本。为了更好地在课堂教学中给学生灌输工程观点,我们要求教师必须经常下工厂(至少参与学生的生产实习和毕业实习),以及尽量从事化工研究课题的研究和开发,不断提高自身的工程水平。在讲授时,教师就可以实际工程为例,将理论知识揉合到工程实际当中。3.实施教学手段多样化。化工原理作为一门专业基础课,既有详细的理论分析,又有诸多实践经验的总结,涉及多种复杂设备的操作、设计等,为此,我们采用了图片、动画、视频、设备模型观摩等教学方法,大大提高了学生对工程观点的理解深度。我们除了应用自行制作的多媒体课件外,2001年购置了所有相关单元操作典型设备模型；2002年购买了由华东理工大学齐鸣斋、张辉等制作的化工原理(上、下册)多媒体课件；2004年学院配备了高等教育化学教学资源库(含化工基础子库)。经过几年的努力,我们已初步将工程概念揉进了理论教学中,取得了很好的教学效果,受到了学生的好评。二、化工原理课程设计注重“优化设计”概念及能力的培养化工原理课程设计的主要任务,是将理论教学中分章节讲授的内容通过具体的工业初步设计,有机地综合起来,培养学生整体设计的综合能力。科学技术的不断发展,要求工程技术人员不但要具备分析能力,而且要有较强的综合运用知识和综合决策能力。诚然,这种综合决策能力的培养绝非通过一门课程就能实现,但作为一门主干课,化工原理课程特别是化工原理课程设计无疑担当着一个重要的角色。决策通常基于“优化”。对于工程实际问题,“优化设计”和“优化操作”至关重要。因此,“优化设计”和“优化操作”观念的建立并付诸实践,是培养学生综合决策能力必不可少的一环。由于传统的化工原理课程设计无法培养学生的综合决策能力,而这种能力又是新世纪高素质人才必不可少的,因此,有必要对传统的课程设计进行改革。过去的课程设计中沿袭传统的经验设计法。如精馏的应用十分广泛,但能耗很高,为节能降耗必须选择费用比较低的设计方案。而既往教材在介绍精馏塔设计时,根据经验取回流比为最小回流比的1.12倍,这样的设计自然不可能得到最优设计方案。在课程改革的初期,我们首先采用了试图改变设计方法来培养学生综合能力的思路。如让学生计算在若干个回流比下精馏塔的经济费用,进行多方案的比较,选择其中总费用比较小的方案作为最终设计方案。但因多方案比较设计法本质上仍属传统的经验设计法,内容没有更新,方法没有突破,手段没有改进,计算工作量大,非常繁琐。大量的时间用于重复枯燥乏味的计算工作,难以在有限的时间内完成多方案比较设计任务。常常是明知设计结果不尽合理,也不愿去调整设计参数进行多方案的比较。综合水平的高低,具体反映在能否优化设计达到优化操作上,并以此成为检验是否成功的标志。从1998年起,我们引入了工程经济的观点、工程最优化技术和计算机辅助计算技术等新知识和新技术,把传统的以传授知识为主的化工原理课程设计改为既传授知识更注重培养学生科学素质和综合能力的化工原理课程优化设计。优化设计不仅涵盖了传统经验设计的内容与方法,而且有它追求的目标。要建立目标函数的数学模型,必须联系生产和科研实际,将影响设计结果的各种设计、操作和价格等参数包含在目标函数中,综合运用化工原理、高等数学、算法语言、工程最优化技术等课程的知识编程,用计算机求解。只要优化设计程序编译通过,就能快速求出不同参数、不同工况下的最优设计方案。因此,优化设计可以帮助学生树立工程经济的观点,培养和提高学生的综和运用知识和综合决策能力。经过认真的准备,针对现有化工原理课程设计教材在体现优化设计内容方面的不足,我们重新编写了化工过程及设备课程设计参考书,并制作了精馏塔计算机辅助设计软件,经几届学生的使用,效果良好。1999年,我们又购买了化工仿真系统软件,着眼于在改变操作条件的情况下工业结果如何的训练。在两次实习环节中,第一次生产实习,由于时间短、经费少,我们要求以基础直观性强的工厂为基地；第二次为毕业实习,经费、时间相对宽裕,要求以同一类型的高水平工厂为基(下转第20页)74化工原理课程建设与改革的几点经验和体会1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.沟通的能力；(8)对工程解决方案在全球、经济、环境的和社会范围的影响的理解与认知所要求的宽广的教育需求；(9)对终身学习需要性的认识和能够进行终身学习的能力；(10)有关当代热点问题的知识；(11)在工程实践中运用必要的技术,技能和工程工具的能力。从这些标准中,我们可以看到,美国工程教育除了重视加强数学和科学基础外,更强调对于工程实践能力、沟通表达能力、团队合作精神以及终生学习能力和职业道德等综合素质的培养。2.美国工程认证委员会把是否具有合格的教师队伍作为对各类工程教育质量认证的主要依据,显示了教师队伍在保障工程教育质量中的重要地位。正如认证标准所提到的,美国工程认证委员会认为师资是任何一个工程教育项目的中心所在。学校应当有充足的师资力量,并且这些师资要有覆盖该工程教育项目所有课程的任职资格或能力。并且工程项目的教师应当有适宜的资格能力。而评价工程教育教师能力的指标包括众多方面。如所受的教育,背景的不同,工程经验,教学经验,沟通的能力,开发更有效工程项目的热情,学术水平,是否参与专业性社团并具有专业工程师的许可证。上述关于教师任职资格的要求对我国工程类专业教师队伍建设非常具有启发意义。我国工科教师队伍目前普遍存在的问题一是重科研、轻教学；二是重理论研究、轻工程实践；三是教员本身缺乏工程实践经验与能力。教师能力缺乏对提高本科工程教育质量,确保工程师培养目标显然是不利的。3.实现工程师培养目标的载体是课程设置。美国工程认证委员会对各个工程专业认证的主要方面是课程设置,合理的课程设置是实现合格工程师培养目标的载体。通过课程的学习,学生应当为项目实践做好准备,并以先前所学课程知识和技能为基础,结合相应的工程标准和工程专业实际,完成一个工程设计。各个工程专业的课程基本都分为三个层次,每个层次课程所指向的目标也是不同。第一个层次是数学及基础科学知识,这类课程是在学院级水平内设置的。第二个层次是由(下转第29页)(上接第47页)地。强调高水平的原因,是使学生了解在生产实践中优化设计的方法,以及较低设计与优化设计之间的差别,进一步提高学生对优化设计概念的认识,培养了学生优化设计的综合能力。三、化工原理实验教学中,注重CAI课件的建设化工原理课程是一门工程性、实践性非常强的课程。化工原理实验课因此成为本课程教学的一个重要环节。由于经费的限制,学校不可能大规模建立工程型实验装置,因此,除了必须开设的部分中小型实验外,我们主要进行了化工原理CAI实验课件的建设工作。用课件替代工程型实验对培养学生的实际动手能力有一定的缺憾,但目前看来,这是一种最经济的、可以取得一定效果的补充方法,具有一定的实际意义。目前国内大型化工厂,特别是引进及技术改造后的现代化化工厂,基本上采用计算机在线控制的方法进行生产。因此,CAI课件的使用还能培养学生的计算机操作水平,这加强了我们对CAI课件建设的信心。在建设过程中,我们曾考虑自己制作,但由于经费、时间的限制,最后还是直接选购兄弟院校现成的课件,揉合进我们的实验教学之中,再形成我们自己的特色。化工原理实验,时间紧、任务重,以前都是由实验员准备好后,学生直接对化工过程的某一特定单元进行操作,训练内容单一。我们采用浙江大学开发的化工原理CAI实验课件,天津大学开发的化工实验数据处理软件,作为特定单元实验的补充内容,使学生对实验设备及装置的布局、管线结构、仪表装配、实验辅助设备等有一个全方位的感性认识,以培养学生全方位设计实验