新工科背景下的“化工設計”教學實踐和探索*

于英民 李 軍 侯影飛

（中國石油大學（華東）化學化工學院 山東青島 266580）

2016年6月，我國工程教育專業認證體系實現國際實質等效，為深化工程教育改革提供了良好契機。教育部2017年印發了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，決定從新工科的內涵特征、新工科建設與發展的路徑選擇等多方面開展研究與實踐。深化工程教育改革，建設工程教育強國，主動服務國家戰略需求，主動服務行業企業需要，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，有益于促進我國從工程教育大國走向工程教育強國，對服務和支撐國家經濟轉型升級意義重大。

作為傳統工科的化學工程專業，仍然在國民經濟中發揮著基礎性的重要作用，但是，必須認真思考“傳統工科人才培養方式”應該如何滿足國家的產業轉型升級換代和新支撐產業培育與發展的要求，通過不斷探索與實踐，實現教育理念、模式和人才質量的提升，培養多元化、復合型、創新型的工程人才[1]。

一、化工設計課程教學現狀

化工設計是化學工程專業的一門必修課，在整個化工類專業教學體系中，具有舉足輕重的作用。該課程以化工生產裝置的工藝設計為重點，講述化工設計的基本內容、方法和程序。其具體包括：工藝方案確定及工藝流程設計；物料衡算、能量衡算及設備工藝設計；車間及設備布置設計；工藝專業與非工藝專業的關系；設計文件的編制及各類工藝圖的繪制與識讀方法等。該課程對綜合性和實踐性要求較高，需要學生熟練掌握和靈活運用化工熱力學、分離工程、化工工藝學以及系統工程等理論知識，并且具有一定的工程實踐經驗，能夠基于大量基礎數據對實際生產裝置和系統進行設計和優化。此外，化工設計工作要求學生在掌握化工專業基礎理論的基礎上，進一步地掌握流程模擬計算、化工儀表及自動化、工程制圖、環保安全以及財務等理論知識，要求能夠識別和分析復雜化學工程問題，針對特定需求的石油化工系統、單元（部件）或工藝流程一責任關懷為原則，綜合考慮安全、環保等因素，提出合理的、具有創新性的解決方案。

該課程主要以理論教學為主，4-6周的課程設計為輔。許多高校會在畢業設計中開展15-17周的化工設計相關課題，以增強學生的化工設計實踐能力。隨著工程教育專業認證的深入，建立以學生為中心、以能力為導向、持續改進的教學體系成為必然選擇。我校對于化工設計課程的教學大綱、考核方式、培養模式等多方面進行了不斷改革和探索，并于2008年順利地通過了化學工程與工藝專業的認證。

當前，我國正在針對新能源、5G、芯片、智能制造、物聯網等領域進行全力布局。這些新興產業的蓬勃發展和傳統產業的轉型升級，將釋放出大量的人才需求，創造出一大批高質量就業崗位。工科高等教育在培養出大量工程技術人員的同時，也面臨著一個困境：高精尖人才供給不足及供需錯配?；ぜ夹g人員的綜合分析能力、科技創新能力和工程應用能力欠缺，無法滿足新時代條件下的社會需求。因此，如何培養工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”化工專業人才，成為專業建設和教學改革必須思考的問題。

二、傳統教學模式中存在的普遍性問題

傳統的教學以理論講授為主，采用從教材到教材、以教師講授為主的模式，無法做到全面透徹地展現復雜系統的實際工程問題；此外，學生只是生硬地掌握教材中的知識點，卻很難理解這些基礎理論的本質和內涵，更難以具備合理運用各類知識，從而有效地解決復雜工程問題的能力。即使是在化工設計的實踐教學環節中，也常常由于技術數據保密等原因，難以獲得真實有效的實際生產基礎數據，那么，在此基礎上，開展的化工設計也常常是為了設計而設計，成為空中樓閣。

鑒于化工設計的教學特點和實際情況，許多高等院校開展了多種形式的教學改革與實踐，在取得較好教學效果的同時，仍然存在以下主要問題。

（1）對基礎理論的理解和運用能力較弱。作為化工專業本科教育階段最具復雜性的化工設計工作，涉及化工原理、反應工程、化工熱力學、化工儀表與自動化、系統工程、能量利用原理等本專業知識，以及安全、機械，甚至財務等跨專業知識，學生雖然已經完成了這些基礎理論課的學習，但是大多局限于了解和應試解題，還不能真正地理解和掌握理論的本質，在面對實際生產問題時，無法進行有效分析和靈活運用。在設計過程中，常常會出現面對復雜工程問題時理不清頭緒，陷入無從入手的困境。

（2）知識碎片化，整合度不夠?；すに囋O計是一個高度綜合性的實踐過程，需要設計人員時刻考慮多種技術及非技術因素的影響，根據特定的化工生產任務，在多重約束條件下，綜合地運用多學科知識來評判裝置規模、生產工藝與設備、物耗能耗、產品規格、經濟成本、三廢處理等多方面指標，從而提供最佳的合理解決方案。然而，在實際進行化工全流程設計過程中卻很容易出現只顧一點，不顧全局，導致整個設計雖然在工藝上可行，但是卻并不合理也不優化的問題。

（3）工程實踐經驗匱乏。由于高校教學的特點，學生普遍缺乏參與化工生產進行鍛煉和學習的機會，導致在面對復雜的化學工程問題時，無法做出正確分析和判斷。比如，學生能夠準確計算機泵、換熱器等設備的工藝參數，卻在特定條件下不能正確地選擇設備選型；能夠計算基礎物能數據和設備工藝參數，卻仍然無法設計出合理的化工設備型式的情況。

（4）輔助性知識和技能儲備不足。在化工設計過程中，需要用到大量的輔助性工具（化工過程模擬軟件、設備設計軟件以及制圖軟件等）來提高工作效率[2]，此外，還要求具備一定的安全、法律法規、財務等方面的知識。這些都需要學生在課余時間進行自學，對于學生的學習積極性和主動性要求較高。從教學效果和多年化工競賽的作品來看，學生對此類非專業必修內容的重視程度不夠，主動學習掌握的意愿不強，多數只能做到簡單運用或者照貓畫虎模仿，無法很好地提升工作能力。

（5）設計實踐時間短，鍛煉機會少?；ぴO計需要在完成多門基礎理論課程的基礎上才能開展，主要設在大三下學期或者大四上學期，設計時間較短，多數高校也沒有或者少有外出企業進行學習和生產實習機會。此時，學生普遍面臨著擇業和考研，也常常無心鉆研和打磨設計作品，更浪費了難得的實踐機會。

三、化工設計教學改革實踐

針對上述化工設計教學實踐中的問題，國內多所高校開展了多種針對化工設計或畢業設計的教學研究：華東理工大學提出“工程教育理念引領創新人才培養模式”，采取舉辦教師工程設計能力培訓班、教師走進企業傳授畢業設計技巧等方法；遼寧石油化工大學開展了“TERM Project”的新型教學模式，通過“講-論-轉-練”的形式，提高學生工程實踐能力；武漢大學提出“以團隊為中心的項目學習型畢業設計教學方案”，實現對學生的一體化通識教育與分層次差異化培養。

作者所在的中國石油大學（華東）也在教學內容和教學模式進行了多種實踐和研究。

1.走出去，引進來，提高指導教師專業技能

鑒于化工設計實踐性強的特點，需要具有理論知識扎實和豐富工程實踐能力的指導教師團隊。我校多年來堅持選派年輕教師前往設計院和生產企業進行長期學習和培訓，鼓勵教師從事化工技術開發與應用轉化的科研項目，積累經驗，增強教師的工程實踐能力；同時，積極與中石油設計院合作，邀請常年從事項目管理、工藝設計、配管及安全等方面的專業人員來校為本科生授課，交流經驗。在化工設計選題時，強化設計內容與實際生產的關聯，力爭做到來源于實際，服務于生產，為學生配備學校和企業雙導師，讓企業導師參與到化工設計的指導和培養過程中。

2.充分利用典型案例，培養學生主動學習能力

在教學方法上，我校充分利用典型的化工設計案例進行剖析和研究，引導學生體驗完整的生產裝置設計過程，讓學生進行分組討論，分工協作，發揮各自的優勢，充分表達各自的設計思路和觀點，在不斷地提出問題、發現問題和解決問題中，提高學習興趣，豐富設計經驗。在此基礎上，開展翻轉課堂，以學生為中心，改變填鴨式教學的弊端，將學生由被動學習變為主動求知，激發學生的積極性和主動性，鍛煉其自主學習能力和獨立思考的能力。通過經典案例，學生能夠理解化工設計內涵，欣賞工藝設計的魅力，進而跳出專業的局限，以更積極主動的態度去學習和掌握多學科知識和技能，擴展視野，充實信息量，成為高素質、多元化、復合型工程人才[3]。

3.以化工設計比賽為契機，以賽代練，豐富學生綜合知識

利用各類化工設計比賽為契機，開拓視野，增加實踐和鍛煉機會[4]。通過設計比賽，學生可以深入參與一個化工項目的全流程設計工作當中，全面考慮原料、主/副產品、能耗、物耗、投資、污染、安全等諸多實際因素，既是一次挑戰和鍛煉的機會，也是對課堂教學非常有益的補充。鼓勵和引導學生積極地參加化工安全設計大賽、全國化工設計大賽等活動，以賽代練，在競爭更加激烈和應用性更強的比賽中，交流學習，提升技能，體驗到團隊合作和學以致用的樂趣[5]。

4.理論知識與生產實習相結合，體驗工程設計的魅力

在教學體系規劃方面，不斷地促進化工設計課程與實習實踐教學環節的融合[6]。在大二學年的認識實習和大三學年的生產實習中，由經驗豐富的老師將課本知識與現場所見的生產設備、工藝流程、安全設施等結合起來，實現學生在現場實習中邊看邊學，對實際生產裝置從感性認識過渡到理性認知。這些經歷讓學生更切實地感受到專業知識與企業生產的緊密聯系，對今后的化工設計更是彌足珍貴。[7]

5.從生產實踐中來，到生產實踐中去，理解化工設計的本質

化工設計的最終目標是面向生產應用和企業需求的，從生產實踐中來，到生產實踐中去，才能真正地理解和掌握化工設計的內涵和本質[8]。借助我校與京博控股集團、煙臺萬華化學集團等企業合作的教學實訓和科研轉化基地，依托企業資源，以解決實際生產中的技術難題為目標，進行化工畢業設計的選題。學生通過在化工生產車間現場工作和學習，運用所學知識與企業技術人員分析和探討技術問題，尋找合理的解決方案，最終完成整個畢業設計過程。設計作品評判和答辯也在企業現場進行，由指導教師和技術人員共同審閱和點評。在更靠近生產，更貼近實戰的學習環境中，能夠把化工設計的知識學懂會用，進而對化工專業有更深刻理解。

結語

化工設計是學生實現理論聯系實際的重要通路，是幫助學生從課堂走向實際生產實習，從學生蛻變成工程師的重要橋梁。在國家持續推動創新驅動發展，推動實施“中國制造2025”“互聯網+”的大背景下，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求。這就要求打破原有的“課堂、教材、教師為主”的傳統培養模式，以學生為中心，以社會需求為導向，多方面地培養學生的工程技能和創新思維，培養團隊協作精神，增強工程設計與實踐能力，積極地探索適應新時期化工專業人才需求的教學方式，更新教育理念，更好地為培養多元化、創新型卓越工程人才服務。