大学化学, 2020, 35(10): 134-140 doi: 10.3866/PKU.DXHX202008010

专题

新工科背景下高等分离工程教学改革与实践

马占华, 杜跃展, 李军, 孙兰义,

Teaching Reform and Practice of Advanced Separation Engineering under the Background of Emerging Engineering Education

Ma Zhanhua, Du Yuezhan, Li Jun, Sun Lanyi,

通讯作者: 孙兰义, Email: sunlanyi@163.com

收稿日期: 2020-08-4   接受日期: 2020-08-9  

基金资助: 山东省研究生教育质量提升计划项目.  SDYAL18019

Received: 2020-08-4   Accepted: 2020-08-9  

摘要

面对新工科背景下研究生协同创新能力的培养需求,结合多年的教学和科研经验,对我校化工类研究生高等分离工程课程的教学内容、教学方法、教学手段及考核评价方式等进行了一系列教学改革。创建了工程案例库,采用案例教学、团队协作,注重多专业知识及其最新科研成果的融合;采用软件辅助解决复杂工程问题,通过手算-软件计算相结合的习题训练方式强化理论的理解与应用;以多元化考核模式为抓手,提高研究生的学习积极性及其自主学习能力。实践表明,该课程的教学改革及其实施明显提高了教学效果,对培养研究生的工程综合能力、表达沟通以及创新思维具有重要的意义。

关键词: 新工科 ; 高等分离工程 ; 案例教学 ; 软件辅助

Abstract

Facing the demand of strengthening the collaborative innovation ability of postgraduates under the background of emerging engineering education, the authors based on many years of teaching and scientific research experience carry out a series of teaching reforms on the teaching content, teaching methods, teaching means and assessment methods for the advanced separation engineering course. The project case base is established, case teaching and team cooperation are adopted to integrate multi-field professional knowledge and the latest scientific research achievements. Professional software is used to solve complex engineering problems, and the manual calculation and software calculation exercises are combined to strengthen the understanding and application of theoretical knowledge. The diversified assessment mode is taken to improve the study enthusiasm and autonomous learning ability. The practice shows that the teaching reforms and implementation of this course obviously improve the teaching effect, which is of great significance to the cultivation of postgraduates' comprehensive engineering ability, team communication and innovative thinking ability.

Keywords: Emerging engineering education ; Advanced separation engineering ; Case teaching ; Software assisting

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马占华, 杜跃展, 李军, 孙兰义. 新工科背景下高等分离工程教学改革与实践. 大学化学[J], 2020, 35(10): 134-140 doi:10.3866/PKU.DXHX202008010

Ma Zhanhua. Teaching Reform and Practice of Advanced Separation Engineering under the Background of Emerging Engineering Education. University Chemistry[J], 2020, 35(10): 134-140 doi:10.3866/PKU.DXHX202008010

随着当前新兴经济的快速发展,对工程专业人才素质和高等工程教育提出了更高的要求和挑战,加快高等工程教育改革已成为政产学研各界的广泛共识[1]。2017年我国开启了“复旦共识-天大行动-北京指南”新工科建设三部曲,提出了“以立德树人为引领,以应对变化、塑造未来为建设理念,以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径,培养未来多元化、创新型卓越工程人才”的新工科建设内涵,开拓了我国工程教育改革的新路径[2, 3]。研究生作为我国高级人才输送的重要力量,在新工科背景下需要对传统的研究生教学方式进行改革与探索以适应新时代的人才需求。

随着我国硕士研究生招生规模的扩大,研究生培养成为社会关注的焦点。化工专业是我国典型的传统工科,但长期以来我国工科院校在研究生培养上过于重视对学术型人才的培养,重理论轻实践,面向产业需求的实践训练不足,解决实际问题能力欠缺[4]。只有以合理的知识结构和扎实的专业知识积累为前提,同时提高学生实践、沟通和创新思维能力,才能做好科学研究工作。研究生课程教学质量直接影响研究生的人才培养质量,一定程度上制约着研究生综合素质和能力的提升[5]。因此,化工高等工程教育迫切需要以现有的教学资源和模式为平台,根据化工技术发展趋势以及对综合型化工人才的需求,对传统的教学模式进行继承与改革[1, 6]。化工分离过程在石油化工生产过程中占有非常重要的地位,是化工过程产品纯度、节能、经济效益以及可持续发展的关键。高等分离工程则是一门研究化工分离过程共性规律问题的化工研究生学位核心课程,本文针对该课程教学过程存在的不足和新工科背景下对协同创新人才的需求,结合我校高等分离工程课程改革的实践经验,探索出一种高等分离工程教学的新模式。

1 高等分离工程课程特点及其现状分析

高等分离工程是我校化学工程、环境工程等专业研究生的一门主修专业学位课程,是研究过程工业中物质分离和纯化的工程技术学科,课程内容广泛、综合性强,涉及到物理化学、化工热力学、化工原理和传递过程原理等学科基础知识,同时要求研究生具备一定的高等数学基础[7, 8]。由于该课程涉及领域较广,在传统教学方式下,高等分离工程课程往往在教学理念、教学内容、考核方式等方面存在诸多问题,主要包括以下几个方面。

1.1 教学理念陈旧

课堂教学能否达到理想的教学效果,关键在于教师与学生是否能够真正融入到课堂。但某些研究生教学基本沿用了本科的教学方式,教师在课堂上以灌输理论知识为主,忽视了学生才是课程学习的主体,教学理念陈旧。这种教学方式学生自主学习时间短、课堂参与度低,虽然给学生提供了一定的理论知识,但学生仍靠死记硬背完成学习任务,创新性思维没有得到提升,达不到预期的教学效果。

1.2 教学内容与实际脱节

随着世界新经济的迅速发展以及新工科的提出,化工“新工科”对实践、创新能力强的复合型人才需求愈发明显。高等分离工程是将理论知识综合实践应用的一门课程,旨在培养具有创新思维的高级化工专业人才。然而,目前课程中教师主要以讲述传统教材为主,教材内容大多只涉及化工过程分离技术的基本理论与知识,化工分离相关的新知识与新技术难以及时更新到教材,跟不上科学研究和产业需求,该模式下培养的学生创新意识及其解决实际工程问题能力偏低。

1.3 考核评价方式单一

传统的考核评价方式比较单一,大多是期末闭卷考试。在这种考核评价方式下,学生存在应付考试的心理,为了考试而学习,忽略了课堂的学习过程,学生没有真正的思考分析,更没有通过课程学习掌握解决实际工程问题的能力。有一些上课不认真听讲、甚至逃课的学生,在考前通过针对性的学习和机械记忆也可蒙混过关。另一种考核方式是以提交论文的形式考查学生的学习情况,学生提交的论文往往是东拼西凑的文章,缺少系统性和深度;有的学生甚至直接粘贴,对文章内涵没有完全吸收和理解,起不到考查的效果。

2 课程教学改革方法

高等分离工程是不断发展中的应用学科,因此课程建设需要不断地吐故纳新,改进教学方法,及时充实和更新教学内容,以适应面向化工新工科的研究生培养需要[9]。结合以上教学过程中存在的问题,我校从教学内容、教学方法、组织形式以及考核方式等几个方面对课程进行了教学改革与探索。

2.1 采用案例教学,强化创新思维与自主学习

案例教学已经成为世界范围内培养高层次专业人才的重要方式,以实际过程工业为背景进行教学,具有较强的工程性和探索性,可以提高学生的学习兴趣,增加其参与解决工程问题的积极性[10]。课题组根据高等分离工程课程教学内容和培养目标的需要,将科研成果转化为典型的工程案例,建成了教学案例库。采用案例教学,教学过程中也鼓励学生提前调研、寻找新题目,其中18级24位研究生案例教学题目汇总如表1所示,针对多组分共沸体系的分离,包括变压精馏、萃取精馏、热耦合萃取精馏、变压萃取精馏等多种复杂分离过程的流程模拟、优化及热集成。

表1   案例教学题目

序号案例
1减压萃取精馏分离四氢呋喃-甲醇-水及其热集成
2分隔壁塔萃取精馏分离非均相共沸物甲醇-甲苯-水及其节能优化
3变压精馏分离异丙醇-异丙醚工艺及其热集成
4萃取精馏水-丙酮-甲醇及其多目标遗传算法优化
5减压萃取精馏丙酮-甲醇共沸物模拟计算
6异丙醚-异丙醇-水非均相共沸精馏模拟优化
7常规和热耦合萃取精馏苯-甲苯-环己烷流程模拟与控制比较
8使用重夹带剂萃取精馏丙酮-氯仿流程模拟与优化
9异丙醚-异丙醇-水非均相共沸精馏及其变压精馏对比分析
10萃取精馏分离四氢呋喃-水共沸物流程模拟及其热集成分析
11变压萃取精馏分离丙酮-甲醇共沸物与热集成
12三塔变压精馏分离四氢呋喃-乙醇-水流程模拟与优化

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以案例3变压精馏分离异丙醇(IPA)-异丙醚(IPE)工艺及其热集成为例,案例教学内容及小组分工如图1所示,具体教学过程组织如下:

图1

图1   案例教学内容及其分工


1)课前,要求两名学生为一组进行文献资料查阅和整理,有针对性地调研项目背景、分离方案、设备及其工作原理,鼓励采用新的分离技术、绿色分离技术以及新型设备,同时重视节能减排。通过前期调研训练学生阅读中外文文献和收集整理信息的能力。在调研基础上,选择热力学模型及验证,并通过物系剩余曲线分析给出分离过程的概念设计,案例3异丙醇-异丙醚为二元最小恒沸点均相共沸物,分离过程的概念设计方案如图2所示,采用变压精馏,其中LPC为低压塔,HPC为高压塔,进一步采用化工专业软件辅助完成概念设计的工艺计算。

图2

图2   基于剩余曲线的异丙醇-异丙醚变压精馏概念设计

FEED-进料;LPC-低压塔;HPC-高压塔;IPA-异丙醇;IPE-异丙醚


2)课上,以学生为主体,进行PPT汇报,学生分组讨论,鼓励学生运用基础理论知识提出多种不同的分离方案或改进方案;教师起着引导课堂的作用,注重思维方式的指导和解决问题方法的传授,深化学生对基础理论的理解,同时开阔学生学术视野,培养对综合问题的解决能力。

3)课后,小组以大作业的形式做出总结,撰写报告,包括案例背景、工艺设计、过程模拟计算及结果分析、特点以及创新之处,最后给出在案例研究过程中存在的问题和个人总结,提交书面报告,大作业的成绩和课堂表现均以一定比例计入学生的最终成绩中。

案例教学方式,学生可将高等数学、化工热力学、化工原理、化工过程分析与合成等多学科知识融会贯通,对工程实际问题的解决可同时兼顾工程理论、应用及可持续发展,同时引入最新分离技术和科研成果,充分体现了交叉融合与创新。另外,将传统的以教师为中心的教学模式转变为以学生为中心,小组分工完成任务,学生既要独立思考、主动学习,又要共同讨论、互相促进,学习如何合作解决问题[11]。合作学习以及积极的参与,这种深层次的学习方式既锻炼了研究生自主学习和团队沟通的能力,又显著提高了工程综合意识和创新思维。

2.2 化工软件辅助,丰富教学手段

随着化学工业信息化和智能化的发展,行业亟需具有现代科学创新意识的高级技术人才。近年来,基于计算机辅助的化工专业软件蓬勃发展,如Aspen Plus和PRO/Ⅱ,已广泛用于化工过程设计、现有装置工艺优化等复杂工程问题的解决。教授化工类研究生使用现代计算工具和方法,对于培养学生多学科思维解决复杂问题的能力至关重要[12]。课题组长期从事化工过程模拟、优化与控制等相关领域的研究,并将相关模拟软件及科研成果融合到研究生教学中。实际工程案例通常涉及比较复杂的化工分离过程,如共沸精馏、反应精馏、萃取精馏等,使用人工计算或编程计算物料衡算、能量衡算以及传递过程方程等问题将非常困难,使用化工模拟软件则可以快速计算得到结果,并且可以根据控制面板的错误和警告提示进行修改,从而解决复杂的工程计算问题。授课初始,教师会利用4个学时指导学生快速了解化工模拟软件的基础操作、原理及应用。在完成大作业时,学生可以自主选择熟悉的过程模拟软件快速完成概念设计,将更多的时间用在问题分析、理论知识运用及改进创新上,既提高了学习积极性,也锻炼了学生分析解决问题的能力与创新思维。例如表1中案例3,进料流量为7062 kg∙h-1,其中IPA质量分率为0.64,IPE质量分率为0.36,对于图2的概念设计,可采用Aspen Plus模拟软件实现分离过程,得到产品IPA纯度(质量分率)为0.993,IPE纯度为0.998;进一步对原流程进行改造优化,采用Aspen Energy Analyzer进行换热网络设计,优化后流程如图3所示,采用了高压塔塔顶蒸气向低压塔再沸器供热以及精馏塔进料和塔底产品物流间换热的节能措施,节能效果对比如表2所示,优化后冷热公用工程用量分别减少了40.3%和39.8%,节能效果显著。

图3

图3   异丙醇-异丙醚变压精馏及其热集成


表2   异丙醇-异丙醚变压精馏热集成前后能耗对比

项目原有流程用量/kW集成优化用量/kW节能
冷公用工程2656158540.3%
热公用工程2696162439.8%

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2.3 手算与软件计算相结合,提高应用计算工具解决问题的能力

随着化工分离技术的发展,分离工程学科内容不断丰富,基本分离单元操作包括精馏、吸收、萃取、吸附、结晶以及膜分离等。基本分离单元的模拟和计算是教学基本内容,然而学生往往将这些内容视为独立的知识领域,在未来的职业发展中并不能关联和整合这些知识以解决实际的复杂问题,习题训练可以加深学生对这些理论方法的理解和综合应用。对于分离过程的设计与计算,随着计算机的发展,也由原来的近似经验估算发展到现在的软件精确计算。然而,在高等分离工程教学过程中,若要求学生全部采用软件计算,会使学生“知其然而不知其所以然”,对设计结果的可靠性难以做出准确判断和改进。因此,要求学生采用手算和软件计算相结合的方式进行习题练习,通过手算可以帮助学生理解化工分离过程的基本原理,熟悉分析问题的过程与方法,了解化工软件“黑箱”操作背后的含义。对于训练题目,根据教学大纲,课程组从实际工程项目中筛选出一些适合的工程案例,并从内容和深度上进行了符合教学要求的提炼,同时结合国内外经典的分离工程书籍,按照单元操作类型对典型题目进行了整理归纳。根据章节内容进行习题训练,要求学生先根据教材和相关参考文献进行手算,然后利用过程模拟软件再次求解,并将手算与软件计算结果进行对比,检查两者的计算结果是否一致,对数值相差较大的项目找出原因并进行改进,明确软件内部的工作原理及其各项计算结果的含义和合理性。

手算与软件计算相辅相成的习题训练方式,一方面加深了学生对分离工程基础知识的理解及其在工程问题中的应用,另一方面也提高了学生对过程模拟软件的学习兴趣和使用,从而掌握软件求解问题的原理和方法,提高解决复杂分离问题的能力。

2.4 多元化考核模式,激励学生积极性

传统的考核评价方式不利于全面地评价学生的综合能力。教学改革采用了多元化考核方式,考核内容更加关注整个学习过程,进一步突出能力考核。多元化考核方式将学生的成绩总体上分为两部分,平时成绩占比提高到50%,期末考试占比50%。平时成绩包括课堂表现(10%)、大作业(20%)与习题训练(20%)。案例教学过程中,两名学生为一组,分工合作完成工程案例设计和改进,制作PPT,并在课堂中展示小组工作成果,其他同学可以提出问题、进行讨论。课堂表现即学生的课堂参与度与PPT讲述和回答问题的表现成绩。课程结束后小组提交一份大作业,注明小组成员的分工,大作业成绩根据文档撰写质量、流程模拟的准确性和创新性进行评定。习题训练根据手算结果、软件结果的准确性以及对比分析内容给出成绩。期末考试采用开卷形式,学生可以携带计算机和课本,可借助于过程模拟软件进行计算。采用这种多元化考核方式,更加关注学生的整个学习过程,可以促进学生积极参与到课程中,培养学生独立思考和解决问题的能力,提升创新意识,真正达到反映教学质量的效果。

除此之外,教学中还通过调查问卷的方式了解教学情况,分为课程前期、中期、后期三个阶段,了解学生对课程的反馈和意见,及时发现和解决教学中出现的问题,对学生感兴趣的内容及时补充和调整,对下一届学生的教学也具有借鉴意义。

3 结语

根据我校高等分离工程课程教学存在的问题,结合新工科发展趋势,课题组从工程案例、教学方法、教学手段以及考核方式等几个方面进行了系列改革。基于案例教学,促进多专业知识交叉融合,同时引入新工艺和技术,强化了学生的工程综合能力,提高了自主学习以及协作沟通能力;手算与模拟软件计算相结合,理论与工程应用互相促进,提高了学生的理论应用和解决实际问题的能力;多元化考核模式,注重学习过程,达到了较好的教学效果。调查问卷表明,研究生开题后可以利用所学知识和技能迅速开展课题,文献查阅、独立思考和创新能力得到提高。课题组研究生毕业后进入各化工企业和设计院,对其自身发展的满意度较高,其能力也得到了公司的高度认可。面对新时代新要求,教学改革的道路依然很长,我们仍需一步一步坚持走下去,在实践过程中不断进行改进和创新,努力培养符合化工新工科发展需求的卓越工程技术人才。

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