董新艷 張 艷 桑佳榮

(浙大寧波理工學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院, 浙江 寧波 315100)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及多種模擬軟件日益廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中,傳統(tǒng)的化學(xué)工程也已成為一門集實(shí)驗(yàn)、計(jì)算及理論研究于一體的綜合性學(xué)科[1]。融合化工專業(yè)知識與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能,培養(yǎng)能夠熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決化學(xué)工程實(shí)際問題的學(xué)生,是化學(xué)工程專業(yè)教育的重要目標(biāo)之一。Aspen Plus作為最為通用的化工流程模擬軟件而被國內(nèi)外高校引入化學(xué)工程專業(yè)的課程體系中?！盎み^程模擬-Aspen Plus軟件及應(yīng)用”課程是化學(xué)工程專業(yè)一門重要的綜合性應(yīng)用型課程,旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化工專業(yè)知識和Aspen Plus流程模擬軟件分析解決化工生產(chǎn)中的實(shí)際工程問題,實(shí)現(xiàn)化工過程的分析、合成與優(yōu)化[2]。我院于2017年正式開設(shè)“化工過程模擬-Aspen Plus軟件及應(yīng)用”課程,作為一門新興的兼具理論與實(shí)踐性的綜合性應(yīng)用型課程,對老師教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)都提出了較高的要求,在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題,亟須對整體課程進(jìn)行改革與建設(shè)。下面我們對“化工過程模擬-Aspen Plus軟件及應(yīng)用”課程教學(xué)中存在的問題,以及在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)模式等方面采取的改革措施進(jìn)行分析探討。

1 教學(xué)過程中存在的問題

1.1 課程綜合性與專業(yè)性強(qiáng),難度大

該課程內(nèi)容涉及“物理化學(xué)”“化工原理”“化工分離工程”“化學(xué)反應(yīng)工程”“化工熱力學(xué)”“化工專業(yè)英語”,學(xué)生需要運(yùn)用多門專業(yè)課程的知識才能構(gòu)建合理的工藝流程、選擇匹配的模型、設(shè)置正確參數(shù)。然而,在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生對于學(xué)過的專業(yè)知識掌握不牢固,無法綜合運(yùn)用專業(yè)課程知識系統(tǒng)地分析解決復(fù)雜的流程模擬問題。此外,Aspen Plus軟件包含大量化工專業(yè)詞匯和術(shù)語,約70%的學(xué)生認(rèn)為全英文的軟件操作界面對學(xué)習(xí)造成了很大困難。

1.2 軟件復(fù)雜、掌握困難

Aspen Plus設(shè)置過程復(fù)雜、模塊眾多、工具命令繁多、功能異常強(qiáng)大,需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力才能掌握。傳統(tǒng)多媒體教學(xué)中,老師的教授和學(xué)生上機(jī)實(shí)操分開進(jìn)行,造成老師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”嚴(yán)重割裂。然而軟件的學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性,學(xué)生單純看老師演示操作而缺乏操練,學(xué)習(xí)效率差,無法真正記住及掌握軟件的操作步驟,造成學(xué)生在上機(jī)實(shí)操時(shí)依舊毫無頭緒。

1.3 學(xué)生解決實(shí)踐工程問題能力弱

學(xué)習(xí)完本課程后,學(xué)生在后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)、全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽等環(huán)節(jié)中對Aspen Plus軟件的實(shí)際應(yīng)用能力仍欠佳,僅限于基礎(chǔ)的軟件應(yīng)用,難以靈活運(yùn)用該軟件解決復(fù)雜的實(shí)際工程問題。

因此,根據(jù)課程兼具理論性與實(shí)踐性的特點(diǎn),針對目前課程教學(xué)過程中存在的問題,以培養(yǎng)提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力為目標(biāo),從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式等方面進(jìn)行如下教學(xué)改革。

2 “化工過程模擬-Aspen Plus軟件及應(yīng)用”教學(xué)改革措施

2.1 強(qiáng)化化工專業(yè)課程與該課程的銜接與融合的教學(xué)內(nèi)容改革

該課程不僅包含眾多化工專業(yè)課程內(nèi)容,而且進(jìn)一步深化了各門課程之間的有機(jī)聯(lián)系,著重突出理論與實(shí)踐的結(jié)合。學(xué)生在學(xué)習(xí)完各門專業(yè)課程后,一方面由于應(yīng)用較少,存在著遺忘的情況,另一方面難以將各專業(yè)課知識融會貫通、形成體系、綜合運(yùn)用,這樣給Aspen Plus軟件的學(xué)習(xí)帶來了極大困難。因此在教學(xué)內(nèi)容上需要注重與專業(yè)知識的銜接講授。受學(xué)時(shí)所限,要以軟件應(yīng)用為目標(biāo)來篩選針對性較強(qiáng)的化工專業(yè)知識重點(diǎn)講解,使學(xué)生從理論學(xué)習(xí)到軟件實(shí)操自然過渡。例如,熱力學(xué)方法的合理選擇對Aspen Plus模擬結(jié)果的正確性至關(guān)重要,而學(xué)生即使學(xué)過化工熱力學(xué),對具體物系的熱力學(xué)方法的選擇依舊非常困惑,無從下手。因此我們在講解軟件物性運(yùn)用時(shí),可系統(tǒng)地回顧串講“化工熱力學(xué)”相關(guān)知識,使學(xué)生進(jìn)一步明晰針對不同系統(tǒng)熱力學(xué)模型的選擇依據(jù)。在講解Aspen plus的物性分析工具時(shí),回顧講解“物理化學(xué)”中二元及三元相圖相關(guān)知識。此外,Aspen plus軟件與“化工原理”中單元操作的原理是相同的,因此在講授每個(gè)單元模塊模擬操作前,先簡要回顧和鞏固化工原理各個(gè)單元操作的基礎(chǔ)理論。比如在教授HesterX模塊時(shí),學(xué)生僅以“化工原理”中學(xué)過的傳熱相關(guān)知識難以完成該模塊模擬,因此需要補(bǔ)充講授換熱器結(jié)構(gòu)相關(guān)知識,如管板、折流板、接管、封頭、殼體、管束、擋板等,在了解了換熱器的結(jié)構(gòu)后學(xué)生才能設(shè)置換熱器HesterX的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在模擬分離過程時(shí),需要補(bǔ)充講解“化工分離工程”中的萃取精餾及兩塔變壓精餾的分離原理及流程。在講授動力學(xué)反應(yīng)器模擬時(shí),要回顧講解“物理化學(xué)”“化學(xué)反應(yīng)工程”相關(guān)知識,如冪指數(shù)型及LHHW型動力學(xué)的表示形式,全混流、平推流等各種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法。此外,對于此款全英文軟件,我們在制作課件的時(shí)候,對所有模塊參數(shù)進(jìn)行了中文注釋,并結(jié)合“化工專業(yè)英語”,將與軟件相關(guān)的專業(yè)英語詞匯整理成冊發(fā)給學(xué)生。通過專業(yè)課程和化工過程模擬課程的融合教學(xué),很多同學(xué)都感受到利用Aspen plus軟件可以方便快捷地求解以往“化工熱力學(xué)”“化工原理”“化學(xué)反應(yīng)工程”“化工分離工程”的課程習(xí)題。教學(xué)實(shí)踐證明,專業(yè)知識的必要補(bǔ)充,可將理論知識滲透到具體化工過程開發(fā)實(shí)踐中,使學(xué)生對Aspen plus軟件的學(xué)習(xí)更易于接受和深刻掌握。同時(shí)Aspen plus軟件的實(shí)踐教學(xué)讓學(xué)生親身體驗(yàn)到計(jì)算機(jī)模擬化工流程的快速、準(zhǔn)確和奇妙性,使學(xué)生對化工專業(yè)的認(rèn)知從定性提升到定量,同時(shí)也反哺及鞏固了其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

2.2 理論與實(shí)踐結(jié)合的“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式改革

該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能夠熟練地掌握運(yùn)用化工流程模擬軟件解決工程問題,即體現(xiàn)在讓學(xué)生會“做”上。以往采用理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐分散式教學(xué)模式,學(xué)生在理論課上只能被動聽課,由于缺乏有效練習(xí)而不能跟上老師節(jié)奏,從而感到枯燥乏味;而上機(jī)實(shí)踐課上又由于根本沒有掌握軟件操作從而無從下手。理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐教學(xué)結(jié)合的“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式則可以實(shí)現(xiàn)可視化及多人在線的人機(jī)交互功能,可打破原有的先理論后實(shí)踐的教學(xué)模式中理論知識與實(shí)際操作不能有效銜接等問題,更加符合應(yīng)用軟件學(xué)習(xí)要具有即時(shí)反饋和人機(jī)互動的特點(diǎn)[3]?！敖虒W(xué)做”一體化教學(xué)模式主要體現(xiàn)在師生的有效互動上,老師“教”、學(xué)生“學(xué)”、師生同時(shí)上機(jī)操作(“做”)三個(gè)環(huán)節(jié)有效融合,互相交叉進(jìn)行。教師通過主機(jī)控制使學(xué)生電腦顯示教師主機(jī)內(nèi)容,這樣教師對流程模擬操作過程的每一個(gè)步驟可以直觀清晰地展現(xiàn)在學(xué)生眼前的電腦屏幕上。在講解一個(gè)理論知識點(diǎn)后立刻解鎖學(xué)生電腦,學(xué)生則通過電腦跟隨老師一步步完成實(shí)踐訓(xùn)練。教師完成講授后,再在課上布置上機(jī)操作作業(yè),讓學(xué)生在課上進(jìn)行練習(xí)和思考,以鞏固所講知識。在學(xué)生實(shí)踐過程中若遇到模擬錯(cuò)誤或者難以解決的模擬問題,教師可以進(jìn)行一對一指導(dǎo)、討論,學(xué)生則通過指導(dǎo)親手操作解決問題。在師生互動、人機(jī)交互的過程中,學(xué)生通過提出問題、解決問題、印證結(jié)果的過程熟練軟件操作,不斷進(jìn)步?！敖虒W(xué)做”一體化教學(xué)模式將抽象而枯燥的理論知識科學(xué)地、有效地轉(zhuǎn)化到生動形象的實(shí)踐過程中,并在實(shí)踐中得以驗(yàn)證,解決了分段教學(xué)模式中所存在的理論知識與實(shí)際操作不連貫、不銜接等問題[4]。這種理論與實(shí)踐相結(jié)合的“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式更容易提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,在這一過程中學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體,能充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性,在培養(yǎng)學(xué)生思維能力的同時(shí),也培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

2.3 多層次案例教學(xué)的教學(xué)方法改革

在教學(xué)中采用案例式教學(xué),即把化工過程模擬的內(nèi)容分為若干個(gè)典型化工單元的案例,每個(gè)案例包含必要的化工及模擬理論、建模與模擬方法,把理論教學(xué)、上機(jī)模擬操作和工程實(shí)際問題揉合在一起,形成理論知識、Aspen Plus應(yīng)用、案例一體化的教學(xué)方式[5]。可以從典型化工生產(chǎn)工藝、歷年化工設(shè)計(jì)大賽題目等方面選題,構(gòu)建具有代表性、聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際的工藝過程案例。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)選擇由易到難、由單一到綜合的多元化、多層次案例,設(shè)立項(xiàng)目庫。在教學(xué)過程中首先向?qū)W生講授Aspen Plus單元模塊的基本理論、模塊參數(shù)及操作步驟,然后通過簡單案例模擬練習(xí)使學(xué)生熟悉Aspen Plus的各個(gè)單元模塊的應(yīng)用,盡快了解及掌握單元模塊的模型參數(shù)設(shè)置及模擬方法,從而消除畏懼心理,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,獲得學(xué)習(xí)成就感;然后通過難度適中、包含有2～3個(gè)模塊的流程的講授和練習(xí)進(jìn)入探索性訓(xùn)練,對案例進(jìn)行分析討論,幫助學(xué)生解決及分析流程模擬操作中出現(xiàn)的問題,培養(yǎng)和提高學(xué)生分析及解決問題的能力;隨著學(xué)習(xí)的深入,再進(jìn)行較為完整的小型化工過程的模擬及優(yōu)化,鍛煉綜合能力,加深學(xué)生對化工模擬與優(yōu)化的認(rèn)識。以精餾為例,先以精餾回收廢水中的N,N-二甲基甲酰胺和精餾分離乙苯-苯乙烯為案例,讓學(xué)生學(xué)習(xí)單一精餾塔模塊的模擬操作;然后以乙二醇萃取分離甲醇和丙酮的萃取精餾案例引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)帶循環(huán)的兩塔復(fù)雜精餾;進(jìn)一步采用更復(fù)雜的案例,如甲醇?xì)庀嗝撍贫酌训墓に嚵鞒?其流程包含反應(yīng)器、二甲醚精制塔和甲醇回收塔兩個(gè)精餾塔,以及泵等輸送設(shè)備。教學(xué)中,先引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)工藝體系,選擇適合的分離方法及反應(yīng)器,篩選分離介質(zhì),確定合理的工藝流程,再以Aspen軟件進(jìn)行流程模擬。這樣將理論、工藝、模擬環(huán)環(huán)相扣,相輔相成,層層遞進(jìn),形成理論知識、Aspen Plus應(yīng)用、案例教學(xué)的一體化教學(xué)方式,培養(yǎng)學(xué)生分析及解決工程問題的邏輯思維能力。多層次案例教學(xué)的總體策略是由淺入深,通過啟發(fā)式、討論式、互動式教學(xué)的綜合運(yùn)用,逐漸從簡單的單元模塊模擬過渡到復(fù)雜綜合流程的模擬和優(yōu)化,從單一的軟件操作學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向解決設(shè)計(jì)性和綜合性問題,從知識的學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)向能力的培養(yǎng),從而培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識和計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際工程問題的能力[6]。

3 結(jié)語

作者以培養(yǎng)學(xué)生分析及解決工程實(shí)際問題的能力為目標(biāo),對課程進(jìn)行綜合改革。通過穿插補(bǔ)充專業(yè)相關(guān)知識,強(qiáng)化課程與其他專業(yè)課程的銜接,做到理論知識和實(shí)踐應(yīng)用的有效結(jié)合;通過采用多層次案例的啟發(fā)式教學(xué)方法,以具體的化工生產(chǎn)實(shí)例為導(dǎo)向,逐步培養(yǎng)學(xué)生深入分析解決實(shí)際工程問題的能力;采用教師先進(jìn)行理論講解、然后學(xué)生學(xué)習(xí)模擬方法、最后學(xué)生再進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐的“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式,有效保證了學(xué)習(xí)的連貫性,在師生的有效互動中,學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體,激發(fā)了學(xué)習(xí)的主觀能動性,從而全面提高了教學(xué)效果。