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［摘要］化工過程合成與分析是化工專業(yè)學(xué)生的重要課程。文章以該課程的“案例教學(xué)＋精作業(yè)”的教學(xué)模式為例，闡述了基于案例的知識點講授層次和精作業(yè)要點。該教學(xué)模式有利于加深學(xué)生對理論知識的理解和認識，激發(fā)學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力，強化學(xué)生處理化工實際問題的能力。

［關(guān)鍵詞］化工過程合成與分析；案例教學(xué)；精作業(yè)

化工過程合成與分析是化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的教學(xué)目標是使學(xué)生能應(yīng)用化工過程模擬開發(fā)新型化工過程和改造現(xiàn)有工廠技術(shù)，運用系統(tǒng)工程的觀點和方法研究化工過程的開發(fā)、設(shè)計，優(yōu)化設(shè)備之間的最優(yōu)連接組合方式，實現(xiàn)化工過程系統(tǒng)在開發(fā)、設(shè)計、操作、管理等各個層面的最優(yōu)化［1］。該課程的內(nèi)容涉及化工過程各層次的模擬、設(shè)計和優(yōu)化，以及各層次之間的集成分析［2］，課程綜合性強、知識點多、知識面寬，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解起來較為困難［3］。從工業(yè)案例出發(fā)講授相關(guān)的設(shè)計、模擬和優(yōu)化，有利于加深學(xué)生對理論知識的理解和認識，激發(fā)學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力［4］。利用“精作業(yè)”可強化學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和處理化工實際問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)［5］。

一、基于案例的知識點講授層次

化工過程包括反應(yīng)、分離、能量／質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)和公用工程系統(tǒng)，各層次環(huán)環(huán)相扣，如圖1所示。在化工過程設(shè)計、模擬和優(yōu)化過程中，工程設(shè)計人員需基于化工熱力學(xué)、化工單元操作和最優(yōu)化的知識，綜合考慮各設(shè)備和流股，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面進行集成分析，確定最優(yōu)設(shè)計和操作方案。案例教學(xué)是指以選定的案例為藍本，從背景出發(fā)逐步提出相關(guān)問題，針對每一個問題介紹相關(guān)的分析和優(yōu)化方法，并據(jù)此對案例進行優(yōu)化和完善，從而循序漸進地實現(xiàn)完整的系統(tǒng)集成和優(yōu)化。案例要能貫穿集成分析和優(yōu)化各層次的知識點，展示相關(guān)知識所解決的問題和效果，使學(xué)生逐步學(xué)會運用知識解決問題。案例教學(xué)對知識的運用有更好的詮釋，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅不會感覺枯燥，而且能深刻理解知識及其運用。從案例出發(fā)講授化工過程的合成與優(yōu)化知識點時，可按以下思路進行，知識點講授層次如圖2所示。

1．案例的選擇。課程內(nèi)容涉及反應(yīng)、分離和換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、合成和優(yōu)化及不可分割子系統(tǒng)的辨識和切割，因此所選擇的案例應(yīng)盡可能涵蓋上述知識點。煤制液氫、環(huán)氧乙烷的合成系統(tǒng)都是很好的案例。

2．反應(yīng)－分離系統(tǒng)的合成。反應(yīng)和分離系統(tǒng)相互影響，教師除了講授相關(guān)知識點外，還要強調(diào)相關(guān)選擇對于后續(xù)系統(tǒng)和整個流程的影響，以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析的能力。如反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率的選擇影響產(chǎn)品的選擇性、反應(yīng)器的流出物、分離系統(tǒng)的負荷、分離順序和能耗等，由于未反應(yīng)原料的循環(huán)，分離系統(tǒng)的性能也影響反應(yīng)系統(tǒng)。

3．初步流程模擬。為強化學(xué)生對模擬方法的認識，教師在講授過程中可結(jié)合案例展示不可分割子系統(tǒng)的辨識和切割、三種模擬方法的特點、模型和模擬結(jié)果。

4．系統(tǒng)優(yōu)化。在化工生產(chǎn)系統(tǒng)中，各流股、各設(shè)備及其操作參數(shù)均影響系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)優(yōu)化部分主要介紹在考慮這些因素的前提下對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化的方法和思想，這是該課程的核心內(nèi)容。教師可通過貫穿全部知識點的案例，在不同的優(yōu)化階段講授不同的優(yōu)化方法和原理。

5．優(yōu)化流程的模擬和分析。教師可針對案例的優(yōu)化流程進行模擬，比較優(yōu)化前后的關(guān)鍵參數(shù)、能耗、產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，并與優(yōu)化措施耦合分析，強化學(xué)生對于優(yōu)化的認識。

二、利用“精作業(yè)”鞏固知識

針對本課程實踐性強的特點，教師布置具有一定挑戰(zhàn)性的“精作業(yè)”，以使學(xué)生鞏固所學(xué)知識，通過實踐體會優(yōu)化過程，并完善知識結(jié)構(gòu)。該過程也可以鍛煉學(xué)生在充分考慮多因素影響的前提下設(shè)計化工系統(tǒng)、解決化工問題的實踐能力，強化學(xué)生的工程意識。精作業(yè)的題目不是針對一個知識點，而是針對具有代表性的化工生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化。作業(yè)題材應(yīng)在綜合考慮學(xué)生興趣、題目綜合性和創(chuàng)新空間的基礎(chǔ)上確定，如以圖3所示的“直柴加氫系統(tǒng)的優(yōu)化”為題，讓學(xué)生通過分析和模擬，探討反應(yīng)器和精餾塔的操作變化對系統(tǒng)能耗的影響。學(xué)生需綜合利用化工熱力學(xué)、反應(yīng)工程和化工原理的知識，以及化工過程合成與分析的優(yōu)化方法進行換熱網(wǎng)絡(luò)、反應(yīng)器和分離設(shè)備的模擬和集成分析。精作業(yè)具有一定的挑戰(zhàn)性，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生獲得成就感和滿足感。該方法適用于學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，具有知識留存率高的特點。

三、結(jié)束語

針對化工過程分析與合成課程綜合性強、知識點多、知識面寬的特點，我們遵循學(xué)生認知的規(guī)律，采用“案例教學(xué)＋精作業(yè)”的教學(xué)模式，從工業(yè)案例出發(fā)講授設(shè)計、模擬和優(yōu)化的相關(guān)知識，以加深學(xué)生對理論知識的理解和認識，培養(yǎng)學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力；并通過精作業(yè)鍛煉學(xué)生在充分考慮多因素影響的前提下設(shè)計化工系統(tǒng)、解決化工問題的能力，強化學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力。該模式有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)專門人才。

作者:劉桂蓮 楊艷 馮霄 方濤 張橋 楊敏博 單位:西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院