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课程设计在提升化工教学质量的重要性

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摘要:化工课程设计是化工及相关专业非常重要的一个综合实践教学环节,具有综合性、实践性和工程性。是培养学生综合能力,提高学生专业综合素质的有效途径。根据课程设计的实际教学经验,文章从专业理论知识学习、工艺参数确定和设备选型能力、计算机计算及软件应用能力、工程意识与创新能力的培养等4个方面总结了化工课程设计在提升化工原理教学质量中的作用。

关键词:课程设计;化工教学;创新能力

化工课程设计是指全日制本科化工类专业学生在学习完化工类专业课程后,在专业老师指导下,由学生独立进行和完成的工程设计,是化工类专业学生非常重要的一个综合性实践教学环节。它以四大化学和化工原理课程所学理论知识为前提,以化工单元设计与计算、化工工艺制图、化工仪表自动化、化工设备机械基础等专业课程为基础进行的一项综合性实践训练和对所学专业基础知识的一次全面总结[1-2],也是对所修的专业课程实际教学效果的一次全面仿真检验。通过这一教学实践环节,可以最大程度培养和锻炼了学生以下3个方面的能力和素质:(1)培养和训练学生运用计算机和专用计算软件的工艺及设备计算技能、查阅筛选文献的能力,逐步树立和培养其工程意识;(2)拓宽学生的知识面,提高分析、解决实际问题的能力。培养学生解决工程实际问题的能力;(3)培养学生发挥自我独创独立思考能力,培养和训练学生良好的设计理念。在进行化工原理课程设计前,学生除了具备化工专业方面的理论知识外,还要求必须掌握工程技术人员所必需具备的基本技能和工程素质,例如能熟悉查阅文献资料、国家最新工程技术标准,会正确选用经验公式及处理数据[3],会用简练的文字和工程语言正确表述设计主题和结果等等。课程设计这一实践教学过程的开展,是学生理论联系实际的一次近距离、仿真的实战训练。也是对所学专业课程的全面综合运用和实践检验。根据本人几年来的指导经验和我校的实际开展情况的反馈情况来看,课程设计在提升化工原理教学质量中的作用非常明显,主要体现在以下4个方面的能力提升。

1加深学生对化工理论知识的理解

化工设计通常都安排在本科学习的第六学期末或第七学期,这一阶段,学生基本上已学完所学的专业课。近年由于科技的飞速发展,课堂教学模式手段越来越丰富,在教学中可通过多媒体教学、3D动画演示、专业实验、习题辅导等方面增强学生对专业知识的掌握,教学效果有了很大程度的提升,但由于工科专业课的理论知识较多,实践环节的安排较少,使得学生对工科专业课的学习比较抽象,加之学习任务繁重,学生自觉完成课程学习的动力明显不足,教学效果差强人意。本科教学中的化工课程设计,要求学生根据专业指导老师要求的设计题目,确定设计的已知条件和工艺参数要求,综合运用所学的专业知识,通过完整的物料和能量衡算来确定设备的类型、结构尺寸,并根据计算结果作出设备的装配图纸。同时撰写产品设计手册,并绘制工艺流程图(PID)、物料平衡流程图(PFD)和简单的车间布置图等。学生要在指定的时间完成这一任务,除对以往所学的专业知识融会贯通外,还需要大量的翻阅资料和与老师同学交流,在理论基础上进行大量实际计算,选择和比较,使用AutoCAD绘图软件绘图和采用计算软件辅助计算,最终完成任务。在这一实践教学环节的进行中,以前学习的专业课知识犹如一颗颗饱满的珍珠,被实践这双巧手串成一条光彩夺目的项链,学生既加强了对理论学习内容的了解和消化,同时由于学以致用,学生的学习动力和学习自觉性也得到了很大提升。

2培养实验设计和设备选型能力

实验设计能力和设备选型能力的培养是化工专业课程教学的基本目标之一。通过课堂上多种方式的学习,见习和实验等教学手段,学生熟悉了解了常用设备的基本操作规程,但在真实的实验设计和具体化工产品设备选型方面的能力较差。这一问题解决的唯一的途径就是加大实践训练,但由于高校中学生的实践经费有限,所以可采取课程设计这一理论与实践相结合的实践手段来解决。指导老师在确定课程设计题目时,可针对性地选用化工单元操作中常用的单元操作进行题目设置,明确设计任务,让学生围绕这一设计任务,在指定时间内完成具体的设计工作。例如,针对分离单元操作,可布置任务,要求学生独立设计一个精馏塔,设计的内容包括一个完整的工段,因此学生需要大量翻阅资料和比较,确定分离工艺实施方案,然后根据具体物料和能量衡算、实际化工生产经验进行精馏塔的结构设计,确定塔具体结构尺寸、进出料管口尺寸与安装方位,同时还要进行辅助设备的选型与计算,最后绘制精馏塔的设备图和带控制点的工艺流程图。这一实践性极强的课程设计结果反馈表明,学生的实验设计和设备选型能力得到了有效的培养。

3强化学生的计算机应用能力

近年来,随着计算机的普及和专用计算软件的开发,计算机在化工设计、化工生产、化工科研和教学等方面的应用越来越广泛,应用价值越来越被承认。因此对于培养应用型人才的高校而言,强化学生的计算机应用能力尤其重要[4-6]。化工课程设计的主要工作任务包括两方面:一是具体操作工艺计算和设备选型,由于工艺计算中许多物性数据比如密度、比热容要根据具体的工艺过程参数进行处理计算,计算过程中经常使用一些复杂的经验公式,部分公式需要反复试差计算,手算难度较大,准确性差,对于学生的设计计算结果是否正确,指导老师也很难判定,但采用专业的化工计算软件就非常容易判断和计算,且准确度非常高。例如精馏板式塔的设计计算,手工计算理论塔板数一般采用两种方法,简捷板法或逐板法。若采用逐板计算方法,需要用操作线方程和气液平衡方程两个公式交替进行多次的重复计算,才能获得最终结果,如果分离精度要求较高,理论塔板数数目就会非常多,手工计算工程量大且准确度差,计算难以完成和进行。利用CupTower软件进行计算,只要输入分离所需要达到的条件,运行软件后很快就得到全塔和精馏段理论板数,加料板的位置也会直接给出,同时还可以对参数进行优化和收敛。二是设备和工艺流程图的绘制。由于化工设计训练的时间一般仅为两周,留给绘图的时间非常紧迫,采用AutoCAD、CADWorx等软件绘图,不仅绘图速度和质量大大提高,而且图纸修改也非常方便,大大缩短了绘图时间,使学生有较为充裕的时间进行设计计算、方案论证,编印设计说明书等。通过本校近年来的设计结果表明,由于学生对计算机技术的掌握和应用,两周的设计时间越来越充裕,设计作品也越来越完善和优秀。每当学生手捧自己精心设计、亲手制作、装帧精美的设计说明书时,其喜悦之情溢于言表。教师亦分享着收获的喜悦。这使我们也意识到,计算机的使用特别是计算机绘图作为一种现代化的绘图工具确实是当代工程技术人员必备的基本技能,必须加强对学生这方面的培养。化工设计的进行在这方面的培养效果非常显著,极大的强化了学生的计算机应用能力。

4培养工程意识和创新思维

工程观念是指从工程实际的角度思考问题和解决问题[7]。化工设计是理论联系实际非常紧密的一门课程,在教学过程中应把书本知识与生产实际过程相结合,使学生在掌握基本理论知识的同时,学会应用理论知识解决实际问题。这符合工程观念培养化工人才的目的[6]。为了达到培养的目的,本校安排在学生见习和实习之后,使学生通过实习建立对工艺和设备的感性认识后,才开展了化工设计这一教学环节。同时,指导老师结合化工设计的要求和学生的专业特点,选定的化工课程设计的题目方向和内容都非常有针对性,设计的内容使学生既需要将理论课程上所学的知识进行综合运用,又能较好的体现工业背景和具有典型性、实用性的特点。极大的缩短了学生在专业方面理论与实际的距离。在学生经过大一、大二两年公共课、物理化学等四大化学和化工原理课程理论课的学习后,大三完成专业理论课学习和实验课的同时,针对部分专业能力表现优秀、学习能力强、且对化工知识有浓厚兴趣的学生,经老师和同学双方选择后,学院创造条件为其提供多样多方式的学习平台,进行更高层次的培养。比如鼓励和带领学生以小组形式参加全国大学生化工设计大赛、跨专业合作参加全国大学生制药工艺设计大赛、结合老师的科研方向和任务需要布置一定数量的课程设计题目等。

在这些实践活动的进行中,学生和老师,学生与学生,学校和学校,学校与企业之间需要经常要进行交流、总结和汇报。而最终的设计成果也要由小组全部成员用工程图纸、计算数据、详细图表、最终结论等工程术语来表述,同时,大多时候需要采用PPT在规定时间内讲解小组设计过程、结果、特点和设计的创新性及技术经济分析结果等。由于参加比赛,最终结果会有专家组进行合理评价,而专家组里的专家有许多来自于设计院、工厂和高校,他们掌握了大量的实践知识和最新动态,他们会对所设计的作品进行评价和提问,同时指出不足和改正意见。无论是指导老师还是参赛学生,都会从中获得许多书本上得不到的知识,由于设计题目都是专家根据目前化工行业实际存在的问题命题,一方面,学生通过作品的设计和完成,对所学所有专业课进行了一次彻底的融会贯通、综合运用和总结。从实际出发,提高了化工工艺设计的能力,拓宽学生的知识面,提高分析、解决实际问题的能力,有效地开拓了学生的设计思路和创新意识;另一方面,专业教师通过指导学生完成设计竞赛作品,积极展开校外交流,同时向企业技术人员学习,既丰富了自身的理论知识,也锻炼提高了实践能力和科研能力,达到促进双师型师资队伍建设的目的。

5结语

化工设计教学实践表明,课程设计不但提高了学生对理论知识的综合运用,发现问题和解决工程问题的能力、也培养学生的工程意识,增强了实践能力,同时大大提升了学生的学习动力和对理论课程的学习效果。另外通过课程设计,老师的教学方法、教学水平和科研能力也在实践中得到了大幅度提高。

参考文献

[1]郭业才,姚善化.加强课程设计环节提高学生综合能力[J].科学教育论坛,2005(19):165-167.

[2]冯硕,课程设计环节提高学生能力的探索[J].甘肃教育学院学报,2000,14(4):77-80.

[3]刘巧瑜,刘长海.课程设计在提升化工原理教学质量中的作用[J].广西轻工业,2010(2):115-116.

[4]白娟,张兴法.应用型人才培养化工原理课程设计改革探究[J].广州化工,2013,41(21):179-180.

[5]张凌云,朱德春,孙宏,等.应用型本科“化工原理”课程设计教学改革初探[J].合肥学院学报(自然科学版),2011,21(4):89-91.

[6]丁建飞.基于“卓越计划”的化工原理课程教学改革探索[J].化工时刊,2012,26(3):56-58.

[7]王华,张国涛.化工设计课程教学改革建议[J].广州化工,2010,38(6):277-278.

作者:卫粉艳 单位:宝鸡文理学院化学化工学院

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