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［摘要］化工過程合成與分析是化工專業學生的重要課程。文章以該課程的“案例教學＋精作業”的教學模式為例，闡述了基于案例的知識點講授層次和精作業要點。該教學模式有利于加深學生對理論知識的理解和認識，激發學生的探索和創新能力，強化學生處理化工實際問題的能力。
［關鍵詞］化工過程合成與分析；案例教學；精作業
化工過程合成與分析是化學工程與技術學科的專業基礎課，該課程的教學目標是使學生能應用化工過程模擬開發新型化工過程和改造現有工廠技術，運用系統工程的觀點和方法研究化工過程的開發、設計，優化設備之間的最優連接組合方式，實現化工過程系統在開發、設計、操作、管理等各個層面的最優化［1］。該課程的內容涉及化工過程各層次的模擬、設計和優化，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，學生學習和理解起來較為困難［3］。從工業案例出發講授相關的設計、模擬和優化，有利于加深學生對理論知識的理解和認識，激發學生的探索和創新能力［4］。利用“精作業”可強化學生的創新意識、創新能力和處理化工實際問題的能力，提高學生的綜合素質［5］。
一、基于案例的知識點講授層次
化工過程包括反應、分離、能量／質量交換網絡和公用工程系統，各層次環環相扣，如圖1所示。在化工過程設計、模擬和優化過程中，工程設計人員需基于化工熱力學、化工單元操作和最優化的知識，綜合考慮各設備和流股，從技術和經濟兩方面進行集成分析，確定最優設計和操作方案。案例教學是指以選定的案例為藍本，從背景出發逐步提出相關問題，針對每一個問題介紹相關的分析和優化方法，并據此對案例進行優化和完善，從而循序漸進地實現完整的系統集成和優化。案例要能貫穿集成分析和優化各層次的知識點，展示相關知識所解決的問題和效果，使學生逐步學會運用知識解決問題。案例教學對知識的運用有更好的詮釋，學生在學習過程中不僅不會感覺枯燥，而且能深刻理解知識及其運用。從案例出發講授化工過程的合成與優化知識點時，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。課程內容涉及反應、分離和換熱網絡的設計、合成和優化及不可分割子系統的辨識和切割，因此所選擇的案例應盡可能涵蓋上述知識點。煤制液氫、環氧乙烷的合成系統都是很好的案例。
2．反應－分離系統的合成。反應和分離系統相互影響，教師除了講授相關知識點外，還要強調相關選擇對于后續系統和整個流程的影響，以培養學生綜合分析的能力。如反應器轉化率的選擇影響產品的選擇性、反應器的流出物、分離系統的負荷、分離順序和能耗等，由于未反應原料的循環，分離系統的性能也影響反應系統。
3．初步流程模擬。為強化學生對模擬方法的認識，教師在講授過程中可結合案例展示不可分割子系統的辨識和切割、三種模擬方法的特點、模型和模擬結果。
4．系統優化。在化工生產系統中，各流股、各設備及其操作參數均影響系統的性能。系統優化部分主要介紹在考慮這些因素的前提下對整個系統進行優化的方法和思想，這是該課程的核心內容。教師可通過貫穿全部知識點的案例，在不同的優化階段講授不同的優化方法和原理。
5．優化流程的模擬和分析。教師可針對案例的優化流程進行模擬，比較優化前后的關鍵參數、能耗、產率和經濟效益，并與優化措施耦合分析，強化學生對于優化的認識。
二、利用“精作業”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性的“精作業”，以使學生鞏固所學知識，通過實踐體會優化過程，并完善知識結構。該過程也可以鍛煉學生在充分考慮多因素影響的前提下設計化工系統、解決化工問題的實踐能力，強化學生的工程意識。精作業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系統的設計和優化。作業題材應在綜合考慮學生興趣、題目綜合性和創新空間的基礎上確定，如以圖3所示的“直柴加氫系統的優化”為題，讓學生通過分析和模擬，探討反應器和精餾塔的操作變化對系統能耗的影響。學生需綜合利用化工熱力學、反應工程和化工原理的知識，以及化工過程合成與分析的優化方法進行換熱網絡、反應器和分離設備的模擬和集成分析。精作業具有一定的挑戰性，有助于激發學生的學習興趣，使學生獲得成就感和滿足感。該方法適用于學生能力和素質的培養，具有知識留存率高的特點。
三、結束語
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，我們遵循學生認知的規律，采用“案例教學＋精作業”的教學模式，從工業案例出發講授設計、模擬和優化的相關知識，以加深學生對理論知識的理解和認識，培養學生的探索和創新能力；并通過精作業鍛煉學生在充分考慮多因素影響的前提下設計化工系統、解決化工問題的能力，強化學生的工程意識和創新能力。該模式有利于培養具有創新意識和創新能力的高素質專門人才。
作者:劉桂蓮 楊艷 馮霄 方濤 張橋 楊敏博 單位:西安交通大學化學工程與技術學院
