流程模拟软件对“过程系统工程”教学作用的探讨

买尔哈巴·阿不都热合曼，史 月，魏 博，陈丽娟

(新疆大学 化工学院，新疆  乌鲁木齐  830046)

致 谢：本文获新疆大学2023年专创融合课程“过程系统工程”（专创）建设项目资助；感谢“疫情后时代适应“新工科”发展的化工类本科线上认识实习探索与实践（项目编号：XJU-2022JG30）”项目的支持。

摘  要： 在新工科背景下，在化工专业工程类课程教学过程中除了要求掌握化工专业基础知识外，要提高工程实践能力。通过引入流程模拟软件的方式，可以有效辅助过程系统工程课程教学，提高化工专业学生的实际应用能力和创新能力，培养具备化工应用型能力的人才。文章详细阐述了引进模拟软件的必要性，并结合多年教学经验，提出了在教学中引入模拟软件的多种教学方式方案。结合流程模拟实践过程不仅能够缩短学生与企业之间的距离，还能拓展教学过程中需要注意的事项。

关键词：过程系统工程；软件模拟；实践教学

随着科学技术的发展与进步，现代过程工业也逐步实现了综合性生产，对于产品的生产要求也变得越来越严格，设备也日益复杂起来。同时，要求要在一个安全、可靠和对环境污染最小的状况下运行，这就要保证整个装置要处在一个最优化的设计、最优的管理和最优化的控制当中。过程系统工程是高等院校化工类专业的一门在工业生产中应用性广泛的必修课程，其总目标是使学生能够综合运用化工原理、化工热力学或换热网络、过程系统工程优化等方面的知识，进行主要过程系统稳态模拟、换热网络综合、分离序列综合、过程系统能量与质量集成、化工过程系统分析与调优等工作，以实现化工中实际过程在技术及经济上的最优化，并达到一个节能环保，可持续发展的作用，从而培养学生对于分析和解决问题的能力，达到学以实用的目的^[1]。

1 软件模拟引入化工过程系统工程教学的必要性

化工专业是一个要求把理论与实践相结合教学的学科，过程系统工程学中包含的内容相当广泛，涉及换热器网络综合，过程系统的稳态模拟，曲线绘制，分离序列综合以及过程系统能量和质量集成等内容。因此在教学过程中发现了以下几点问题：（1）过程系统夹点中涉及大量计算和公式推导以及合成曲线图，化工过程的分析和改进中包含了数据优化，多种方法求解等基本理论，这些内容要求学生有较高的数学基础知识与数学计算能力，容易让学生产生畏惧，失去了对学习的兴趣，从而导致课堂中学生回答不积极，导致教学效果欠佳。（2）为了减轻学生的负担，例题中通常会把需要通过优化而确定出的参数给定，学生就会直接带入优化后的参数，没有自己的思考，从而限制了学生的创意性，得到的结果往往千篇一律，学生的系统工程概念和创新思路得不到锻炼。（3）以学生平时的出勤率和课后习题完成情况，来判断学生对于知识的掌握程度过于片面，体现不出客观性和准确性[2]。为此，将工程模拟软件引进到过程系统工程的教学实践中是非常必要的，这不仅可以帮助和锻炼学生将生产实际实践与课本内容结合起来，进而增强了学生对各种单元操作过程的理解和系统工程的判断能力，对于培养学生运用模拟软件解决实际工程问题和化工工业兴趣起到了重要作用。

我国目前对于化工方向的人才既要求有量的保证，更要有一个质方面的飞跃。化工行业选拔人才时，除了要求能够熟练掌握专业知识和技能、表达沟通能力、外语水平能力和团结协助能力以外，尤为重要的是拥有一定的实践工作经验，一般化工企业会优先考虑录取使用过化工系统模拟软件或有化工行业相关实习经历的应聘者。因此，将软件模拟引入到高等院校化工过程系统工程课程教学中是非常重要的。

2 引入模拟软件，构建“阶梯型”教学模式

为了让化工专业学生全方位地了解化工产业，实现在校生可以掌握化工企业应有的实际生产中的专业技能，缩短在校生与化工企业的距离，快速融入到企业的生产工作中；同时又能加强学校与化工企业之间的联系与合作，为学生提供更宽广的实践锻炼和就业平台，从而达到实践与理论相结合的教学宗旨，提高化工专业的教学质量。

课程设计按基础与实践实训要求，构建“阶梯型”实验教学体系（见图1），引入相应的模拟软件教学。

图 1“阶梯型”实验教学体系

Figure 1 “Ladder” experimental teaching system

2.1 基础课程

在基础课程中通过对过程系统稳态模拟，换热网络综合，分离系列综合以及过程系统能量和质量集成等相关知识点的讲解，让学生通过课本和教师讲解，了解学习化工系统工程课程的重点。通过基础例题，学生可以掌握从事化工行业所需要掌握的大部分基础知识，以及相关数值计算。但正由于涉及面广，教材体现的是一种静态体现不出实际工程工艺的运行状态、单元变化和错误提示等信息，再加上一些条件的限制，如例题中给出特定参数和固定方法，导致学生认为仿真度不够。并且将来从事化工工作，学生也不大可能完全负责一项完整的流程全部，往往只是掌握某个工艺的一部分。因此，在基础课程部分，我们的教学任务主要有以下两点：首先，让学生初步接触系统工程，掌握基本知识结构，学会计算相应的工程数据。其次，能够熟练画出工艺流程。理论知识是化工方向的基本工作，也是实际工作的重要依托。

2.2 软件模拟

化工过程模拟系统主要由输入系统、数据库、物性数据检查系统、化工单元模块库、热力学方法库、收敛方法库、功能模块库、经济评价库以及调度系统等构成[3]。首先输入数据，然后由数据检查系统进行工艺流程的拓扑分析和数据的检查，数据检查系统检查完毕后，则会进入调度系统。完善的调度系统决定了编制的灵活性和为用户提供便利的程度。热力学方法库关系着计算结果的准确性，化工单元过程库关系着能否进行计算[4]。

考虑到实现大学生“就业创业”的想法，建议针对当前化工行业对人才的要求，引入更符合实际需求的化工模拟软件，应用到教学的实际模拟中变得尤为重要。

Aspen Plus、CAD和Hysys等软件均可以进行工艺流程的绘制，例如，其中的Aspen Plus软件可以进行多种过程系统工程的模拟，其功能包括：（1）进行严格的能量和质量平衡计算；（2）预测流程中设备的尺寸和操作条件；（3）通过模拟预测出口物料的流量、性质和组成；（4）调换多种设备，模拟并比较多种设计方案，减少了装置的设计时间；（5）约束，优化改进当前工艺条件，并辅助消除工艺瓶颈，确定约束部位。

2.3 采用分组学习和讨论的教学模式

利用班级人数的优势，将全班学生平均分为几个小组，平均每组6-7人。每组需要完成三份过程系统工程模拟，一份换热器网络综合，一份过程系统能量和质量集成，一份过程系统优化作业。其中，模拟的内容要求小组学生在讲台现场讲解流程主要思路和模拟中的重点和注意事项，其他小组的同学负责提问。

2.4 完善学生成绩评价体系

过程系统工程课程一般是通过课堂作业和期末考试两种形式进行考核，其中通过期末考试的形式，主要考查学生对基本概念和理论知识的掌握程度，无法客观评价学生是否能够运用理论知识应用到实际工程的能力。因此，我们将期末闭卷考试内容中增添工艺优化设计开放式题目，选取中等难度的题目，并结合当前化工行业研究热点加以改编，让学生自由发挥，开拓思路，以考查学生将理论基础知识运用实际工艺中解决复杂问题的能力。同时，在批改学生课程作业时，鼓励学生应用模拟软件求解，并且给予能够灵活运用模拟手段求解的学生提供额外的加分奖励。这种考核评价体系能够有效保障学生最终成绩的公平性。

3 实践教学中引入模拟软件应注意的方面

3.1 课程时间安排

化工过程模拟软件包含了化工教学课程中多个层面的内容，包括物性、模拟、安全分析、能量分析、工艺流程等，对应基础理论教学中不同的阶段。进行系统软件模拟的根本目的是既要将必要的理论知识传授给与学生，又要培养学生的实际操作与创新能力。它应该是在学生接受完相应基础课知识后，通过模拟软件加深理解工程工艺的途径，也是对学生实际操作能力等方面的综合训练。因此，合理的学时数设置和在恰当的课程规划内进行，是做好过程系统工程学科教学的保障。为防止课程结束后学生对软件模拟过程和特定设置没有留下深刻印象，过程模拟软件的应用要与理论知识同时进行，加深学生对生产工艺路线的理解。做到，在学校所学的知识与生产实际之间相对应，起到应有的理论与实践的纽带作用。

3.2 教师综合能力和素质的培养

鉴于化工行业对实践性要求非常强，不同工艺又有着自身不同的特点和方法，高校教师对于化工行业的认知和掌握，主要停留在理论研究的基础上，但某种程度上与工厂实际有着一定的差异。因此，教师在运用模拟软件教学中不单要有牢固的化工基础知识，同时也应具备较强的个人实操能力和创新能力，在学生通过模拟软件学习中应加强应用，使虚拟与现实相联系以达到知行合一的目的。

3.3 学生的学习主动性

引入系统模拟软件教学既巩固了理论知识的同时，又能培养学生将理论与实际相结合、分析问题、解决问题和提高学生创新能力。将模拟软件融入过程系统工程教学的目的是让学生通过模拟软件更清晰的认识化工工艺，理解工艺流程实现理论与实践相结合，达到培养高质量实用性化工人才的目的。该教学方式是传统课程教学的延伸和有效补充，可以弥补传统课程的不足，激发学生学习兴趣，提高学习质量和效果。在运用模拟软件时也应注意存在学生单纯为完成学习任务而走过场，把软件操作当作娱乐游戏，没有体现出来将理论与实践融合的作用，失去了该教学引入应起到的作用。如何将兴趣作为导向，让学生在运用模拟软件操作中把理论与实践相结合，变被动为主动，灵活的引导学生学习理解也是引入模拟软件在教学中的关键步骤。

3.4 加强与化工企业的联系与合作

事实上，任何一个系统过程模拟案例都不应该是纸上谈兵，充足的设计实际应用案例经验及丰富的工艺解决方案是过程系统工程教学成功的基础，也是教学环节中引入模拟软件的关键意义所在。随着化工行业在我国所占比例越来越大，也为高校化工专业发展带来了新契机，其中学生实际应用能力的培养与教学环节的改革尤为重要[5]，而系统模拟软件的引入正成为培养化工领域应用型人才必不可少的教学方式。

4. 总结

运用模拟软件模拟和优化工艺流程已是许多化工企业的设计计算、科研开发、操作条件优化、公用工程费用以及节能减耗等工作基本工具，将模拟软件融入到课程教学中将是有效的教学手段，这样在丰富教学方式的同时还实现了理论与实际应用相结合的目标。通过学习课程理论知识，再通过运用模拟软件加以练习，深刻记忆。同时，课程内容、教学手段和考核方式等均应与时俱进才能真正做到课程教学内容与模拟软件的有机结合。

参考文献：

[1] 邓春, 王彧斐. 《化工系统工程》课程教学改革探索与实践[J]. 山东化工, 2020, 49(03): 169-170+172.

[2] 肖武, 李祥村, 贺高红, 吴雪梅, 都健, 董宏光, 潘艳秋, 韩志忠, 王瑶, 孙力. 化工原理课程设计教学内容和模式探索与实践[J]. 化工高等教育, 2013, 30(01): 35-37+53.

[3] 杜春霖, 张慧东, 刘飞, 张芳. 模拟仿真软件教学结合实际提高化工专业职业技能探索与实践[J]. 辽宁丝绸, 2021(03): 80-82.

[4] 孙兰义. 化工流程模拟实训—Aspen Plus 教程[M]. 北京：化学工业出版社, 2012: 1-3.

[5] 张治山, 李桂杰. 浅谈流程模拟软件在化工原理教学中的作用[J]. 化学工程与装备, 2008(04): 142-143.